JP4548342B2

JP4548342B2 - 温度調整機構を備えたマイクロ波回路部品

Info

Publication number: JP4548342B2
Application number: JP2006002674A
Authority: JP
Inventors: 栄一古川
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2026-01-10
Also published as: JP2007184843A

Description

本発明は、導波管フィルタ、空洞型共振器等のマイクロ波回路部品において、温度変動による中心周波数の変化（周波数シフト）等を調整する技術に関する。

同軸型や導波管型の空洞共振器型フィルタにおける共振周波数は、空洞の直径や高さ、長さ等によって決まるが、これらの同軸型や導波管型の空洞共振器型フィルタが配置されている環境において温度変化が起きた場合、空洞共振器に使用されている金属の熱膨張により各部位の長さ、すなわち空洞内の寸法が変化し、共振周波数が変化する現象（周波数シフト）が起こる。

図３は、空洞共振器型フィルタにおける一般的な帯域通過特性を示しており、横軸は周波数〔ｆ〕を、縦軸は帯域通過特性〔ｄＢ〕を表している。実線は、この帯域通過フィルタの設定温度における通過特性を示しており、周囲温度が設定温度よりも上昇すると、金属の熱膨張により共振周波数が低くなり、その通過特性は点線で示すようにより低い周波数へ移行し、周囲温度が設定温度よりも低くなると、金属の熱収縮により共振周波数が高くなり、その通過特性は一点鎖線で示すようにより高い周波数へ移行する。

従って、空洞共振器型フィルタの設計においては、使用温度範囲と使用材料の熱膨張率から周波数シフト量を予測する必要があり、一般的に温度補償として周波数シフト量だけあらかじめ広帯域に設計する方法が考えられるが、その場合、特に近傍の不要波除去特性について制約を受けることになる。

また別の解決方法としては、熱膨張率の低い材料を選定し、設計帯域を狭くして近傍の不要波除去特性を得る方法、あるいは広帯域を維持する代わりに段数を増やして不要波除去特性を急峻にする方法等も考えられるが、前者の場合は材料のコストアップや加工性に課題があり、後者の場合は設計の難易度アップと全長の増加というマイナス要素がある。

上記のような問題を解決可能な手段として、例えば特許文献１では、導波管フィルタ、共振器等のマイクロ波回路部品において、バイメタルにより導波管に螺合された調整ネジを回転させる手段を設け、温度変化によるマイクロ波回路部品を構成する筐体の熱膨張に対応して、調整ネジを回転させることにより調整ネジの筐体内への挿入長を変化させることによって、中心周波数が変動しないように補償する技術が提案されている。

図４は、上記特許文献１に示されている導波管フィルタの上面図（ａ）および断面図（ｂ）であり、温度変化により湾曲するバイメタル１３の一端は、固定ネジ１４により導波管１５の筒状の周壁に外表面側から固定されている。バイメタル１３の他端には、回転リンク１６により回動自在となっている金属棒１７の一端が連結され、金属棒１７の他端は、回転リンク１８により回動自在となっている金属棒１９の一端と連結されている。そして金属棒１９の他端を調整ネジ１０に固着することによって、固定ネジ１４、バイメタル１３、金属棒１７、１９、回転リンク１６、１８からなる調整ネジ駆動用のリンク機構が構成されている。

この導波管フィルタの温度が設定温度よりも上昇すると、ネジ１４により一端を固定されたバイメタル１３が左側（図４（ａ）上で）に湾曲する。それに伴って、金属棒１７も左側に移動し、金属棒１７と金属棒１９の連結部である回転リンク１８も左側に移動することになる。回転リンク１８の移動に伴い、金属棒１９は調整ネジ１０を中心として反時計回りに回転する。調整ネジ１０は金属棒１９に固着されているため、金属棒１９の反時計回りの回転に連動して調整ネジ１０も反時計回りに回転する。調整ネジ１０が反時計回りに回転すると、導波管１５の筒状の周壁に開けられた貫通したネジ穴に螺合している調整ネジ１０の挿入長Ｌが減少する。この調整ネジ１０の挿入長の減少は、導波管フィルタの中心周波数を高くする作用があるため、温度上昇に伴う導波管１５の熱膨張による中心周波数の低下を打ち消すことができる。

この導波管フィルタの温度が設定温度よりも低下した場合には、バイメタル１３が上記とは逆方向（右側）に湾曲するので、上記リンク機構による同様の動作により、調整ネジ１０の挿入長Ｌが増加して、導波管フィルタの中心周波数を低くする方向に作用するため、温度低下に伴う導波管１５の熱収縮による中心周波数の上昇を打ち消すことができる。

また特許文献２には、誘電体共振器を用いた発振回路において、温度変化で誘電体共振器の共振周波数がドリフトし、発振周波数が変動するのを補償するために、発振周波数調整ネジと誘電体共振器との間隔を温度変化に応じて変化させる手段を設ける技術が記載されている。

図５は、上記特許文献２に示されている誘電体発振器の断面図であり、誘電体共振器２４と、基板２２上に形成したマイクロストリップライン２３との結合によりマイクロ波を発振する。この発振器は、基板２２をシャーシ２１上に配置し、下面を開口した箱体状のシールドケース２７で基板２２を電磁遮蔽し、シールドケース２７の上面から調整ネジ２９を挿通し、調整ネジ２９と誘電体共振器２４との間隔を可変して発振周波数を調整する構成を有しており、またこの調整ネジ２９と誘電体共振器２４との間隔を温度変化に応じて可変する手段を設け、温度変化による発振周波数の変動を補正可能となっている。

調整ネジ２９と誘電体共振器２４との間隔を温度変化に応じて可変する手段は、穿設したネジ孔３１に調整ネジ２９を螺合させた第１金属板３０と、第１金属板３０とシールドケース２７との間に介挿され、調整ネジ２９の通る孔を穿設した所要の熱膨張係数を有する第２金属板３２とからなり、第２金属板３２の熱膨張により調整ネジ２９と誘電体共振器２４との間隔を可変する構成となっている。

特開平８−１４８９０３号公報特開２００１−２０３５１４号公報

上記特許文献１に記載の発明によれば、導波管フィルタの中空筐体内部に螺入される調整ネジの挿入長を調節する機構として中空筐体の熱膨張に対応して湾曲するバイメタルを用いているため、上記中空筐体の熱膨張により生ずるマイクロ波回路部品の中心周波数の変化を容易に補償することが可能となるが、該文献記載の調節機構では、バイメタル１３を湾曲させて調整ネジ１０を回転させるために、バイメタル１３、金属棒１７、１９、回転リンク１６、１８からなるリンク機構を用いる必要があり、その構成が複雑である。またその構成から調整ネジ１０の回転範囲も９０度程度に制限され、調整範囲の設定の自由度が小さいという問題がある。

また上記特許文献２に記載の発明では、発振周波数調整ネジと誘電体共振器との間隔を温度変化に応じて変化させる手段として、穿設したネジ孔３１に調整ネジ２９を螺合させた第１金属板３０と、第１金属板３０とシールドケース２７との間に介挿され、調整ネジ２９の通る孔を穿設した所要の熱膨張係数を有する第２金属板３２とからなり、第２金属板３２の熱膨張により調整ネジ２９と誘電体共振器２４との間隔を可変する構成を採用しているが、第２金属板３２の熱膨張率を直接利用する関係上、その調整範囲を大きくとることが困難であるとともに設定の自由度も小さく、また最適な材質、および厚みの選定が困難であるという問題がある。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、調整ネジをバイメタルにより温度に依存させて回動させる機構を比較的簡単な構成で実現し、かつ調整範囲の設定の自由度を大きくすることを可能にする手段を提供することにある。

本発明は、少なくとも内面が金属で構成された中空筐体と、該中空筐体内部に挿入される回路特性調整用ネジを備えたマイクロ波回路部品において、螺旋状に形成されたバイメタルの一端をドライバー状に形成して前記調整用ネジのネジ回動溝と係合させるとともに、該バイメタルの他端を前記中空筐体に対して固定配置し、温度の変化に応じて前記バイメタルの一端に生ずる回転力によって前記調整用ネジを回動させることにより、前記調整用ネジの前記中空筐体内部への挿入長を変化させて温度による特性変動を調整可能に構成したことを特徴としている。

前記バイメタルは前記調整用ネジの上部軸方向に沿って配置されており、該バイメタルの前記他端は前記中空筐体に固着された支持枠に固定されることにより前記中空筐体に対して固定配置されている構成、あるいは、前記バイメタルは前記調整用ネジに沿ってその周囲に同軸状に配置されており、該バイメタルの前記他端と前記中空筐体との固定位置は該中空筐体外部表面とされている構成とすることができる。

本発明においては、螺旋状に形成されたバイメタルの他端（先端）を、ネジを回動するドライバー形状等にして調整用ネジの頭に係合、当接させておき、温度変化時に螺旋形状バイメタルの先端部に生ずる回転力によりこの調整用ネジを回動して中空筐体内部に螺入される調整用ネジの挿入長を変化させる構成であるので、回動範囲が制限されることがなく設定の自由度が大きくなり、また、回動機構としてバイメタル以外のリンク部材等は不要であるので構成も簡単となる。

さらに、この螺旋状に形成されたバイメタルは、熱膨張率の組み合わせにより、回転方向を決めることが出来、また温度変化あたりの回転量も任意に設計可能であり、様々な条件に対して設計者の要求を満足させることが出来る。

また、前記中空筐体は、内部を空洞共振器として構成することができ、前記調整用ネジの前記中空筐体内部への挿入長を前記螺旋状に形成されたバイメタルによって変化させることにより空洞共振器の共振周波数を調整可能にして温度による周波数変動を調整する構成とすることができる。

あるいは、前記中空筐体内部に誘電体共振器を配置することができ、前記調整用ネジと該誘電体共振器の間隔を前記螺旋状に形成されたバイメタルによって変化させることにより該誘電体共振器の共振周波数を調整可能にして温度による誘電体共振器の周波数変動を調整する構成とすることができる。

さらに、前記調整用ネジは、前記中空筐体内部に配置された共振器間の結合度を調整するネジとして設けることができ、このネジを前記螺旋状に形成されたバイメタルによって回動制御することにより前記共振器間の結合度を調整可能に構成することができる。

本発明では、螺旋状に形成されたバイメタルによって例えば周波数調整用のネジを回動する構成となっているので、簡単な構成で効率的に温度変動による周波数シフトあるいは結合度変化を抑制することが可能であり、また、共振器や空洞筐体に用いる材料や使用温度を問わず、共振周波数を一定に保つことが可能となるため、帯域設計の自由度が上がり、近傍の不要波除去も容易に可能となる。

また材料選定の自由度も高く、熱膨張率以外の材料特性（コスト、加工性、放熱性、導電性等）を優先した設計を行うことが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す温度補償型空洞共振器フィルタの概略図である。

本実施形態の温度補償型空洞共振器フィルタは、空洞筐体４内に配置された半同軸状の共振素子３と対向する位置に、空洞筐体４の外部から螺入される共振周波数調整ネジ２を備えた空洞共振器に対して、周波数調整ネジ２の上部軸方向に、この周波数調整ネジ２を回動制御する螺旋状に巻かれたバイメタル１を配置したことを特徴としている。なお、空洞筐体４、半同軸状の共振素子３は導電体あるいは少なくともその表面を導体金属層が形成された部材により構成されている。

螺旋状に巻かれたバイメタル１の一方の端部はドライバー状に形成されて、周波数調整ネジ２の頭に形成されたネジ回動溝と嵌合しており、他方の端部は空洞筐体４の上部に設けられたバイメタル支持枠５に固定されている。初期設定時には、この空洞共振器フィルタの設定温度において所定の共振周波数、例えば図３の実線で示される特性が得られるように共振周波数調整ネジ２を回動させて周波数調整を行った後、螺旋状に巻かれたバイメタル１の一端を周波数調整ネジ２の頭と係合させるとともに、バイメタル１の他端をバイメタル支持枠５に固定する。

この空洞共振器フィルタが設置された環境における動作温度が設定温度よりも上昇した場合には、熱膨張により共振器３や空洞筐体４の各部位の寸法が変化し、共振周波数に変化が生ずる。調整ネジ２が固定された状態であれば、共振器のみならず調整ネジ２の熱膨張も共振周波数変化に作用する。しかしながら、本実施形態では、温度上昇に従って螺旋状に巻かれたバイメタル１の先端に形成されたドライバー形状部が回転する。

即ち、螺旋状に巻かれたバイメタル１の一端が固定されているため、温度変化によって他端（先端部）には回転力が発生する。共振器３と対向している周波数調整ネジ２は、螺旋状に巻かれたバイメタル１の先端ドライバー形状部の回転によって回動され周波数調整ネジ２の空洞筐体４内への挿入長が変化する。この周波数調整ネジ２の挿入長変化は空洞共振器フィルタの共振周波数を温度シフトと逆の方向へと調節するように作用する。そのため共振周波数は一定に保たれるように制御される。温度が設定温度よりも下がった場合には、上記と反対の制御動作が行われ、共振周波数は一定に保たれる。

図２は、本発明の第２の実施形態を示す温度補償型空洞共振器フィルタの概略図である。

本実施形態の温度補償型空洞共振器フィルタも、空洞筐体４内に配置された半同軸状の共振素子３と対向する空洞筐体４に、筐体外部から螺入される共振周波数調整ネジ２を備えた空洞共振器をその対象とし、螺旋状に形成されたバイメタル１によって共振周波数調整ネジ２を回動させる構成となっている点では、第１の実施形態と同様である。本実施形態では、螺旋状に形成されたバイメタル１の一端は周波数調整用ネジ２の頭に設けられた回動溝と係合されているが、この螺旋状に形成されたバイメタル１を周波数調整用ネジ２に沿ってその周囲に同軸状に配置するとともに、その他端を中空筐体４の外部表面に直接固定する構成としている。

そのため、本実施形態では、螺旋状に形成されたバイメタル１を固定するための支持枠が不要となり、また、空洞共振器フィルタの高さを、共振周波数調整ネジ２のみを備えた従来の空洞共振器の高さとほぼ等しい範囲に収めることができるので、その外形寸法を従来の空洞共振器フィルタの外形寸法と同じに保つことが可能である。温度変動に対するこの螺旋状に形成されたバイメタル１による共振周波数制御動作については、第１の実施形態と同様であるので、動作の詳細説明は省略する。

なお上記実施例では、共振周波数を温度変動に対して一定に保つように制御しているが、温度に応じて共振周波数を積極的に可変させるシステムに適用することもできる。また、共振周波数調整ネジに限らず、例えば共振器間の結合部に配置された結合度調整ネジに対して本発明を適用することにより、帯域幅の温度補償あるいは可変制御行うシステムを実現することができる。

例えば、温度変化に応じて不要波（スプリアス）が大きくなってくる場合など、本発明の螺旋状に形成されたバイメタルを用いて結合度が小さくなるように調整ネジを回動し、帯域幅を狭くして除去性能を向上させたり、逆の場合には帯域幅を拡大して、周波数特性を向上させるように作動させることも可能である。

また上記実施例ではバイメタル１の先端をドライバー形状としているが、バイメタルの先端はドライバー形状に限定するものではなく、螺旋状に形成したバイメタルの温度変化による回転を調整ネジに伝達して該調整ネジを回動させることができる適宜の形状を採用することが可能である。

本発明の第１の実施形態を示す温度補償型空洞共振器フィルタの概略図である。本発明の第２の実施形態を示す温度補償型空洞共振器フィルタの概略図である。空洞共振器型フィルタにおける一般的な帯域通過特性を示すグラフである。従来の温度補償型導波管フィルタの例を示す上面図および断面図である。従来の温度補償型誘電体発振器の例を示す断面図である。

符号の説明

１螺旋状の先端がドライバー形状となったバイメタル
２調整等に使用するネジ（調整ネジ）
３共振器
４空洞筐体
５バイメタル支持枠

Claims

少なくとも内面が金属で構成された中空筐体と、該中空筐体内部に挿入される回路特性調整用ネジを備えたマイクロ波回路部品において、
螺旋状に形成されたバイメタルの一端をドライバー状に形成して前記調整用ネジのネジ回動溝と係合させるとともに、該バイメタルの他端を前記中空筐体に対して固定配置し、温度の変化に応じて前記バイメタルの一端に生ずる回転力によって前記調整用ネジを回動させることにより、前記調整用ネジの前記中空筐体内部への挿入長を変化させて温度による特性変動を調整可能に構成したことを特徴とする温度調整機構を備えたマイクロ波回路部品。
前記バイメタルは前記調整用ネジの上部軸方向に沿って配置されており、該バイメタルの前記他端は前記中空筐体に固着された支持枠に固定されることにより前記中空筐体に対して固定配置されていることを特徴とする請求項１に記載の温度調整機構を備えたマイクロ波回路部品。
前記バイメタルは前記調整用ネジに沿ってその周囲に同軸状に配置されており、該バイメタルの前記他端と前記中空筐体との固定位置は該中空筐体外部表面とされていることを特徴とする請求項１に記載の温度調整機構を備えたマイクロ波回路部品。
前記中空筐体は、内部が空洞共振器として構成されており、前記調整用ネジの前記中空筐体内部への挿入長を前記螺旋状に形成されたバイメタルによって変化させることにより前記空洞共振器の共振周波数が調整可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度調整機構を備えたマイクロ波回路部品。
前記中空筐体内部には、誘電体共振器が配置されており、前記調整用ネジと該誘電体共振器の間隔を前記螺旋状に形成されたバイメタルによって変化させることにより前記誘電体共振器の共振周波数が調整可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度調整機構を備えたマイクロ波回路部品。
前記調整用ネジは、前記中空筐体内部に配置された共振器間の結合度を調整するネジとして設けられており、前記螺旋状に形成されたバイメタルによって前記ネジを回動することにより前記共振器間の結合度を調整可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度調整機構を備えたマイクロ波回路部品。