JP5310438B2 - 誘電体共振部品 - Google Patents

Description

本発明は、誘電体ブロックに１つまたは複数の共振器を作り込んでなる、誘電体共振器、誘電体フィルタ及び誘電体送受共用器等の誘電体共振部品に関する。

携帯電話機などの移動体通信機器に用いられる誘電体フィルタや誘電体送受共用器としては、誘電体ブロックに、所要の結合が得られるように複数の共振器（誘電体共振器）を作り込んでなる、一体型の誘電体共振部品がしばしば用いられる。誘電体共振器は、誘電体ブロックに貫通孔を形成し、該貫通孔の内面に内導体を付することで形成することができる。

近年、移動体通信機器、特に基地局用途のものにおいて、高性能化が要請されており、これに伴い該移動体通信機器に用いられる誘電体共振部品にも高性能化が要請されている。そのため、誘電体ブロックの幅（共振器配列方向の寸法）Ｗ及び高さ（共振器配列方向と共振器貫通孔の方向との双方と直交する方向の寸法）Ｈで決まる面積（共振部品面積）を大きくし誘電体共振器の無負荷Ｑ値を向上させる手法が考えられる。しかしながら、誘電体ブロックの長さ（共振器貫通孔の方向の寸法）Ｌに対して高さＨが極端に大きくなると誘電体共振部品の重心が高くなり形状的に安定せず、リフローなどによる半田実装が不安定になり歩留まりが低下するという問題があった。また、移動体通信機器には低背化の要請もあるが、上記高性能化のために誘電体ブロックの高さＨを大きくすることは低背化の要請に反するものとなる。

一方、特許文献１には、小型化及び低背化に適し面付け実装が可能な誘電体装置を提供するために、誘電体基体（誘電体ブロック）に第２の孔（共振器孔）に連なる第１の孔を設け、該第１の孔の内面に第２の孔と同様に内導体を形成することが記載されている。また、特許文献２には、誘電体フィルタにおいて、誘電体ブロックに共振器孔と平行な調整用空孔を設けることで、共振周波数の調整を行うことが記載されている。

特開２００３−１１０３０６号公報 特開平１１−２７４８１２号公報

特許文献１及び特許文献２には、誘電体共振部品の高性能化とくに無負荷Ｑ値の向上に関しては特別の記載及び示唆はない。特許文献２では、誘電体ブロックを整一な直方体形状に維持すべく共振器長を合わせるためだけの目的で周波数調整用空孔を設けているのであって、無負荷Ｑ値向上に関しては考慮されておらず示唆もされていない。従って、周波数調整用空孔は、誘電体ブロックを貫通しており、特に短絡面部（たとえば図３の下面部）において孔端部は導体でシールドされていない。そのため、短絡面部において電磁界エネルギーの漏れが生じ無負荷Ｑ値は低下してしまう。そもそも、特許文献２では、短絡面部の電磁界エネルギー（特に磁気エネルギー）の漏洩による周波数低下の特性を利用しており、無負荷Ｑ値の向上を目的とするものではない。

本発明の目的は、以上の如き技術的課題を解決して、共振部品面積をさほど大きくしなくても低背化を実現でき、しかも無負荷Ｑ値の向上した誘電体共振部品を提供することである。

本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
互いに反対側に位置する第１の面及び第２の面を有する誘電体ブロックと、該誘電体ブロックに前記第１の面から前記第２の面にかけて形成された貫通孔と、該貫通孔の内面に付された内導体と、前記第１の面及び前記第２の面を除く前記誘電体ブロックの外面である側面に付された外導体と、前記貫通孔に対応して形成される共振器と結合する入出力電極と、を含んでなる誘電体共振部品であって、
前記誘電体ブロックには、前記貫通孔の周囲に前記第２の面から掘り下げられた凹部が形成されており、該凹部の表面は前記誘電体ブロックの材料から形成されており、
前記誘電体ブロックの第２の面には、前記凹部を塞ぐように前記内導体及び前記外導体の双方と電気的に接続されたシールド部材が接合されていることを特徴とする誘電体共振部品、
が提供される。

また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、互いに反対側に位置する第１の面及び第２の面を有する誘電体ブロックと、該誘電体ブロックに前記第１の面から前記第２の面にかけて互いに平行に形成された複数の貫通孔と、該複数の貫通孔のそれぞれの内面に付された内導体と、前記第１の面及び前記第２の面を除く前記誘電体ブロックの外面である側面に付された外導体と、前記複数の貫通孔に対応してそれぞれ形成される共振器のうちのいずれか２つ同士を結合させる結合手段と、前記共振器のうちのいずれかと結合する入出力電極と、を含んでなる誘電体共振部品であって、
前記誘電体ブロックには、前記複数の貫通孔のそれぞれの周囲に前記第２の面から掘り下げられた凹部が形成されており、
該凹部の表面は前記誘電体ブロックの材料から形成されており、前記誘電体ブロックの第２の面には、前記凹部を塞ぐように前記内導体及び前記外導体の双方と電気的に接続されたシールド部材が接合されていることを特徴とする誘電体共振部品、
が提供される。

本発明の一態様においては、前記複数の貫通孔のそれぞれの周囲に形成された凹部は互いに連なっている。

本発明の一態様においては、前記誘電体ブロックの第２の面には、前記内導体に接続された内側接続導体、及び、前記外導体に接続された外側接続導体が形成されている。本発明の一態様においては、前記シールド部材は板状導電体からなる。

本発明の一態様においては、前記凹部の容積は前記誘電体ブロックの誘電体部分の体積を１として０．５以上であり、前記誘電体ブロックの第１の面または側面或いは前記貫通孔の内面と前記凹部の表面との間の寸法は０．５ｍｍ以上である。

本発明によれば、誘電体ブロックに、貫通孔の周囲に第２の面から掘り下げられた凹部が形成されており、該凹部の表面は誘電体ブロックの材料から形成されているので、共振部品面積を大きくしなくても低背化が可能で無負荷Ｑ値の向上した高性能な誘電体共振部品を提供することができる。

本発明による誘電体共振部品の第１の実施形態を示す模式的斜視図である。 図１の誘電体共振部品の第１の面から見た模式的分解斜視図である。 図１の誘電体共振部品の第２の面から見た模式的分解斜視図である。 図１の誘電体共振部品の模式的断面図である。 本発明による誘電体共振部品の第２の実施形態を示す模式的斜視図である。 図５の誘電体共振部品の第１の面から見た模式的分解斜視図である。 図５の誘電体共振部品の第２の面から見た模式的分解斜視図である。 図５の誘電体共振部品の模式的断面図である。 本発明実施例の誘電体フィルタの通過及び反射特性を示す図である。 本発明実施例及び従来例の誘電体フィルタの帯域近傍の通過特性を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の具体的な実施形態を説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明による誘電体共振部品の第１の実施形態を示す模式的斜視図である。図２及び図３は、それぞれ図１の誘電体共振部品の模式的分解斜視図である。図４は、図１の誘電体共振部品の模式的断面図である。本実施形態では、誘電体共振部品は１つの共振器を有する誘電体共振器である。

誘電体ブロック１は、長さＬ、幅Ｗ及び高さＨの略直方体の基本形状を持つ。長さＬ、幅Ｗ及び高さＨについては、Ｌは３〜３０ｍｍ、Ｗは３〜３０ｍｍ、Ｈは３〜３０ｍｍがそれぞれ好ましい。具体例としては、長さＬはたとえば約１４．８ｍｍであり、幅Ｗはたとえば約１１ｍｍであり、高さＨはたとえば約１１ｍｍである。半田による誘電体共振部品の実装時の安定性の観点から、Ｌ＞Ｈ／２、Ｌ＞Ｗ／２が好適であり、後述の凹部７の形成の便宜上、Ｌ＜３ｘＨ、Ｌ＜３ｘＷが好適である。

誘電体ブロック１の材質としては、誘電特性を有するものであれば特に制限はないが、セラミックが好適に用いられる。たとえば、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４を主成分とするフォルステライト系セラミックであって比誘電率ε_ｒが１０程度の誘電体セラミックスを使用することができる。また、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするアルミナ系セラミックであり比誘電率ε_ｒが１３程度の誘電体セラミックスを使用することができる。誘電体ブロック１は、互いに反対側に位置する第１の面１１及び第２の面１２、並びにこれら第１及び第２の面の間に位置する４つの側面１３，１４，１５，１６を有する。

誘電体ブロック１には、第１の面１１から第２の面１２にかけて貫通孔１７が形成されている。貫通孔１７の内面には内導体２が付されている。また、第１の面１１及び第２の面１２を除く誘電体ブロック１の外面である側面１３，１４，１５，１６には、外導体３が付されている。貫通孔１７に対応して共振器が形成される。側面１３には、外導体３から絶縁され且つ共振器と結合する入出力電極（端子電極）４が形成されている。誘電体ブロック１の第２の面１２には、内導体２に接続された内側接続導体５、及び、外導体３に接続された外側接続導体６が形成されている。内導体２、外導体３、入出力電極４、内側接続導体５及び外側接続導体６は、例えば銀膜からなる。

誘電体ブロック１には、貫通孔１７の周囲に第２の面１２から掘り下げられた凹部７が形成されている。該凹部７の表面（即ち凹部７を画定する誘電体ブロック１の表面）は、底面７１、柱状面７２及び４つの内周面７３からなる。これらの凹部表面は、誘電体ブロック１の材料から形成されており、導体は付されていない。即ち、誘電体ブロック１には、第２の面１２において外導体３から延びる外側接続導体６と内導体２から延びる内側接続導体５とを分離するように、第２の面から掘り下げられた凹部７が形成されている。凹部７は、その表面が第１の面１１、側面１３，１４，１５，１６及び貫通孔１７から適宜の間隔を隔てるように形成されている。この適宜の距離、即ち第１の面１１、側面１３，１４，１５，１６及び貫通孔１７のそれぞれと凹部７の表面との間の誘電体セラミックの適宜の厚みは、０．５〜５ｍｍが好ましく、例えば１．４ｍｍであるが、これに限定されるものではない。誘電体セラミックの第１の面または側面或いは前記貫通孔の内面と前記凹部の表面との間の厚みは、小さいほど後で述べる無負荷Ｑ値が向上するが、構造上の強度を確保するためには０．５ｍｍ以上が好ましい。

誘電体ブロック１の第２の面１２には、凹部７を塞ぐように、内側接続導体５及び外側接続導体６を介して内導体２及び外導体３の双方と電気的に接続されたシールド部材８が接合されている。この接合は、半田９により行うことができる。シールド部材８の材質は、導電性を有するものであれば特に制限はないが、金属が好適に用いられる。たとえば、銅系の金属板に銀メッキを施した板状導電体からなり、形状を維持できる程度のたとえば０．４ｍｍの厚みを持つ。

以上のような誘電体共振部品の凹部７を有する誘電体ブロック１は、例えば、次のような方法で製造することができる。

１．射出成形法：
スラリー化した誘電体材料を射出成形法により一体成形し、脱脂、焼成する。これにより、凹部を備えた誘電体ブロックが製造される。この方法の利点としては、深い凹部の形成が容易であることが挙げられる。

２．粉末成形法：
粉末材料を用い、凸部を備えた金型を用いて圧縮成形し、その後、脱脂、焼成を行う。この方法の利点としては、比較的安価な金型で成形できることが挙げられる。

３．グリーン加工法：
粉末成形法と同様にして粉末材料を圧縮成形し、但し凹部はエンドミル等で研削加工する。その後、脱脂、焼成を行う。この方法の利点としては、比較的安価な金型で成形でき、深い凹部も形成可能であることが挙げられる。

同軸型誘電体共振器の無負荷Ｑは、以下の式（１）
１／Ｑ_０＝１／Ｑ_ｄ＋１／Ｑ_ｃ＋１／Ｑ_ｒ ・・・ （１）
によって表される。ここで、Ｑ_０は無負荷Ｑ、Ｑ_ｄは誘電体損に基づくＱ、Ｑ_ｃは導体損に基づくＱ、Ｑ_ｒは放射に基づくＱである。

また、Ｑ_ｃは、以下の式（２）
Ｑ_ｃ＝（２／δ）／［２／Ｌ＋（１／ａ＋１／ｂ）／（ｌｎ｛ｂ／ａ｝）］ ・・・ （２）
によって近似的に表される。ここで、δは表皮深さ、ａは貫通孔の半径、ｂは約Ｗ／２及びＨ／２。この場合、Ｗ＝Ｈである。

また、Ｌは、以下の式（３）
Ｌ＝Ｃ_０／４ｆ（ε_ｒ）^１／２ ・・・ （３）
で表される。ここで、Ｃ_０は光速、ｆは共振周波数、ε_ｒは比誘電率である。

本実施形態においては、凹部７内には空気が充填されているため、共振器誘電体の実効的な比誘電率は１０より小さくなっている。そのため、式（３）においてＬが大きくなり、式（２）のＱ_ｃが大きくなり、式（１）における無負荷Ｑ（Ｑ_０）が大きくなる。

かくして、Ｗ及びＨ（式（２）におけるｂに対応）を大きくしなくても、無負荷Ｑの高い、高性能な共振器を得ることができる。

同様の観点から、凹部の占める容積は、誘電体ブロック１の内部容積（誘電体部分の体積）を１として、０．５以上が好ましい。

シールド部材８は、第２の面１２において内導体２と外導体３とを電気的に接続する機能を有するものであれば、金属板でなくてもよく、たとえば樹脂基板上に導電膜を形成したものであってもよい。シールド部材８は半田９で誘電体ブロック１と接合されているが、接合材は半田に限定されるものではなく導電性接着剤などでもよい。

本実施形態において、入出力電極４は第１の面１１の近傍の誘電体（誘電体ブロック１の部分）を介して内導体２と静電容量Ｃによって結合しており、入出力電極４を外部回路に接続することで誘電体共振器として機能する。

本実施形態に属する一実施例の共振器をルーズカップリングさせて近似的な無負荷Ｑ値を測定した。グリーン加工法により誘電体ブロック１を製造した。誘電体ブロック１の材質は、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４を主成分とするフォルステライト系セラミックを用いた。誘電体ブロック１の長さＬ、幅Ｗ及び高さＨは、表１のとおりである。第１の面１１、側面１３，１４，１５，１６及び貫通孔１７のそれぞれと凹部７の表面との間の誘電体セラミックの厚みは、１．４ｍｍとした。比較のために、凹部７を形成せずシールド部材８を接合しない従来例についても、同様にして近似的な無負荷Ｑ値を測定した。従来例では、Ｌを共振周波数が本実施例と同じになるように設定した。測定結果を表１に示す。

表１より、本実施例の誘電体共振器は従来例の誘電体共振器に比べて無負荷Ｑ値が高いことがわかる。即ち、本実施例の誘電体共振器は従来例の誘電体共振器に対して約１２％の無負荷Ｑ値の向上が認められた。従って、幅Ｗ及び高さＨで決まる共振部品面積を大きくしなくても無負荷Ｑ値の高い共振器を得ることができ、これにより低背化を維持しつつ高性能な誘電体共振部品を実現することができる。

［第２の実施形態］
図５は、本発明による誘電体共振部品の第２の実施形態を示す模式的斜視図である。図６及び図７は、それぞれ図５の誘電体共振部品の模式的分解斜視図である。図８は、図５の誘電体共振部品の模式的断面図である。本実施形態では、誘電体共振部品は４つの共振器を有する４段の誘電体フィルタである。これらの図において、図１〜図４におけると同様の機能を有する部材または部分には同一の符号が付されている。

誘電体ブロック１は、長さＬ、幅Ｗ及び高さＨの略直方体の基本形状を持つ。長さＬはたとえば約９ｍｍであり、幅Ｗはたとえば約４８ｍｍであり、高さＨはたとえば約１４．７ｍｍである。長さＬ、幅Ｗ及び高さＨについては、Ｌは３〜３０ｍｍ、Ｗは５〜１２０ｍｍ、Ｈは３〜３０ｍｍがそれぞれ好ましい。誘電体ブロック１の材質としては、誘電特性を有するものであれば特に制限はないが、セラミックが好適に用いられる。たとえばＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするアルミナ系セラミックであり比誘電率ε_ｒが１３程度の誘電体セラミックスを使用することができる。また、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４を主成分とするフォルステライト系セラミックであって比誘電率ε_ｒが１０程度の誘電体セラミックスを使用することができる。

誘電体ブロック１には、複数の貫通孔１７が互いに平行に形成されており、これらのそれぞれに対応して共振器Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが形成される。これらの共振器の基本的構成は、ほぼ同等であり、第１の実施形態のものと同等である。従って、図では、一部の共振器についてのみ符号が付されている。複数の貫通孔１７のそれぞれの内面に内導体２が形成されている。誘電体ブロック１の第１の面１１には、複数の貫通孔１７に対応してそれぞれ形成される共振器のうちの互いに隣接する２つ同士を結合させる結合手段としての結合電極１０，１０’が、それぞれ内導体２及び外導体３と接続されて、形成されている。結合電極１０，１０’の材質としては、内導体２、外導体３、入出力電極４、内側接続導体５及び外側接続導体６と同様なものを使用することができる。

誘電体ブロック１には、複数の貫通孔１７のそれぞれの周囲に第２の面１２から掘り下げられた凹部７が形成されており、該凹部７の表面は誘電体ブロック１の材料から形成されている。複数の貫通孔１７のそれぞれの周囲に形成された凹部は、互いに連なっており、共通の１つの凹部７として形成されている。

本実施形態では、幅Ｗの方向に４つの共振器Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが配列された４段の誘電体フィルタが構成される。２つの入出力電極４のそれぞれは、両端の共振器Ａ，Ｄの結合電極１０のそれぞれと結合している。作り込む共振器の数を変更することで、４段以外の誘電体フィルタ、例えば２段の誘電体フィルタを構成することも可能であり、段数は限定されない。

第１の面１１、側面１３，１４，１５，１６及び貫通孔１７のそれぞれと凹部７の表面との間の誘電体セラミックの適宜の厚みは、例えば１．５ｍｍである。但し、これに限定されるものではなく、また全て同じにしなくてもよい。

その他は、第１の実施形態と同様である。

本第２の実施形態に係る誘電体フィルタを製造し、特性を評価した。グリーン加工法により誘電体ブロック１を製造した。誘電体ブロック１の材質は、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするアルミナ系セラミックであり比誘電率ε_ｒが１３程度の誘電体セラミックスを用いた。誘電体ブロック１の長さＬ、幅Ｗ及び高さＨは、長さＬが９ｍｍであり、幅Ｗが４８ｍｍであり、高さＨが１４．７ｍｍであった。第１の面１１、側面１３，１４，１５，１６及び貫通孔１７のそれぞれと凹部７の表面との間の誘電体セラミックの厚みは、１．５ｍｍとした。シールド部材は、銅系金属板に銀メッキを施した板状導体で、厚みは０．４ｍｍであった。

このようにして得られた幅Ｗの方向に４つの共振器Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが配列された４段の誘電体フィルタの通過及び反射特性を図９に示す。図９より、中心周波数２０７０ＭＨｚ、通過帯域幅１２０ＭＨｚのフィルタが構成されていることがわかる。本実施例の帯域近傍の通過特性を図１０に示す。比較のために、凹部７を形成せずシールド部材８を接合しない従来例の誘電体フィルタの通過特性も示す。従来例の誘電体フィルタでは、中心周波数を本実施例のものと同じにするために、長さＬを本実施例とは異なる（Ｌ＝６．９ｍｍ）ものとしたが、それ以外は、幅Ｗ、高さＨ、穴数などのフィルタ構成はすべて本実施例と同じである。図１０より、本実施例は従来例に比べ通過損失が少ない、その差は、０．０６ｄＢであることがわかる。中心周波数での通過損失（挿入損失）は、従来例が０．３２ｄＢに対し本実施例は０．２６ｄＢであった。

以上より、本実施例によれば同じ高さＨでも特性の良い（損失の少ない）誘電体フィルタを提供することができることが分かる。

以上のような誘電体フィルタにおける本発明の特徴が、２つの誘電体フィルタを共通の誘電体ブロックに作り込んでなる誘電体送受共用器にも適用できることは、容易に理解されるであろう。

１ 誘電体ブロック
１１ 第１の面
１２ 第２の面
１３，１４，１５，１６ 側面
１７ 貫通孔
２ 内導体
３ 外導体
４ 入出力電極（端子電極）
５ 内側接続導体
６ 外側接続導体
７ 凹部
７１ 底面
７２ 柱状面
７３ 内周面
８ シールド部材
９ 半田
１０，１０’ 結合電極
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 共振器

Claims (6)

1. 互いに反対側に位置する第１の面及び第２の面を有する誘電体ブロックと、該誘電体ブロックに前記第１の面から前記第２の面にかけて形成された貫通孔と、該貫通孔の内面に付された内導体と、前記第１の面及び前記第２の面を除く前記誘電体ブロックの外面である側面に付された外導体と、前記貫通孔に対応して形成される共振器と結合する入出力電極と、を含んでなる誘電体共振部品であって、
   前記誘電体ブロックには、前記貫通孔の周囲に前記第２の面から掘り下げられた凹部が形成されており、該凹部の表面は前記誘電体ブロックの材料から形成されており、
   前記誘電体ブロックの第２の面には、前記凹部を塞ぐように前記内導体及び前記外導体の双方と電気的に接続されたシールド部材が接合されていることを特徴とする誘電体共振部品。
2. 互いに反対側に位置する第１の面及び第２の面を有する誘電体ブロックと、該誘電体ブロックに前記第１の面から前記第２の面にかけて互いに平行に形成された複数の貫通孔と、該複数の貫通孔のそれぞれの内面に付された内導体と、前記第１の面及び前記第２の面を除く前記誘電体ブロックの外面である側面に付された外導体と、前記複数の貫通孔に対応してそれぞれ形成される共振器のうちのいずれか２つ同士を結合させる結合手段と、前記共振器のうちのいずれかと結合する入出力電極と、を含んでなる誘電体共振部品であって、
   前記誘電体ブロックには、前記複数の貫通孔のそれぞれの周囲に前記第２の面から掘り下げられた凹部が形成されており、該凹部の表面は前記誘電体ブロックの材料から形成されており、
   前記誘電体ブロックの第２の面には、前記凹部を塞ぐように前記内導体及び前記外導体の双方と電気的に接続されたシールド部材が接合されていることを特徴とする誘電体共振部品。
3. 前記複数の貫通孔のそれぞれの周囲に形成された凹部は互いに連なっていることを特徴とする、請求項２に記載の誘電体共振部品。
4. 前記誘電体ブロックの第２の面には、前記内導体に接続された内側接続導体、及び、前記外導体に接続された外側接続導体が形成されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の誘電体共振部品。
5. 前記シールド部材は板状導電体からなることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の誘電体共振部品。
6. 前記凹部の容積は前記誘電体ブロックの誘電体部分の体積を１として０．５以上であり、前記誘電体ブロックの第１の面または側面或いは前記貫通孔の内面と前記凹部の表面との間の寸法は０．５ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の誘電体共振部品。

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