JP4953994B2

JP4953994B2 - 共振器およびフィルタ

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Publication number: JP4953994B2
Application number: JP2007228883A
Authority: JP
Inventors: 伸一山本; 浩光内田; 尚史米田; 太郎平池
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2007-09-04
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2027-09-04
Also published as: JP2008206130A

Description

この発明は、通信用電子機器等に用いられる共振器及びフィルタに関する。

帯域通過フィルタは、複数の共振器を用いて、互いに電磁的に、あるいはキャパシタあるいはインダクタを介して結合させる。各共振器は、通過周波数では共振状態になっており、共振器が別の周波数で共振する場合には、その周波数で通過するフィルタのスプリアス応答が見られる。

一般に、共振器は複数の共振周波数を持っており、フィルタのスプリアス応答の原因となっている。共振器の種類にもよるが、基本共振周波数の２倍、３倍などの周波数で共振する共振器が多い。広い周波数範囲でスプリアス応答のないフィルタを構成するためには、スプリアス共振のない共振器を使う必要がある。

一端開放、他端短絡の同軸共振器は、共振器の長さが約１／４波長となる周波数で基本共振するが、約３／４波長、約５／４波長となる周波数、すなわち基本共振の約３倍、５倍などの周波数でスプリアス共振する。このスプリアス共振数を高い周波数にする方法として、ＳＩＲ（Stepped Impedance Resonator）が知られている。

同軸共振器は、金属筐体内（外導体）の中心に内導体が他端開放、一端短絡で設置されている。通常、内導体、外導体の両方に傾斜または段差がついておらず断面が一定の形状となっている。また、同軸ＳＩＲは、複数のインピーダンスの線路（内導体）で構成された共振器で、インピーダンスの比を大きくするとスプリアス共振周波数を大きくできる。

また、外導体をテーパ状にすることで、２つのフィルタを組合せたダイプレクサで小型化を図った同軸共振器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、２種類の誘電体を用いて小型でスプリアス特性の良好な同軸共振器をつくることが知られている（例えば、特許文献２参照）。

また、内導体をテーパ状にし、生産性を上げるようにした同軸共振器が知られている（例えば、特許文献３参照）。

さらに、外導体をステップまたはテーパ状にして、スプリアス共振ピークの影響を低減する同軸ローパスフィルタが知られている（例えば、特許文献４参照）。

特開平３−１１７１０１号公報特開平４−２０７５０２号公報特開平８−２６５０１３号公報特開２００３−１８８６０５号公報

ところで、上述した同軸ＳＩＲでは、同軸線路の基本モードであるＴＥＭの高次共振周波数を３倍以上に高くすることができる。フィルタの損失を規定する共振器の無負荷Ｑは一般に共振器の大きさによって決まり、共振器が大きい場合、同軸線路の高次モードであるＴＥ_１１モードが発生することがある。その共振周波数がＴＥＭの高次共振を下回り、結果として、スプリアス共振周波数が通常の同軸共振器より低くなることがある。

通常の同軸共振器は、ＴＥＭの基本共振周波数の３倍の周波数でＴＥＭ高次共振が生じる。また、例えば２種類のインピーダンスの線路（内導体）で構成された、一端開放、他端短絡の同軸ＳＩＲの場合に、内導体のうち、開放端側の線路（内導体）のインピーダンスＺ_Ｌと短絡端側の線路（導体棒）のインピーダンスＺ_Ｈの比Ｚ_Ｈ／Ｚ_Ｌを大きくすると、ＴＥＭ高次共振周波数を高くできる。開放端側の線路（内導体）の半径をａ、同軸中心から外導体としての金属筐体の内壁までの半径をｂとすると、インピーダンスは、Ｚ_Ｌ＝６０ｌｎ（ｂ／ａ）であるので、インピーダンスＺ_Ｌを小さくすることは、ａを大きくすることに相当する。

同軸線路の高次モードであるＴＥ_１１モードの遮断周波数ｆｃは、ｆｃ＝ｃ／（π（ａ＋ｂ））であるので、ａまたはｂを大きくすると、ＴＥ_１１モードが発生しやすくなる。また、ｂを一定としたときに、ａを大きくすると、ＴＥ_１１共振がＴＥＭ高次共振周波数（基本周波数の３倍）よりも小さくなる問題がある。

また、内導体に直線上の傾斜をつけた場合、ＳＩＲと同等の効果が得られる反面、ＳＩＲと同様のＴＥ_１１共振の問題を持っている。

この発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、共振器を構成する外導体に傾斜をつけることで、ＳＩＲと同等な効果を得てＴＥＭモードの高次共振周波数を上げるともに、部分的に共振器を小さくして無負荷Ｑを損なうことなくＴＥ_１１モードの共振を抑えることができる共振器及びフィルタを得ることを目的とするものである。

この発明に係る共振器は、導電性の内壁を有し、全体が回転対称形で形成される角錐台または円錐台形状である外導体と、前記角錐台または円錐台の中心軸と同軸の回転対称形に形成された導体部の外壁を有し、前記角錐台または円錐台の底面側の一端が前記底面と短絡され、他端が開放された内導体とを備え、前記内導体は、前記短絡端から前記開放端に向けて行くにしたがって直径が大きい回転対称形の角錐台または円錐台形状であるものである。

また、他の発明に係る共振器は、角柱状の導電性の内壁を有し、側壁のうち少なくとも一面に傾斜をつけた外導体と、前記角柱と同軸状の回転対称形に形成された導体部の外壁を有し、底面の一端が前記外導体底面と短絡され、他端が開放された内導体とを備え、前記内導体は、回転対称形の角柱または円柱であるものである。
また、他の発明に係る共振器は、角柱状の導電性の内壁を有し、側壁のうち少なくとも一面に傾斜をつけた外導体と、前記角柱と同軸状の回転対称形に形成された導体部の外壁を有し、底面の一端が前記外導体底面と短絡され、他端が開放された内導体とを備え、前記内導体は、前記短絡端から前記開放端に向けて行くにしたがって直径が大きい回転対称形の角錐台または円錐台形状であるものである。

また、この発明に係るフィルタは、内導体の短絡端がそれぞれ互い違いになるように配置された複数個の前記共振器と、隣接配置された前記共振器間を電磁的に結合する結合窓とを備えたものである。

また、他の発明に係るフィルタは、内導体の短絡端がそれぞれ互い違いになるように配置された複数個の前記共振器と、隣接配置された前記共振器間の結合部分の金属メッキを削除した結合窓とを備えたものである。

さらに、さらに他の発明に係るフィルタは、勾配面または垂直な側壁同士を合わせるようにして組み合わせて配列された複数個の共振器と、隣接配置された前記共振器間を電磁的に結合する結合窓とを備えたものである。

この発明によれば、共振器を構成する外導体に傾斜をつけることで、ＳＩＲと同等な効果を得てＴＥＭモードの高次共振周波数を上げるともに、部分的に共振器を小さくして無負荷Ｑを損なうことなくＴＥ_１１モードの共振を抑えることができる共振器及びフィルタを得ることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る同軸共振器を示す構成図である。図１に示す同軸共振器は、回転対称形で形成される角錐台または円錐台形状の導電性の内壁を有する外導体と、前記角錐台または円錐台の中心軸と同軸の回転対称形に形成された導体部の外壁を有し、前記角錐台または円錐台の底面側の一端が前記底面と短絡され、他端が開放された内導体とを備えている。なお、内導体は、回転対称形の角柱または円柱であるが、ここでは円柱内導体を例に説明する。

すなわち、図１に示す同軸共振器は、一端が短絡され、他端が開放された直径が一定（短絡端１３側半径ａ_０、開放端１２側半径ａ、ａ＝ａ_０）である内導体としての金属棒１０Ａと、金属棒１０Ａを同軸状に取り囲み、かつ、金属棒１０Ａの短絡端１３側から開放端１２側に向けて直線的な傾斜を設けて、同軸中心から短絡端側に対応する内壁までの半径ｂ_０と、同軸中心から開放端側に対応する内壁までの半径ｂ（ｂ＜ｂ_０）とを異ならせた外導体としての金属筐体１１とを備えており、ＳＩＲと同様に、上部と下部のインピーダンスの比、つまり開放端側のインピーダンスＺ_Ｌと短絡端側のインピーダンスＺ_Ｈの比Ｚ_Ｈ／Ｚ_Ｌを大きくすることで、ＴＥＭの高次共振周波数を高くしている。

図２は、金属棒１０Ａの半径ａを一定としたときに、横軸を１／ｂとして、ＴＥＭ高次共振周波数ｆ_{ｃ',ＴＥＭ}とＴＥ_１１モードの共振周波数ｆ_{ｃ,ＴＥ１１}とを示した特性図である。ＴＥＭの高次共振周波数ｆ_{ｃ',ＴＥＭ}と共に、ＴＥ_１１モードの共振周波数ｆ_{ｃ,ＴＥ１１}も大きくできるので、図１に示す共振器は、全体として低スプリアスな共振器となる。

１／４波長同軸共振器では、短絡端付近に電流が集中し、無負荷Ｑは短絡端付近の大きさによって決まる。この実施の形態１における共振器では、短絡端付近の大きさを変えることなくＴＥ_１１モード共振を抑えているので、無負荷Ｑには大きく影響しない。また、２個以上の共振器を短絡端が上下になるように交互に配置してフィルタを構成した場合、フィルタ全体としてコンパクトにできる。

金属筐体４１の傾斜角を大きくすると、インピーダンスの比Ｚ_Ｈ／Ｚ_Ｌを大きくでき、ＴＥＭの高次共振周波数を大きくすることが可能である。一方、共振器としてのサイズが小さくなり、無負荷Ｑの劣化を生じる。ＴＥＭ高次共振、ＴＥ_１１共振、無負荷Ｑの観点から、最適な共振器サイズと傾斜角を決めることができる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係る同軸共振器を示す構成図である。図３に示す同軸共振器の外導体としての金属筐体１１は、図１に示す実施の形態１に係る共振器の金属筐体と同様に傾斜ついており、さらに内導体としての金属棒１０Ｂにも傾斜をつけたものである。すなわち、金属棒１０Ｂは、一端が短絡、他端が開放され、短絡端１５から開放端１４に向けて行くにしたがって直径が大きくなっている。これにより、実施の形態１と同様の効果が、小さい傾斜角で得ることが可能である。また、共振器間の結合を容易にするとともに、傾斜による無負荷Ｑの劣化を小さくできる。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３に係る同軸共振器を示す構成図である。図４に示す同軸共振器は、図１に示す実施の形態１に係る共振器の金属棒対応部分と金属筐体対応部分との間の空洞部を誘電体１６で構成し、当該誘電体１６周囲を金属メッキ１７して、内導体としての金属棒１０Ｃと外導体としての金属筐体１１とを一体成型したものである。なお、図４において、金属棒１０Ｃの内部は誘電体１６の孔に相当し、１２は開放端、１３は短絡端を示す。

ここで、誘電体１６は、一端から他端に向けて小さくなるように傾斜のついた誘電体ブロックに、広い方の端面から直径が一定である穴を開けて構成し、表面を金属メッキすることで、内導体としての金属棒１０Ｃと外導体としての金属筐体１１とを一体成型できる。

図４に示す実施の形態３に係る同軸共振器によれば、金属棒１０Ｃと金属筐体１１とを一体成型することができ、実施の形態１と同様な効果を奏することができる。

実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４に係る同軸共振器を示す構成図である。図５に示す同軸共振器は、図３に示す実施の形態２に係る共振器の金属棒対応部分と金属筐体対応部分との間の空洞部を誘電体１６で構成し、当該誘電体１６周囲を金属メッキ１７して、内導体としての金属棒１０Ｄと外導体としての金属筐体１１とを一体成型したものである。なお、図５において、金属棒１０Ｄの内部は誘電体１６の孔に相当し、１４は開放端、１５は短絡端を示す。

ここで、誘電体１６は、一端から他端に向けて小さくなるように傾斜のついた誘電体ブロックに、広い方の端面から直径が深さ方向に大きくなる穴を開けて構成し、表面を金属メッキすることで、内導体としての金属棒１０Ｄと外導体としての金属筐体１１とを一体成型できる。

図５に示す実施の形態４に係る同軸共振器によれば、金属棒１０Ｄと金属筐体１１とを一体成型することができ、実施の形態２と同様な効果を奏することができる。

実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５に係るインターディジタルフィルタを示す構成図である。図６に示すフィルタは、実施の形態１の共振器によって構成されたフィルタであり、金属棒１０Ａの短絡端が互い違いになるように配置された複数個（図では３個）の共振器と、共振器間を電磁的に結合する金属筐体１８に設けられた結合窓１９とを備えている。なお、２０はフィルタを励振するための同軸プローブである。また、図６は、図１に示す実施の形態１の共振器によって構成されたフィルタであるが、図３に示す実施の形態２の共振器によっても構成できるのは勿論である。

この発明のフィルタに適用される共振器は、従来例に比べ、スプリアス共振が高い周波数にあるため、フィルタ全体としてもスプリアス応答のない周波数範囲を広くとれる。

また、この発明のフィルタは、共振器の短絡端を上下に交互配置したインターディジタルフィルタであり、共振器の金属筐体の傾斜は直線状であるので、同じ共振器どうしを密に配置可能である。そのため、フィルタ全体を小型化できるとともに、結合窓１９により共振器間を結合させられる。

このため、この発明のフィルタによれば、従来のフィルタに比べて小型化を図ることができると共に、スプリアス応答を高い周波数にすることが可能であるので、スプリアス応答を抑圧するために別途付加する低域通過フィルタの除去あるいは要求性能緩和を図ることができる。結果として、帯域通過フィルタと低域通過フィルタを含めて考えると、全体の低損失化と小型化を実現できる。

さらに、図４及び図５に示す実施の形態３及び４に係る同軸共振器を、内導体の短絡端が互い違いになるように配置し、共振器間の結合部分の金属メッキを削除して結合窓を形成することで、図６に示すインターディジタルフィルタと同様な効果を奏するフィルタを構成することができる。

実施の形態６．
図７は、この発明の実施の形態６に係る同軸共振器を示す構成図である。図７に示す同軸共振器は、角柱状の導電性の内壁を有し、側壁のうち少なくとも一面に傾斜をつけた外導体１１Ａと、前記角柱と同軸状の回転対称形に形成された導体部の外壁を有し、底面の一端が前記外導体底面と短絡され、他端が開放された内導体１０Ａとを備えている。すなわち、外導体１１Ａは、側面のうち少なくとも一面に傾斜がついていることを特徴とする。傾斜は側面のうち任意の面でよく、傾斜角は同一でなくてもよい。

実施の形態１の外導体１１では、四角柱に４面に同じ傾斜角をつけた四角錐台形状であり、スプリアス共振周波数を高くする効果が最も大きく、無負荷Ｑの減少が小さい。図７に示す実施の形態６の外導体１１Ａは、一例として、四角柱の側面のうち１面にのみ勾配をつけたものであり、実施の形態１と同様の効果が得られ、傾斜面を限定することで生産性が格段に向上する。

ここで、外導体１１Ａは少なくとも内壁が導電性をもてばよく、内導体１０Ａは少なくとも外壁が導電性をもてばよい。また、内導体１０Ａ、外導体１１Ａは回転対称である必要はない。内導体１０Ａは、外導体１１Ａの底面のうち、面積の大きい方に短絡されている。

実施の形態７．
図８は、この発明の実施の形態７に係る同軸共振器を示す構成図である。図８に示す同軸共振器の外導体としての金属筐体１１Ａは、図７に示す実施の形態６に係る共振器の外導体１１と同様に傾斜をつけており、さらに内導体としての内導体としての金属棒１０Ｂにも傾斜をつけたものである。すなわち、金属棒１０Ｂは、一端が短絡、他端が開放され、短絡端１５から開放端１４に向けて行くにしたがって直径が大きくなっている。これにより、実施の形態６と同様の効果が、小さい傾斜角で得ることが可能である。また、共振器間の結合を容易にするとともに、傾斜による無負荷Ｑの劣化を小さくできる。

実施の形態８．
図９は、この発明の実施の形態８に係る同軸共振器を示す構成図である。図９に示す同軸共振器は、図７に示す実施の形態６に係る共振器の金属棒対応部分と金属筐体対応部分との間の空洞部を誘電体１６で構成し、当該誘電体１６周囲を金属メッキ１７して、内導体としての金属棒１０Ｃと外導体としての金属筐体１１Ａとを一体成型したものである。なお、図９において、金属棒１０Ｃの内部は誘電体１６の孔に相当し、１２は開放端、１３は短絡端を示す。

ここで、誘電体１６は、一端から他端に向けて小さくなるように傾斜のついた誘電体ブロックに、広い方の端面から直径が一定である穴を開けて構成し、表面を金属メッキすることで、内導体としての金属棒１０Ｃと外導体としての金属筐体１１Ａとを一体成型できる。

図９に示す実施の形態８に係る同軸共振器によれば、金属棒１０Ｃと金属筐体１１Ａとを一体成型することができ、実施の形態６と同様な効果を奏することができる。

実施の形態９．
図１０は、この発明の実施の形態９に係る同軸共振器を示す構成図である。図１０に示す同軸共振器は、図８に示す実施の形態７に係る共振器の金属棒対応部分と金属筐体対応部分との間の空洞部を誘電体１６で構成し、当該誘電体１６周囲を金属メッキ１７して、内導体としての金属棒１０Ｄと外導体としての金属筐体１１Ａとを一体成型したものである。なお、図１０において、金属棒１０Ｄの内部は誘電体１６の孔に相当し、１４は開放端、１５は短絡端を示す。

ここで、誘電体１６は、一端から他端に向けて小さくなるように傾斜のついた誘電体ブロックに、広い方の端面から直径が深さ方向に大きくなる穴を開けて構成し、表面を金属メッキすることで、内導体としての金属棒１０Ｄと外導体としての金属筐体１１Ａとを一体成型できる。

図１０に示す実施の形態９に係る同軸共振器によれば、金属棒１０Ｄと金属筐体１１Ａとを一体成型することができ、実施の形態７と同様な効果を奏することができる。

実施の形態１０．
図１１は、この発明の実施の形態１０に係るインターディジタルフィルタを示す構成図である。図１１に示すフィルタは、実施の形態６の共振器によって構成されたフィルタであり、金属棒１０Ａの短絡端が互い違いになるように配置された複数個（図では３個）の共振器と、共振器間を電磁的に結合する金属筐体１８に設けられた結合窓１９とを備えている。なお、２０はフィルタを励振するための同軸プローブである。また、図１１は、図７に示す実施の形態６の共振器によって構成されたフィルタであるが、図８に示す実施の形態７の共振器によっても構成できるのは勿論である。

図１１は、側面のうち１面または２面に勾配をつけた共振器を、勾配面を合わせるように組み合わせたものである。結合窓１９がある壁以外は、垂直な壁面で構成されており、特に外壁は直方体構造となる。そのため、生産性は実施の形態５よりも格段に向上する。

実施の形態１１．
図１２は、この発明の実施の形態１１に係るコムラインフィルタを示す構成図である。図１２に示すフィルタは、実施の形態６の共振器によって構成されたフィルタであり、金属棒１０Ａの短絡端は図１１とは異なり互い違いでなく揃うように配置された複数個（図では３個）の共振器と、共振器間を電磁的に結合する金属筐体１８に設けられた結合窓１９とを備えている。なお、２０はフィルタを励振するための同軸プローブである。また、図１１は、図７に示す実施の形態６の共振器によって構成されたフィルタであるが、図８に示す実施の形態７の共振器によっても構成できるのは勿論である。

図１２は、側面のうち２面に勾配をつけた共振器を、垂直な側壁どうしを合わせるように組み合わせたものである。内部に傾斜構造を持たないため、生産性は実施の形態５よりも格段に向上する。

この発明の実施の形態１に係る同軸共振器を示す構成図である。図１の金属棒１０Ａの半径ａを一定としたときに、横軸を１／ｂとして、ＴＥＭ高次共振周波数ｆ_{ｃ'、ＴＥＭ}とＴＥ_１１モードの共振周波数ｆ_{ｃ、ＴＥ１１}とを示した特性図である。この発明の実施の形態２による共振器を示す図である。この発明の実施の形態３に係る同軸共振器を示す構成図である。この発明の実施の形態４に係る同軸共振器を示す構成図である。この発明の実施の形態５に係るインターディジタルフィルタを示す構成図である。この発明の実施の形態６に係る同軸共振器を示す構成図である。この発明の実施の形態７に係る同軸共振器を示す構成図である。この発明の実施の形態８に係る同軸共振器を示す構成図である。この発明の実施の形態９に係る同軸共振器を示す構成図である。この発明の実施の形態１０に係るインターディジタルフィルタを示す構成図である。この発明の実施の形態１１に係るコムラインフィルタを示す構成図である。

符号の説明

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ金属棒（内導体）、１１、１１Ａ、１８金属筐体（外導体）、１２、１４開放端、１３、１５短絡端、１６誘電体、１７金属メッキ、１９結合窓、２０同軸プローブ。

Claims

導電性の内壁を有し、全体が回転対称形で形成される角錐台または円錐台形状である外導体と、
前記角錐台または円錐台の中心軸と同軸の回転対称形に形成された導体部の外壁を有し、前記角錐台または円錐台の底面側の一端が前記底面と短絡され、他端が開放された内導体と
を備え、
前記内導体は、前記短絡端から前記開放端に向けて行くにしたがって直径が大きい回転対称形の角錐台または円錐台形状である
共振器。
請求項１に記載の共振器において、
前記内導体と前記外導体は、内導体対応部分と外導体対応部分との間の空洞部を誘電体で構成し、当該誘電体周囲を金属メッキして一体成型した
ことを特徴とする共振器。
前記内導体の短絡端がそれぞれ互い違いになるように配列された複数個の請求項１に記載の共振器と、
隣接配置された前記共振器間を電磁的に結合する結合窓と
を備えたフィルタ。
前記内導体の短絡端がそれぞれ互い違いになるように配列された複数個の請求項２に記載の共振器と、
隣接配置された前記共振器間の結合部分の金属メッキを削除した結合窓と
を備えたフィルタ。
請求項４に記載のフィルタにおいて、配列された複数個の請求項３に記載の共振器を一体成型したことを特徴とするフィルタ。
角柱状の導電性の内壁を有し、側壁のうち少なくとも一面に傾斜をつけた外導体と、
前記角柱と同軸状の回転対称形に形成された導体部の外壁を有し、底面の一端が前記外導体底面と短絡され、他端が開放された内導体と
を備え、
前記内導体は、回転対称形の角柱または円柱である
共振器。
角柱状の導電性の内壁を有し、側壁のうち少なくとも一面に傾斜をつけた外導体と、
前記角柱と同軸状の回転対称形に形成された導体部の外壁を有し、底面の一端が前記外導体底面と短絡され、他端が開放された内導体と
を備え、
前記内導体は、前記短絡端から前記開放端に向けて行くにしたがって直径が大きい回転対称形の角錐台または円錐台形状である
共振器。
請求項６または７に記載の共振器において、
前記内導体と前記外導体は、内導体対応部分と外導体対応部分との間の空洞部を誘電体で構成し、当該誘電体周囲を金属メッキして一体成型した
ことを特徴とする共振器。
請求項１、請求項６、請求項７のいずれか１項に記載の共振器を組み合わせて勾配面または垂直な側壁同士を合わせるようにして配列された複数個の共振器と、
隣接配置された前記共振器間を電磁的に結合する結合窓と
を備えたフィルタ。