JP5480394B2 - 共振空洞を同調するためのカプラ - Google Patents

Description

本明細書において開示される実施形態は、一般に、誘電体共振器など、共振空洞間の周波数範囲を同調するためのカプラに関する。

共振空洞は、定在波を蓄える中空の空間である。電気的な状況では、少なくとも１つの導電壁が、共振空洞の外面を画定する。空間の中央にあるプローブが、望ましいように波を導くことができる。「パック」としても知られているこのプローブは、金属、セラミックでもよく、他の材料製であってもよい。以下の段落では、セラミック・パックを含むことができる共振空洞、しばしば「誘電体共振器」と呼ばれるものを説明する。

誘電体共振器は、一般にマイクロ波帯における狭い範囲の周波数での共振を示す電子構成部品である。共振器は、たとえば、無線周波数の通信機器に使用される。所望の動作を実現するために、多くの共振器は、誘電率が高く誘電正接が低い、空洞内の中央の位置に配置された「パック」を備える。

パックと空洞の組合せは、空洞内の電磁放射に境界条件を課す。空洞は少なくとも１つの導電壁を有し、これは金属製材料から製造してもよい。パックの縦軸は、空洞内の電磁界に対して実質的に垂直に配置してもよく、それにより電磁界の共振を制御する。

パックがセラミックなどの誘電体材料で作られているとき、空洞は横電場（ＴＥ）モードで共振し得る。したがって、電磁界の伝搬の方向には電界は存在することができない。多くのＴＥモードを使用することができるが、誘電体共振器は、マイクロ波周波数を必要とする用途にＴＥ０１１モードを使用することができる。例示的な場合としてＴＥ０１１モードを使用すると、電界は、パック内で最大に達し、パックの中心軸に沿ってアジマス成分を有し、パックから離れた空洞内で全体的に減少し、任意の導電空洞壁に沿って完全に消失することになる。磁界もパック内で最大に達することになるが、アジマス成分はない。

２つ以上の誘電体共振器を組み合わせるとき、設計者は、第１の空洞から第２の空洞に電磁エネルギーを結合させる必要がある。第１の空洞が第２の空洞から離れている場合には、このような結合は困難となり得る。結合させるには、第１の空洞と第２の空洞を連結する開口を注意深く製造することも必要となり得る。これらの開口を工場で調整して、製造公差を補償してもよい。

このような調整をしても、複数の空洞または誘電体共振器をともに結合して、所望の周波数範囲を規定するフィルタを組み立てることが困難となり得る。指定されたスペクトルを実現するための従来の試みは、実用的ではないとともに高価であった。これらの同調器は、多くの部品および時間のかかる技法を使用しているが、これらにより、共振空洞間または誘電体共振器間の結合を調節することが難しくなる。

したがって、広範囲の周波数にわたる同調を実現する、改良されたカプラが求められている。より具体的には、広帯域幅フィルタで使用することのできるカプラが求められている。高誘電率共振器を結合する、費用対効果の大きい技法も求められている。

共振空洞および誘電体共振器の同調を改善する目下の必要性に照らして、様々な例示的な実施形態の概要を提示する。以下の概要では何らかの簡略化および省略を行うことがあり、この概要は、様々な例示的な実施形態のうちのいくつかの態様を強調し紹介するものであって、本発明の範囲を限定するものではない。発明性のある概念を当業者が作成し使用できるようにするのに適切な、好ましい例示的な実施形態の詳細な説明が後の節に続く。

様々な例示的な実施形態において、誘電体共振器の同調を改善するためのシステムは、第１の周波数範囲内にある電磁信号を生成する第１の誘電体共振器と、第２の周波数範囲内にある電磁信号を生成する第２の誘電体共振器と、第１の誘電体共振器と第２の誘電体共振器の間にある開口内に配置された可動同調装置と、この可動同調装置に固定されたカプラとを備える。カプラは、第１の誘電体共振器と第１の誘電体共振器の間で電磁信号を伝達することができ、可動同調装置に向かって半径方向内側へ延在する複数の固定用部材を備える。固定用部材のそれぞれは、他の任意の固定用部材から離隔されてもよい。

さらに、様々な例示的な実施形態では、共振空洞内での電磁信号の同調を改善するためのシステムは、第１の共振空洞と第２の共振空洞の間の開口内に配置された可動同調装置であって、可動同調装置の垂直軸が第１の誘電体共振空洞および第２の共振空洞のそれぞれの垂直軸に平行である可動同調装置と、この可動同調装置に固定されたカプラとを備えてもよい。カプラは、第１の共振空洞と第２の共振空洞の間で電磁信号を伝達することができ、可動同調装置に向かって半径方向内側へ延在する複数の固定用部材を備える。固定用部材のそれぞれは、他の任意の固定用部材から離隔されてもよい。

したがって、様々な例示的な実施形態により、共振空洞間または誘電体共振器間で電磁エネルギーを結合するための改善された方法が実現する。これらの実施形態により、所望のスペクトル範囲に各周波数を精密に同調することが可能になる。これらの実施形態により、設計者は、従来の同調技法よりも広い同調範囲を得ることもできるようになる。

様々な例示的な実施形態をよりよく理解するために、添付図面を参照する。

例示的なカプラを備える例示的な誘電体フィルタの斜視図である。 例示的なカプラを備える例示的な誘電体フィルタの側面図である。 例示的なカプラを備える例示的な誘電体フィルタの上面図である。 例示的なカプラの第１の実施形態を示す図である。 第１の実施形態のカプラと可動同調装置との間の例示的な関係を示す詳細図である。 例示的なカプラの第２の実施形態を示す図である。 例示的なカプラの第３の実施形態を示す図である。 例示的なカプラの第４の実施形態を示す図である。 例示的なカプラの第５の実施形態を示す図である。 例示的なカプラと従来型の開口同調器との比較試験結果を示す図である。

次に各図面を参照すると、同じ番号は同じ構成部品またはステップを指し、様々な例示的な実施形態の幅広い態様が開示される。

図１は、例示的な誘電体フィルタ１００の斜視図である。図１に示すように、フィルタ１００は、第１の誘電体共振器１１０および第２の誘電体共振器１２０を備える。開口１３０は、第１の誘電体共振器１１０を第２の誘電体共振器１２０に連結する。例示的なフィルタ１００は誘電体共振器を２つだけ有するが、当業者なら、フィルタ１００への適用可能な環境に応じてフィルタ１００が任意の数の誘電体共振器を有するように設計することができる。

図１には、第１の誘電体共振器１１０および第２の誘電体共振器１２０が六角形のプリズムとして示してある。したがって、第１の誘電体共振器１１０および第２の誘電体共振器１２０は、両方とも８つの面を有する準正多面体である。六角形のプリズムについては、８面のうちの２面は六角形であるが、８面のうちの６面は長方形である。しかし、当業者なら、他の形状を有する誘電体共振器を使用するようにフィルタ１００を設計できることが明らかになるはずである。代替の形には、たとえば球、円柱、および立方体が含まれる。誘電体共振器はまた、六角形のプリズム以外の多面体の形状を有することもできる。

各実施形態では、少なくとも１つの導電壁が、第１の誘電体共振器１１０および第２の誘電体共振器１２０の空間を全体的に囲んでもよい。この少なくとも１つの導電壁は金属でもよい。したがって、適切な刺激により、囲まれた空間が共振するようにでき、第１の誘電体共振器１１０および第２の誘電体共振器１２０が電磁的な発振源になることができる。開口１３０は、これらの発振において同調器として働くことになり、それにより、フィルタ１００は適切な周波数範囲内で電磁信号を発生させることができるようになる。

誘電体共振器の動作が所定の範囲の周波数内で発生しなければならないとき、同調する必要性が特に切実である。高出力誘電体共振器は、タワーから受信機へのビデオ、オーディオ、他のマルチメディアの無線放送などの用途で広く使用することができる。米国での現在の実装形態では、このような技術では、７１６〜７２２ＭＨｚの周波数スペクトル上の信号を伝送することができる。したがって、第１の誘電体共振器１１０と第２の誘電体共振器１２０との間にあるカプラ１４０は、このスペクトル範囲内で正確な同調を実現することができる。フィルタ１００で使用するための例示的なカプラが、図４〜９とともに以下でさらに詳細に記述されている。

図２には、例示的な誘電体フィルタ１００の側面図が示してある。前述の通り、誘電体フィルタ１００は、左側に示した第１の誘電体共振器１１０、および右側に示した第２の誘電体共振器１２０を備えてもよい。開口１３０は、第１の誘電体共振器１１０と第２の誘電体共振器１２０との間で電磁信号を結合することができる。開口１３０内に配置された可動同調装置１５０は、垂直軸に沿って上下に移動することができる。この垂直軸は、第１の誘電体共振器１１０と第２の誘電体共振器１２０の両方のそれぞれの垂直軸に平行でもよい。可動同調装置１５０は、たとえば、ねじまたは棒でもよい。図２に示すように、同調装置１５０は、同調ツール（たとえば、ねじ回し）を使用して同調装置１５０を回転させることができるよう標準的なヘッドを備えてもよく、それにより、同調装置１５０をフィルタ１００内で垂直に移動させることができる。

カプラ１４０は、同調装置１５０の端部に取り付けても、他の方法で結合してもよく、それによりカプラ１４０もフィルタ内で垂直に移動する。カプラ１４０を同調装置１５０に取り付けるための例示的な構成を、図５とともに以下でより詳細に説明する。

第１の誘電体共振器１１０は、パック１６０および支持体１７０を備えてもよい。第２の誘電体共振器１２０は、パック１８０および支持体１９０を備えてもよい。パック１６０およびパック１８０は、可動同調装置１５０の垂直軸に垂直な水平軸を画定してもよい。

図３には、例示的な誘電体フィルタ１００の上面図が示してある。前述の通り、誘電体フィルタ１００は、左側の第１の誘電体共振器１１０、および右側の第２の誘電体共振器１２０を備えてもよい。開口１３０は、第１の誘電体共振器１１０と第２の誘電体共振器１２０との間で電磁信号を結合することができる。開口１３０内に配置されたカプラ１４０は、電磁信号を同調して、７１６〜７２２ＭＨｚなど所望の周波数のスペクトル範囲を規定することができる。カプラ１４０は、可動同調装置１５０に固定してもよい。可動同調装置１５０にカプラ１４０を固定するための様々な方法が、図４〜図８に示してある。

図４には、例示的なカプラ４００の第１の実施形態が示してある。カプラ４００は、可動同調装置４５０に対して同心の外部部材４１０を備えてもよく、外部部材４１０の直径は、電磁信号の同調範囲に比例する。外部部材４１０は形状がトロイダルでもよく、中心軸に対して環状の形を有する。外部部材４１０は、円形または長方形の断面を有してもよい。

１対の固定用部材４２０は、外部部材４１０から可動同調装置４５０に向かって半径方向内側へ延在してもよい。固定用部材４２０は、互いに対向してもよく、互いに離隔されている。固定用部材４２０は完全に分離し、物理的な接触がないので、外部部材４１０のサイズがカプラ４００の結合の挙動全体を決定することができる。

締付用部材４３０は、可動同調装置に対して固定用部材４２０を保持する。各締付用部材４３０は、１対の先端部４４０を備えてもよい。先端部４４０は、可動同調装置４５０にカプラ４００を固定するが、様々な固定部材の先端部４４０は接触しない。したがって、トロイダル部材４１０の直径のみが、カプラ４００をまたいでの電磁エネルギーの伝達に影響を及ぼすことになる。

図５には、カプラ４００と可動同調装置４５０の間の例示的な関係の詳細図が示してある。カプラ４００は、止め部材５１０に達するまで滑り落ちることにより、可動同調装置４５０上に配置してもよい。止め部材５１０は、ねじ頭、ワッシャ、または他の適切なバリアでもよい。保持部材５２０は、カプラ４００の上に配置されたディスクでもよく、可動同調装置４５０上のカプラ４００の相対位置を維持する。保持部材５２０は、エポキシ・ディスク、ウェーハ、または非導電性材料から製造される他のアイテムでもよい。

図６には、例示的なカプラ６００の第２の実施形態が示してある。カプラ６００は、可動同調装置６３０に対して同心でもよい外部部材６１０を備えてもよく、外部部材６１０の幅は、電磁信号の同調範囲に比例してもよい。４つ１組の固定用部材６２０は、可動同調装置５３０に向かって半径方向内側へ延在してもよい。あるいは、他の数の固定用部材６２０を使用してもよい。様々な例示的な実施形態では、固定用部材６２０は、接触せず、ほぼ９０°離隔されてもよい。あるいは、同一の間隔で配置するのではなく、不規則に間隔を空けてもよい。

図７には、例示的なカプラ７００の第３の実施形態が示してある。カプラ７００は、可動同調装置７３０に対して同心でもよい外部部材７１０を備えてもよく、外部部材７１０の直径は、電磁信号の同調範囲に比例してもよい。８つ１組の固定用部材７２０は、可動同調装置７３０に向かって半径方向内側へ延在してもよい。あるいは、他の数の固定用部材７２０を使用してもよい。様々な例示的な実施形態では、固定用部材７２０は、接触せず、ほぼ４５°離隔されてもよい。あるいは、同一の間隔で配置するのではなく、不規則に間隔を空けてもよい。

図８には、例示的なカプラ８００の第４の実施形態が示してある。カプラ８００は、可動同調装置８３０に対して同心でもよい外部部材８１０を備えてもよく、外部部材８１０の外面は六角形の形状でもよい。外部部材８１０は、均一な同調をより良好に行うために正方形の断面を有してもよい。４つ１組の固定用部材８２０は、可動同調装置８３０に向かって半径方向内側へ延在してもよい。あるいは、他の数の固定用部材８２０を使用してもよい。様々な例示的な実施形態では、固定用部材８２０は、接触せず、ほぼ９０°離隔されてもよい。あるいは、同一の間隔で配置するのではなく、不規則に間隔を空けてもよい。

図９には、例示的なカプラ９００の第５の実施形態が示してある。カプラ９００は、可動同調装置９３０に対して同心でもよい外部部材９１０を備えてもよく、外部部材９１０の外面は八角形プリズムの形状でもよい。８つ１組の固定用部材９２０は、可動同調装置９３０に向かって半径方向内側へ延在してもよい。あるいは、他の数の固定用部材９２０を使用してもよい。様々な例示的な実施形態では、固定用部材９２０は、接触せず、ほぼ４５°離隔されてもよい。あるいは、同一の間隔で配置するのではなく、不規則に間隔を空けてもよい。開口を含むカプラ９００の同調環境に応じて、外部部材９１０用に他の多面体形状を使用してもよい。

図４〜９とともに前述したカプラの例示的な実施形態は、数多くの方法で組み合わせてもよいことが明らかになるはずである。たとえば、特定の実施形態の外部部材は、他の任意の実施形態の固定用部材と組み合わせてもよい。カプラの外部部材および固定用部材用の他の適切な形状が、当業者に明らかになろう。

図１０には、例示的なカプラと従来型の開口同調器との比較試験結果１０００が示してある。具体的には、図１０には、特定の周波数範囲の結合同調性のグラフが示してある。試験結果１０００において、ｘ軸は、空洞の少なくとも１つの導電壁に対する可動同調装置のインチでの距離を示している。ｙ軸は、ＭＨｚでの結合帯域幅を示している。

従来の開口同調器では、同調範囲が非常に狭い。たとえば、この範囲は、多くの用途で不十分な範囲である５％〜８％にまで拡張される。図１０に示すように、従来の同調器についての試験結果１０１０は、ほぼ５ＭＨｚの値からほんのわずかに変動している様子を示している。

図４〜図９で前述した通り、カプラを使用する例示的な同調器では、試験結果１０２０は、試験結果１０１０と比較して著しく改良することができる。試験結果１０２０は、同調器の高さが約５．８４ｃｍでほぼ５．８ＭＨｚのレベルに達するベル形の曲線である、ガウス分布に従うことがある。この分布の結果として、結合帯域において２５％の同調性を有し、それにより、新規の用途において共振空洞および誘電体共振器を使用する際の柔軟性が実現する。

様々な例示的な実施形態を、具体的にその例示的な一定の態様に関して詳細に説明してきたが、本発明は、他の実施形態が可能であり、その詳細は、様々な自明の点において修正が可能であることを理解されたい。当業者には容易に分かるように、本発明の精神および範囲内を維持しながら、変更形態および修正形態を実施することができる。したがって、前述の開示、説明、および図は、単に例示を目的としており、本発明を少しも限定するものではなく、本発明は特許請求の範囲によってのみ定義される。

Claims (10)

1. 誘電体共振器の同調を改善するためのシステムであって、
   第１の周波数範囲内で電磁信号を生成する第１の誘電体共振器と、
   第２の周波数範囲内で電磁信号を生成する第２の誘電体共振器と、
   前記第１の誘電体共振器と前記第２の誘電体共振器の間にある開口内に配置された可動同調装置と、
   前記可動同調装置に固定され、前記第１の誘電体共振器と前記第２の誘電体共振器の間で電磁信号を伝達するカプラであって、前記可動同調装置に向かって半径方向内側へ延在して、カプラを前記可動同調装置に固定する複数の固定用部材を備え、前記固定用部材のそれぞれが、他の全ての固定用部材から離隔されているカプラと、
   を備えるシステム。
2. 前記カプラが、前記可動同調装置に対して同心である外部部材をさらに備え、前記外部部材の幅が、前記開口内での前記電磁信号の同調範囲に比例する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記カプラが、前記可動同調装置に対して前記複数の固定用部材を保持する締付用部材をさらに備え、各締付用部材が１対の先端部を備え、前記１対の先端部が前記カプラを前記可動同調装置に固定し、前記複数の固定用部材が、前記外部部材から前記可動同調装置に向かって半径方向内側へ延在する少なくとも４つの固定用部材を備える、請求項２に記載のシステム。
4. 前記カプラが、前記可動同調装置に対して同心である外部部材をさらに備え、前記外部部材の外面が六角形の形状であり、前記複数の固定用部材が、前記外部部材から前記可動同調装置に向かって内側へ延在する少なくとも４つの固定用部材を備える、請求項１に記載のシステム。
5. 前記カプラが、前記可動同調装置に対して同心である外部部材をさらに備え、前記外部部材の外面が八角形プリズムの形状であり、前記複数の固定用部材が、前記外部部材から前記可動同調装置に向かって内側へ延在する少なくとも８つの固定用部材を備える、請求項１に記載のシステム。
6. 共振空洞内の電磁信号の同調を改善するためのシステムであって、
   第１の共振空洞と第２の共振空洞の間にある開口内に配置するための可動同調装置であって、可動同調装置の垂直軸が前記第１の共振空洞および前記第２の共振空洞のそれぞれの垂直軸に平行である可動同調装置と、
   前記可動同調装置に固定され、前記第１の共振空洞と前記第２の共振空洞の間で電磁信号を伝達するカプラであって、前記可動同調装置に向かって半径方向内側へ延在して、前記カプラを前記可動同調装置に固定する複数の固定用部材を備え、前記固定用部材のそれぞれが、他の全ての固定用部材から離隔されているカプラと
   を備えるシステム。
7. 前記カプラが、前記可動同調装置に対して同心である外部部材をさらに備え、前記外部部材の幅が、前記開口内での前記電磁信号の同調範囲に比例する、請求項６に記載のシステム。
8. 前記カプラが、前記可動同調装置に対して前記複数の固定用部材を保持する締付用部材をさらに備え、各締付用部材が１対の先端部を備え、前記１対の先端部が前記カプラを前記可動同調装置に固定し、前記複数の固定用部材が、前記外部部材から前記可動同調装置に向かって半径方向内側へ延在する少なくとも４つの固定用部材を備える、請求項７に記載のシステム。
9. 前記カプラが、前記可動同調装置に対して同心である外部部材をさらに備え、前記外部部材の外面が六角形の形状であり、前記複数の固定用部材が、前記外部部材から前記可動同調装置に向かって内側へ延在する少なくとも４つの固定用部材を備える、請求項６に記載のシステム。
10. 前記カプラが、前記可動同調装置に対して同心である外部部材をさらに備え、前記外部部材の外面が八角形プリズムの形状であり、前記複数の固定用部材が、前記外部部材から前記可動同調装置に向かって内側へ延在する少なくとも８つの固定用部材を備える、請求項６に記載のシステム。

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