JP4280160B2 - 誘電体共振器及び誘電体フィルタ並びに高周波モジュール - Google Patents
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ミリ波帯における受動素子の課題は、小型化、低コスト化である。低コスト化に対して問題となっているのは、小さな寸法に対する量産可能な加工精度である。通常、マイクロ波帯で大量生産している技術をミリ波へ応用しようとすると部品が小さくなりすぎるため、量産可能な加工精度では、寸法のばらつきが大きくなってしまう。このため、部品の単価が高いという結果となってしまっていた。
前記誘電体共振器をミリ波帯へ用いるためには、スロットの直径を小さくする必要があるが、スロットが小さくなればなるほど、上下のスロットの軸ずれに対する共振周波数の設計値からのずれが大きくなると予想される。
また、本発明は、製造工程を簡略化でき、低コスト化できる誘電体共振器及び誘電体フィルタ並びにこの誘電体フィルタを用いた高周波モジュールを提供することを目的とする。
すなわち、本発明の誘電体共振器は、誘電体板と、当該誘電体板の両面に、当該誘電体板に一方の面が接触した状態でそれぞれ配置された電極板と、そのいずれか片側の前記電極板の他方の面から所定の間隔を置いて一方の面が対向するように導体板を支持するために、前記片側の電極板に取り付けられた側面支持部材と、前記導体板とを備え、前記側面支持部材が取り付けられた前記片側の電極板には、矩形スロットが形成されており、前記側面支持部材は遮蔽導体で形成されているものである。
また、前記側面支持部材は誘電体で形成されているものであってもよい。
また、本発明の誘電体共振器は、前記スロットが矩形であるので、縦横2つの共振モードを有する誘電体共振器となる。
前記両電極板で挟まれた領域における前記誘電体板の厚み及び比誘電率は、前記両電極板で挟まれた高周波信号の導波領域の遮断周波数が共振周波数よりも大きくなるように設定されていることが好ましい。こうすれば、遮蔽導体を設けなくても、電磁波が誘電体基板の側面から漏れ出すのを防ぐことができる。
本発明の誘電体共振器は、第1の誘電体板と、当該第1の誘電体板の両面に、当該第1の誘電体板に一方の面が接触した状態でそれぞれ配置された電極板と、そのいずれか片側の前記電極板の他方の面に一方の面が接触した状態で配置された第2の誘電体板と、当該第2の誘電体板の他方の面に一方の面が接触した状態で配置された導体板とを備え、前記片側の電極板には、矩形スロットが形成されており、前記第1の誘電体板の厚み及び比誘電率は、前記両電極板で挟まれた高周波信号の導波領域の遮断周波数が共振周波数よりも大きくなるような値に設定されているとともに、前記第2の誘電体板の厚み及び比誘電率は、前記片側の電極板と前記導体板とで挟まれた高周波信号の導波領域の遮断周波数が共振周波数よりも大きくなるような値に設定されていることを特徴とする。
(2)また、本発明の誘電体フィルタは、第1の誘電体板と、当該第1の誘電体板の両面に、当該第1の誘電体板に一方の面が接触した状態でそれぞれ配置された電極板と、そのいずれか片側の前記電極板の他方の面に一方の面が接触した状態で配置された第2の誘電体板と、当該第2の誘電体板の他方の面に一方の面が接触した状態で配置された導体板とを備え、前記片側の電極板には、矩形スロットが形成されており、前記電極板と前記導体板とで挟まれた前記第2の誘電体板に、高周波信号を入力する入力電極と、高周波信号を出力する出力電極とを設けたことを特徴とする。
(3)前記誘電体フィルタを高周波モジュールに搭載することにより、低コスト、小型で性能の優れたミリ波レーダ、無線LAN、ホットスポット、アドホック無線システム用の高周波モジュールを提供することができる。
図1(a)は、本発明の誘電体共振器の構造を示すための斜視図、図1(b)は断面図である。
誘電体共振器は、平面状の上部電極6の下に一定厚みH1の誘電体基板1を、誘電体基板1が上部電極6の下面に接触した状態で配置している。誘電体基板1の下には、幅W・長さLの矩形スロット3が形成された下部電極2を、下部電極2が誘電体基板1の下面に接触した状態で設置している。
これらの上部電極6、誘電体基板1、下部電極2、矩形スロット3及び空間Sにより構成される空間、特に矩形スロット3近傍の空間において、誘電体共振器を構成している。
前記矩形スロットを略正方形の形状にした場合、縦横2つの共振モードは、1つの共振モードに縮退する。したがって、例えば縦モードに信号を入力し、横モードから信号を取り出すような誘電体フィルタが簡単な構成で実現できる(後述)。
f<fc
となるような条件で共振器を使用する必要がある。これは、導体3,4間の空間S内の電磁波が側面から漏れ出すのを防ぐためである。なお、共振周波数fcは、
fc=1/2・H2√(με0)
で表される(μは透磁率、ε0は空気の誘電率である)。
側面支持部材5a,5bが誘電体である場合、シールド効果がないが、前述したように、空間Sの高さH2が、空間Sから電磁波が側面に漏れ出さないような高さに設定されているので、誘電体であっても問題はない。
f<fc′
という設定にする。
fc′=1/2・H1√(μεε0)
したがって、誘電体基板1の厚みH1、比誘電率εは、使用する周波数が遮断周波数fc′を超えないように選ぶ必要がある。
図3は、本発明の誘電体共振器のさらに他の構造を示す断面図である。
この誘電体共振器は、平面状の電極6の下に一定厚みの第2の誘電体基板1b(以下単に「誘電体基板1b」という)を、誘電体基板1bが電極6の下面に接触した状態で配置し、誘電体基板1bの下に、スロット3が形成された電極2を、電極2が誘電体基板1bの下面に接触した状態で設置している。
これらの電極6、誘電体基板1b、電極2、誘電体基板1a、スロット3、導体板4により誘電体共振器を構成している。
この構造によれば、誘電体基板1a,1bを積層することで一体に成形できるという利点がある。その製造方法については、後に説明する。
誘電体基板1aは、導体4と電極2とで挟み込まれた平行平板の構造となっているが、誘電体基板1aの側面方向に電波が漏れ出さないためには、平行平板の遮断周波数を超えない周波数領域で設計を行う必要がある。
なお、誘電体基板の側面をシールドする構造とした場合は、電波はこのシールドにより外へ漏れ出さないので、前述したような平行平板の遮断周波数を超えない周波数領域を用いる必要はない。
この誘電体フィルタは、下部電極2に、2つの矩形スロット3a,3bを形成することにより、2つの誘電体共振器を作り、空間S内のそれぞれの誘電体共振器の近傍に、入力電極となるマイクロストリップ線路7aと、出力電極となるマイクロストリップ線路7bとを配置している。
この誘電体フィルタを実用化する場合、2つの誘電体共振器が同じ共振周波数を持つように揃える必要があるが、特にミリ波帯へ応用する場合、2つの矩形スロット3a,3bの設計値からの誤差に対する共振周波数のばらつきが、従来の誘電体共振器(図7)よりも緩和される。したがって、寸法の加工精度が同じであれば、共振周波数の精度が従来よりも改善され、特性の揃った歩留まりの良い誘電体フィルタを製作することができる。
この図5の構造を、図1の構造と比較すると、下部電極2に形成されたスロット3の形状が、図1の構造が長方形となっているのに対して、正方形であるところが相違する。このように、正方形のスロット3を設けることによって、縦横の2つの共振モードが縮退して、単一周波数の2重共振モードが励起される。したがって、共振モード間でモード結合が起こりやすくなるので、このモード結合を利用して、例えば、高周波信号を縦モードで入力し、横モードで取り出す、単一のスロットを持った誘電体フィルタを製作することができる。
図6は、本発明の誘電体フィルタの他の構造例を示す縦断面図である。入出力電極の図示は省略している。
特に、セラミック材料を用いれば、セラミック誘電体の比誘電率は通常5から25と、樹脂基板に比べて高いので、誘電体層を薄くでき、素子の小型化に有効である。
本発明の誘電体共振器は、特にミリ波帯において最も効果があり、低コストかつ小型化が期待できる。
つぎに、前記誘電体共振器と各種高周波デバイスとを組み合わせた高周波モジュールについて説明する。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
計算条件は、誘電体基板1の厚さH1を1.5mm,比誘電率を2.5とする。空間Sの厚さH2=1.0mm、下部電極2に設けられた矩形スロットの幅W=2.22mm、長さL=4.60mmとした。下部電極2の厚さは、H1やH2に比べて無視できるほど薄く、誘電体共振器の全厚さは2.5mmとなる。電極の導電率は銅の値、58×106S/mとした。方向x及び方向zの終端面は開放端としている。
この構造における電界分布を図8にEで示す。これより、誘電体共振器は、半波長共振器として動作していることが確認できる。
50GHzから51GHzにかけて周波数掃引を行い、Sパラメータの伝送特性S21および反射特性S11を算出した。この計算結果を図9に示す。この結果から、共振周波数は、50.4GHzであることがわかった。
2,2a,2b 電極板
3,3a,3b 矩形スロット
4 導体
5a,5b 支持部材
6 電極板
7a,7b 入出力電極
Claims (13)
- 誘電体板と、当該誘電体板の両面に、当該誘電体板に一方の面が接触した状態でそれぞれ配置された電極板と、そのいずれか片側の前記電極板の他方の面から所定の間隔を置いて一方の面が対向するように導体板を支持するために、前記片側の電極板に取り付けられた側面支持部材と、前記導体板とを備え、
前記側面支持部材が取り付けられた前記片側の電極板には、矩形スロットが形成されており、前記側面支持部材は遮蔽導体で形成されていることを特徴とする誘電体共振器。 - 誘電体板と、当該誘電体板の両面に、当該誘電体板に一方の面が接触した状態でそれぞれ配置された電極板と、そのいずれか片側の前記電極板の他方の面から所定の間隔を置いて一方の面が対向するように導体板を支持するために、前記片側の電極板に取り付けられた側面支持部材と、前記導体板とを備え、
前記側面支持部材が取り付けられた前記片側の電極板には、矩形スロットが形成されており、前記側面支持部材は誘電体で形成されていることを特徴とする誘電体共振器。 - 前記電極板と前記導体板とで形成される空間の高さは、前記電極板と前記導体板とで挟まれた高周波信号の導波領域の遮断周波数が共振周波数よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の誘電体共振器。
- 前記矩形スロットの周囲の全部に、前記誘電体板を貫通するビアホール導体を所定の間隔を置いて複数個設けたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の誘電体共振器。
- 前記両電極板で挟まれた領域における前記誘電体板の厚み及び比誘電率は、前記両電極板で挟まれた高周波信号の導波領域の遮断周波数が共振周波数よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の誘電体共振器。
- 第1の誘電体板と、当該第1の誘電体板の両面に、当該第1の誘電体板に一方の面が接触した状態でそれぞれ配置された電極板と、そのいずれか片側の前記電極板の他方の面に一方の面が接触した状態で配置された第2の誘電体板と、当該第2の誘電体板の他方の面に一方の面が接触した状態で配置された導体板とを備え、
前記片側の電極板には、矩形スロットが形成されており、当該矩形スロットの周囲の全部に、前記第1及び第2の誘電体板の少なくとも一方を貫通するビアホール導体を所定の間隔を置いて複数個設けたことを特徴とする誘電体共振器。 - 第1の誘電体板と、当該第1の誘電体板の両面に、当該第1の誘電体板に一方の面が接触した状態でそれぞれ配置された電極板と、そのいずれか片側の前記電極板の他方の面に一方の面が接触した状態で配置された第2の誘電体板と、当該第2の誘電体板の他方の面に一方の面が接触した状態で配置された導体板とを備え、
前記片側の電極板には、矩形スロットが形成されており、前記第1の誘電体板の厚み及び比誘電率は、前記両電極板で挟まれた高周波信号の導波領域の遮断周波数が共振周波数よりも大きくなるような値に設定されているとともに、前記第2の誘電体板の厚み及び比誘電率は、前記片側の電極板と前記導体板とで挟まれた高周波信号の導波領域の遮断周波数が共振周波数よりも大きくなるような値に設定されていることを特徴とする誘電体共振器。 - 第1の誘電体板と、当該第1の誘電体板の両面に、当該第1の誘電体板に一方の面が接触した状態でそれぞれ配置された電極板と、そのいずれか片側の前記電極板の他方の面に一方の面が接触した状態で配置された第2の誘電体板と、当該第2の誘電体板の他方の面に一方の面が接触した状態で配置された導体板とを備え、
前記片側の電極板には、矩形スロットが形成されており、前記電極板と前記導体板とで挟まれた前記第2の誘電体板に、高周波信号を入力する入力電極と、高周波信号を出力する出力電極とを設けたことを特徴とする誘電体フィルタ。 - 前記矩形スロットを略正方形の形状にしたことを特徴とする請求項8に記載の誘電体フィルタ。
- 前記矩形スロットを複数備えたことを特徴とする請求項8に記載の誘電体フィルタ。
- 前記入力電極又は出力電極の、少なくとも一方又は両方は、コプレーナ線路、ストリップ線路、又はマイクロストリップ線路で形成されている請求項8から請求項10のいずれかに記載の誘電体フィルタ。
- 前記請求項1から請求項7のいずれかに記載の誘電体共振器と高周波デバイスとを組み合わせたことを特徴とする高周波モジュール。
- 前記請求項8から請求項11のいずれかに記載の誘電体フィルタと高周波デバイスとを組み合わせたことを特徴とする高周波モジュール。
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