JP4867132B2 - 高周波用誘電体磁器組成物、誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置 - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ波やミリ波等の高周波領域において利用される高周波用誘電体磁器組成物、ならびにそれを用いて構成される誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置に関する。

マイクロ波やミリ波等の高周波領域において、誘電体共振器や回路基板等を構成する材料として、誘電体磁器が広く利用されている。

このような高周波用誘電体磁器が、特に誘電体共振器や誘電体フィルタ等の用途に向けられる場合、要求される誘電特性としては、（１）誘電体中では電磁波の波長が１／（ε_r ^1/2）に短縮されるので、小型化の要求への対応として比誘電率（ε_r）が高いこと、（２）誘電損失が小さい、すなわちＱ値が高いこと、（３）共振周波数の温度安定性が優れている、すなわち共振周波数の温度係数（τ_f）の絶対値が小さいこと等が挙げられる。

ここでτ_fは、２０℃における共振周波数（ｆ₂₀）と、７０℃における共振周波数（ｆ₇₀）の値とを用いて、共振周波数温度曲線を直線近似したときの傾き（１次微係数）を表わすものであり、その値はτ_f＝（ｆ₇₀−ｆ₂₀）／（ｆ₂₀・（７０℃−２０℃））の式によって求められる。

従来、上述したような要求を満たし得る高周波用誘電体磁器組成物として、例えばＢａＯ−Ｎｄ₂Ｏ₃−ＴｉＯ₂−Ｂｉ₂Ｏ₃系（特許文献１参照）、（Ａ_1/2Ｂ_1/2）ＴｉＯ₃系（ただし、ＡはＬｉおよび／またはＮａ、ＢはＮｄ、Ｓｍ、Ｃｏ、およびＰｒの中から選ばれる少なくとも１種の金属元素）（特許文献２参照）等の磁器組成物が、既に提案されている。
特公平５−６８０４４号公報 特許第２６５４２９９号公報

近年、電子機器の低損失化、かつ小型化の要求が高まり、誘電体共振器や誘電体フィルタ等の用途に向けられる高周波用誘電体磁器に要求される誘電特性に関して、より優れたものが必要とされるようになっている。特に、高周波領域で使用しても、高いε_r、高いＱ値、および高い温度安定性（τ_fの絶対値が小さい）を併せ持つ材料に対する要求が高まってきている。

しかしながら、前記特許文献１に記載された組成系を有する誘電体磁器組成物の誘電特性は、ε_rが５２〜１００、Ｑ×ｆ値が２２００〜８０００ＧＨｚ、τ_fの絶対値が１〜１１５ｐｐｍ／℃であって、ε_rが１００以下に留まっており、充分高いとは言えなかった。

また、前記特許文献２に記載された組成系を有する誘電体磁器組成物の誘電特性は、ε_rが３１〜９２、Ｑ×ｆ値が１０００〜６６００ＧＨｚ、τ_fの絶対値が５８〜４０５ｐｐｍ／℃であって、同様にε_rが充分高いとは言えず、またε_rを高くすると、τ_fの絶対値が大きくなるという問題があった。

それで、更なる誘電体共振器や誘電体フィルタの小型化を進めるために、従来より高いε_rを持ち、τ_fの絶対値が小さい誘電体磁器組成物が求められていた。

そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る、すなわちマイクロ波やミリ波等の高周波領域で使用しても、高いε_rと高いＱ値を有し、またτ_fの絶対値が小さい、優れた誘電特性を示す高周波用誘電体磁器組成物を提供しようとすることである。

上述した技術的課題を解決するため、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、組成式：（Ａｇ_1/2Ｒｅ_1/2）ＴｉＯ₃（ただし、ＲｅはＬａ、Ｎｄ、Ｓｍ、およびＰｒの中から選ばれる少なくとも１種の金属元素）で表わされる組成を有し、かつ比誘電率ε _r が１２０以上１７０以下である。

また、この発明の誘電体共振器は、誘電体磁器が入出力端子に電磁界結合して作動するものである誘電体共振器であって、前記誘電体磁器は、上述したこの発明の高周波用誘電体磁器組成物からなる。

また、この発明の誘電体フィルタは、上述した誘電体共振器と、この誘電体共振器の入出力端子に接続される外部結合手段とを備える。

また、この発明の誘電体デュプレクサは、少なくとも２つの誘電体フィルタと、前記誘電体フィルタのそれぞれに接続される入出力接続手段と、前記誘電体フィルタに共通に接続されるアンテナ接続手段とを備える誘電体デュプレクサであって、前記誘電体フィルタの少なくとも１つが、上述したこの発明に係る誘電体フィルタである。

さらに、この発明の通信機装置は、上述の誘電体デュプレクサと、この誘電体デュプレクサの少なくとも１つの入出力接続手段に接続される送信用回路と、この送信用回路に接続される上述の入出力手段とは異なる、少なくとも１つの入出力接続手段に接続される受信用回路と、前記誘電体デュプレクサのアンテナ接続手段に接続されるアンテナとを備える。

この発明によれば、組成式：（Ａｇ_1/2Ｒｅ_1/2）ＴｉＯ₃（ただし、ＲｅはＬａ、Ｎｄ、Ｓｍ、およびＰｒの中から選ばれる少なくとも１種の金属元素）で表わされる組成を有するようにしているので、ε_rが１２０〜１７０と高く、Ｑ×ｆ値で１０５０〜１５００ＧＨｚの高いＱ値を示し、またτ_fの絶対値が１４０〜２８０ｐｐｍ／℃と小さい、優れた誘電特性を示す高周波用誘電体磁器組成物を得ることができる。

したがって、例えば基地局、携帯電話、パーソナル無線機、衛星放送受信機等に搭載される誘電体共振器を小型化し、誘電損失を小さいものとし、また共振周波数の温度安定性を優れたものとすることができる。その結果、このような誘電体共振器を用いれば、小型化され、かつ優れた特性を有する誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置を有利に構成することができる。

まず、この発明の高周波用誘電体磁器組成物が適用される誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置について説明する。

図１は、この発明の高周波用誘電体磁器組成物を用いて構成される誘電体共振器１の基本的構造を図解的に示す断面図である。

図１を参照して、誘電体共振器１は、金属ケース２を備え、金属ケース２内の空間には、支持台３によって支持された柱状の誘電体磁器４が配置されている。そして、同軸ケーブル７の中心導体と外導体との間に結合ループ５を形成して入力端子とする。また、同軸ケーブル８の中心導体と外導体との間に結合ループ６を形成して出力端子とする。それぞれの端子は、外導体と金属ケース２とが電気的に接合された状態で、金属ケース２によって保持されている。

誘電体磁器４は、入力端子および出力端子に電磁界結合して作動するもので、入力端子から入力された所定の周波数の信号だけが出力端子から出力される。

このような誘電体共振器１に備える誘電体磁器４が、この発明の高周波用誘電体磁器組成物から構成される。

なお、図１に示した誘電体共振器１は、基地局等で用いられるＴＥ０１δモード共振器であるが、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、他のＴＥモード、ＴＭモード、およびＴＥＭモードなどを利用する誘電体共振器にも同様に適用することができる。

図２は、上述した誘電体共振器１を用いて構成される通信機装置の一例を示すブロック図である。

図２に示した通信機装置１０は、誘電体デュプレクサ１２、送信用回路１４、受信用回路１６およびアンテナ１８を含む。

送信用回路１４は、誘電体デュプレクサ１２の入力接続手段２０に接続され、受信用回路１６は、誘電体デュプレクサ１２の出力接続手段２２に接続される。

また、アンテナ１８は、誘電体デュプレクサ１２のアンテナ接続手段２４に接続される。

この誘電体デュプレクサ１２は、２つの誘電体フィルタ２６、２８を含む。誘電体フィルタ２６、２８は、この発明の誘電体共振器に外部結合手段を接続して構成されるものである。図示の実施形態では、例えば図１に示した誘電体共振器１の入出力端子にそれぞれ外部結合手段３０を接続して、誘電体フィルタ２６および２８のそれぞれが構成される。そして、一方の誘電体フィルタ２６は、入力接続手段２０と他方の誘電体フィルタ２８との間に接続され、他方の誘電体フィルタ２８は、一方の誘電体フィルタ２６と出力接続手段２２との間に接続される。

次に、図１に示した誘電体共振器１に備える誘電体磁器４のように、高周波領域において有利に用いられる、この発明の高周波用誘電体磁器組成物について説明する。

この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、組成式：（Ａｇ_1/2Ｒｅ_1/2）ＴｉＯ₃（ただし、ＲｅはＬａ、Ｎｄ、Ｓｍ、およびＰｒの中から選ばれる少なくとも１種の金属元素）で表わされる組成を有する。

この発明において、上述のような特定的な組成および焼成条件を選んだ根拠となる実施例について、以下に説明する。

出発原料として、高純度のＡｇ₂Ｏ、Ｒｅ₂Ｏ₃（ただし、ＲｅはＬａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｄｙ、およびＥｒの中から選ばれる少なくとも１種の金属元素）、およびＴｉＯ₂の各粉末を準備した。

次に、Ｒｅを表１に示した金属元素として、組成式：（Ａｇ_1/2Ｒｅ_1/2）ＴｉＯ₃で表わされる組成が得られるように、前記の各出発原料粉末を調合した。

次に、この調合粉末を、ボールミルを用いて１６ｈ湿式混合し、均一に分散させた後、脱水および乾燥処理を施して調整粉末を得た。

次に、この調整粉末を、９００〜１０００℃の温度で５ｈ仮焼し、得られた仮焼粉末に適量のバインダを加えて、再びボールミルを用いて１６ｈ湿式粉砕することにより、焼成用粉末を得た。

そして、この焼成用粉末を、２００ＭＰａの圧力で円板状にプレス成形した後、表１に示した酸素含有率の雰囲気中において、１３００℃の温度で５ｈ焼成し、直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板状の焼結体を得た。

得られた各試料に係る焼結体について、測定周波数（ｆ）を３ＧＨｚ付近として、共振点ピークを両端短絡型誘電体共振器法にて測定し、ＴＥ０１１モードにおける共振点ピーク高さと試料寸法からε_rを求めた。また、共振点ピーク形状からＱ値を求め、その時の共振周波数によりＱ×ｆ値に換算した。さらに、ＴＥ０１δモードによるキャビティ法にて共振周波数を測定し、２０〜７０℃の温度範囲でのτ_fを測定した。

上述のようにして測定した、試料組成に対応したε_r、Ｑ×ｆ値、およびτ_fを表２に示す。

表１および２において、試料番号に＊を付したものは、この発明の範囲外の試料である。

表１および２に示すように、この発明の範囲内にある試料１〜７に係る高周波用誘電体磁器組成物によれば、ε_rを１２０〜１７０と大きく、Ｑ×ｆ値を１０５０〜１５００ＧＨｚと高く、τ_fの絶対値を１４０〜２８０ｐｐｍ／℃と小さくすることができ、優れたマイクロ波誘電特性を得ることができる。

これらに対して、この発明の範囲外にある試料について考察する。

ＲｅがＬａ、Ｎｄ、Ｓｍ、およびＰｒ以外の場合は、試料番号８〜１１に示すように、誘電損失が大き過ぎて、すなわちＱ値が小さ過ぎるためＲｅがＬａ、Ｎｄ、Ｓｍ、およびＰｒの場合では明瞭に確認できた共振点ピークが識別できず、ピーク高さおよびピーク形状に基づき、ε_rとＱ値の具体的な数値を求めることができなかった。また共振点ピークが識別できないため、共振周波数の温度特性は測定することができなかった。

なお、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、この発明の目的を損なわない範囲で、作製に当たっての出発原料の純度、調合方法、および焼成条件等に基づく、前記組成式で表わされる化学量論組成からのずれが生じていてもよい。

また、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、この発明の目的を損なわない範囲で、わずかな不純物を含有していてもよい。例えば、ＭｎＯ₂、ＮｉＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｔａ₂Ｏ₅等を０．０１〜０．５０重量％程度含有していても、誘電体磁器の特性が大きく影響されることはない。

この発明の高周波用誘電体磁器組成物を用いて構成される誘電体共振器１の基本的構造を図解的に示す断面図である。 図２に示した誘電体共振器１を用いて構成される通信機装置の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 誘電体共振器
２ 金属ケース
３ 支持台
４ 誘電体磁器
５、６ 結合ループ
７、８ 同軸ケーブル
１０ 通信機装置
１２ 誘電体デュプレクサ
１４ 送信用回路
１６ 受信用回路
１８ アンテナ
２０ 入力接続手段
２２ 出力接続手段
２４ アンテナ接続手段
２６、２８ 誘電体フィルタ
３０ 外部結合手段

Claims (5)

1. 組成式：（Ａｇ_1/2Ｒｅ_1/2）ＴｉＯ₃（ただし、ＲｅはＬａ、Ｎｄ、Ｓｍ、およびＰｒの中から選ばれる少なくとも１種の金属元素）で表わされる組成を有し、かつ比誘電率ε _r が１２０以上１７０以下であることを特徴とする、高周波用誘電体磁器組成物。
   
2. 誘電体磁器が入出力端子に電磁界結合して作動するものである誘電体共振器であって、前記誘電体磁器は、請求項１に記載の高周波用誘電体磁器組成物からなる、誘電体共振器。
   
3. 請求項２に記載の誘電体共振器と、前記誘電体共振器の入出力端子に接続される外部結合手段とを備える、誘電体フィルタ。
   
4. 少なくとも２つの誘電体フィルタと、前記誘電体フィルタのそれぞれに接続される入出力接続手段と、前記誘電体フィルタに共通に接続されるアンテナ接続手段とを備える誘電体デュプレクサであって、前記誘電体フィルタの少なくとも１つが請求項３に記載の誘電体フィルタである、誘電体デュプレクサ。
   
5. 請求項４に記載の誘電体デュプレクサと、前記誘電体デュプレクサの少なくとも１つの入出力接続手段に接続される送信用回路と、前記送信用回路に接続される前記入出力手段とは異なる少なくとも１つの入出力接続手段に接続される受信用回路と、前記誘電体デュプレクサのアンテナ接続手段に接続されるアンテナとを備える、通信機装置。

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