JP5523209B2 - 帯域阻止フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、主に、マイクロ波帯やミリ波帯で用いられる導波管形の帯域阻止フィルタに関する。

従来の導波管形フィルタの一つとして、特許文献１に見られるようなＥ面帯域通過フィルタがある。このフィルタは、より急峻な遮断特性を得るために、シャント直列共振回路として機能する減衰極形成用の共振器を入出力部に配置していることが特徴である。

特開昭６２−２０２６０１号公報

図１１は、特許文献１に記載のＥ面帯域通過フィルタの構成部品となる金属板を示す図である。特許文献１に記載のフィルタは、本金属板の平板部４０８ａと４０８ｂを、矩形導波管のＥ面分割面に挟むようにして固定することで構成される。図１１における４０１が帯域通過フィルタとして動作する部分であり、４１０から４１３は、帯域通過フィルタ構成用共振器である。

一方、破線部内の共振器４０２ａ、４０２ｂが、上述の減衰極形成用共振器である。このようなＥ面帯域通過フィルタは、導波管部分の形状が簡素であるため、切削加工に要するコストを大幅に削減でき、切削加工部品のみで構成される導波管形フィルタに比べ、低価格化が見込めることが大きな特徴である。

ところで、一般に、帯域通過フィルタでは、通過帯域における通過損失は、フィルタに含まれる共振器の性能に大きく依存する。図１１のような金属板を使用するＥ面帯域通過フィルタの場合、共振器４１１〜４１３は、各共振器と、隣接するその他の回路とを隔てる金属板の縁を集中して流れる電流に起因する導体損により、共振器の性能が劣化する。このため、Ｅ面帯域通過フィルタでは、金属板を使用せず、切削加工のみで形成される導波管形帯域通過フィルタに比べ、通過損失が大きくなる欠点があった。

フィルタの通過帯域における通過損失を低減する合理的な方法の一つとしては、フィルタの性能に対する要求次第では選択できない場合もあるが、フィルタの回路構成を帯域通過形から帯域阻止形とする方法が考えられる。多くの場合、回路構成を帯域通過形から帯域阻止形とすることで、フィルタに含まれる共振器に求められる性能が大幅に緩和され、通過損失の低減が期待できる。

例えば、図１１に見られる共振器４０２ａ、４０２ｂのように、シャント直列共振回路として機能する共振器を複数個、一定間隔で金属板上に形成し、この金属板を共振器に組み込めば、Ｅ面帯域阻止フィルタが得られると考えられる。しかしながら、共振器４０２ａ、４０２ｂは、平板部４０８ａ、４０８ｂ間を物理的につなぐものではないため、本共振器だけで帯域阻止フィルタを構成した場合には、金属板が２つに分離してしまい、組立時に位置合わせが困難になるという問題があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、安価で組立の容易な導波管形の帯域阻止フィルタを得ることを目的とする。

本発明に係る帯域阻止フィルタは、管内波長をλｇとする導波管と、阻止周波数で半波長の整数倍の長さを有し、導波管の管壁面同士を接続する線状導体とを備えた帯域阻止フィルタであって、線状導体は、導波管の管軸方向に阻止周波数でλｇ／４の奇数倍の間隔で配置されるものである。ここで、阻止周波数とは阻止帯域内の任意の周波数であり、主に阻止帯域の中心周波数と定義する。

本発明に係る帯域阻止フィルタによれば、高周波を通す導波管内に、導波管の管壁面同士を接続する線状導体を、阻止周波数の半波長の整数倍の長さとし、阻止周波数でλｇ／４の奇数倍の長さの間隔で導波管の管軸方向に配置することにより、安価で組立の容易な導波管形の帯域阻止フィルタを得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る帯域阻止フィルタの外観図である。 本発明の実施の形態１に係る帯域阻止フィルタを構成する導波管構成パーツに挟まれた金属板の外観図である。 本発明の実施の形態１に係る各種線状導体を含む金属板の外観図である。 本発明の実施の形態１に係る線状導体とその等価回路である。 本発明の実施の形態１に係る帯域阻止フィルタの特性図である。 本発明の実施の形態１において矩形導波管の基本モードが発生している場合の、導波管横断面での線状導体の配置を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る帯域阻止フィルタを構成する導波管パーツに挟まれた金属板の外観図である。 本発明の実施の形態２において矩形導波管の基本モードが発生している場合の、導波管横断面での線状導体の別の配置を示した図である。 本発明の実施の形態２において円形導波管の基本モードが発生している場合の、導波管横断面での線状導体の配置を示した図である。 本発明の実施の形態３に係る線状導体を含む金属板の外観図である。 従来のフィルタの構成図である。

以下、本発明の導波管形の帯域阻止フィルタの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、以下の実施の形態における説明では、導波管形の帯域阻止フィルタのことを、単に帯域阻止フィルタあるいは導波管形フィルタと称して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る帯域阻止フィルタの外観図であり、一般的な導波管形アンテナの給電部におけるＥ面フィルタを示す外観図である。本実施の形態１における帯域阻止フィルタ１は、矩形導波管の幅広面中心において分割された導波管構成パーツ４ａおよび４ｂの間に、金属板３を挟み込むことにより実現されている。

また、図２は、本発明の実施の形態１に係る帯域阻止フィルタ１を構成する導波管構成パーツ４ａ、４ｂに挟まれた金属板３の外観図である。ここで、金属板３は、図２に示す通り、金属板３の平板部１０８ａ、１０８ｂの間に、平板部１０８ａ、１０８ｂを機構的に連結する平板である第１共振器１０１、第２共振器１０２、第３共振器１０３、および第４共振器１０４を、阻止周波数でλｇ／４の奇数倍の共振器間隔１０５、１０６、１０７でそれぞれ配置したものである。ここでは、共振器間隔１０５、１０６、１０７を、すべて阻止周波数で約３λｇ／４としている。図２における導波管開口部１００は、図１の導波管開口部２より導波管内部を観察する際に観察可能な領域に相当する。

また、図３は、本発明の実施の形態１に係る各種線状導体を含む金属板３の外観図である。図２における第１共振器１０１、第２共振器１０２、第３共振器１０３、および第４共振器１０４は、平板部１０８ａ、１０８ｂの間を線状導体で接続した金属板３により構成されているが、本発明における各線状導体は、この図３に示すような種々の形状であっても構わない。また、高周波を通す導波管内に、導波管の管軸方向に、導波管の幅広面同士を接続するように構成されたこの線状導体は、阻止周波数の半波長の整数倍の長さを有している。

図４は、本発明の実施の形態１に係る線状導体とその等価回路である。任意の形状で長さＬの線状導体６０２は、導波管の幅広面６０１ａ、６０１ｂを接続するように構成される。これは、等価回路において、伝送線路６０３ａ、６０３ｂを並列接続する、長さＬで、ある入力インピーダンスを持つ先端短絡線路６０４とみなすことができる。

ここで、標準的な矩形導波管の断面寸法を、基本モードであるＴＥ１０モードのみが伝搬するよう設定した場合、線状導体は、阻止周波数で１波長の長さが最適であることを示す。通過帯域より阻止帯域が高周波数帯にある場合、帯域阻止フィルタを実現するためには、基本モードの導波管のカットオフ周波数ｆｃと阻止周波数ｆｒとの間に、線状導体が開放に見える周波数（反射特性が良好となる周波数）が存在する必要がある。

また、阻止周波数ｆｒは、標準的な矩形導波管において、基本モードのみが伝搬する周波数帯域内に設定する必要があり、すなわち、ｆｃ＜ｆｒ＜２ｆｃの関係がある。線状導体の長さＬが阻止周波数で半波長の長さである場合、線状導体の長さＬが開放に見える周波数ｆは、阻止周波数の半分となる。このため、周波数ｆは、ｆ＝ｆｒ／２＜ｆｃとなり、カットオフ周波数より低いために、導波管内では存在しない。よって、本条件において、線状導体の長さは、半波長では不適であり、１波長以上が望ましい。換言すると、線状導体の長さが１波長以上の場合、阻止帯域より低周波数帯において、良好な反射特性が得られる。

一方、１波長を超える長さの線状導体は、管軸方向に広がりを持つことなく導波管内に収めることが物理的に困難であるため、より短い方が好ましい。したがって、電気特性と物理形状の双方の観点から、１波長が最適であると言える。

また、線状導体を折り曲げることで、管軸方向への広がりを抑えるとともに、導体幅、折り曲げ回数、折り曲げ位置、および折り曲げ角度を変化させることによって、外部Ｑを調整することが可能である。

このような構成を有する本発明の帯域阻止フィルタの周波数特性について、次に説明する。図５は、本発明の実施の形態１に係る帯域阻止フィルタの特性図である。各共振器１０１〜１０４は、所望の外部Ｑと無負荷Ｑを有し、例えば、線状導体が図２に示すような２回の折れ曲がり箇所を有し、それぞれの長さが約１波長であるとする。

この場合、図５に示すような４段の帯域阻止フィルタの特性を得ることができる。図５において、ｆは、周波数、ｆｒは、阻止周波数を表わし、横軸は、阻止周波数で規格化された周波数を表わす。また、縦軸は、同フィルタの通過特性（図５における実線に相当）と反射特性（図５における破線に相当）のデシベル表示である。図５では、一例として、通過帯域で−２０ｄＢ以下の反射特性を確保し、阻止帯域で５０ｄＢ以上の減衰量を確保する通過特性を示す。

このような帯域阻止フィルタは、高周波を通す導波管内に、導波管の幅広面同士を接続する線状導体を、阻止周波数の半波長の整数倍の長さとし、阻止周波数でλｇ／４の奇数倍の長さの間隔で導波管の管軸方向に設けることで実現できる。また、線状導体の長さを、阻止周波数において１波長とした場合には、低周波数帯の反射特性をさらに改善することができる。

また、各線状導体は、特定の周波数のみを阻止する共振器となり、適切な外部Ｑ、無負荷Ｑ値を有する共振器を１つ、あるいは複数個に配置することにより、所望の帯域阻止フィルタ特性を得ることができる。

また、図６は、本発明の実施の形態１において導波管横断面の電磁界分布を示した図である。図６に示すように、本実施の形態１における線状導体は、導波管の横断面中心を通過し、各基本モードの電界と平行になるように配置される。

さらに、金属板は、エッチング加工等により、ミリ波帯などの高周波数帯においても、波長に対して無視できるほどの高い加工精度を得ることができる。

以上のように、実施の形態１によれば、高周波を通す導波管内に、導波管の幅広面同士を接続する線状導体を、阻止周波数の半波長の整数倍の長さとし、阻止周波数でλｇ／４の奇数倍の長さの間隔で、導波管の管軸方向に複数個配置することで、帯域阻止フィルタを構成している。このような構成を備えることにより、安価で組立の容易な帯域阻止フィルタを得ることができる。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る帯域阻止フィルタを構成する導波管構成パーツに挟まれた金属板３の外観図である。導波管の外形は、先の実施の形態１における図１と同一で構わない。

本実施の形態２における導波管形フィルタは、先の実施の形態１と同様に、矩形導波管の幅広面中心において分割された導波管構成パーツ４ａおよび４ｂの間に、金属板３を挟み込むことにより実現されている。ここで、金属板３は、図７に示す通り、平板部２０８ａ、２０８ｂの間に、第１共振器２０１および、第２共振器２０２、第３共振器２０３、および第４共振器２０４を、阻止周波数でλｇ／４の奇数倍の共振器間隔２０５、２０６、２０７でそれぞれ配置したものである。

ここでは、各共振器間隔２０５、２０６、２０７を、すべて阻止周波数で約３λｇ／４としている。図７における導波管開口部２００は、図１の導波管開口部２より導波管内部を観察する際に観察可能な領域に相当する。

さらに、本実施の形態２における導波管形フィルタは、図７に示すように、平板部２０８ａおよび２０８ｂを、導波管の内側に突出させた構成とし、飛び出し部２０９ａおよび２０９ｂが設けられている。このような飛び出し部２０９ａおよび２０９ｂを有することにより、導波管形フィルタの組立て時において、基本モードの電界方向に金属板の位置ずれが生じても、導波管内における線状導体の長さが変化しない。従って、例えば、垂直方向に波長に対して３％のずれが生じた場合にも、阻止周波数ｆｒの変化は、０．５％未満に収まり、組立誤差に対する耐性が向上する。

以上のように、実施の形態２によれば、導波管に金属板を挟み込む際に、金属板の平板部分を、導波管の内側に突出させることで、帯域阻止フィルタを構成している。このような構成を備えることにより、組立て時に基本モードの電界方向に金属板の位置ずれが生じても、周波数特性への影響を軽微に抑えることができる。

なお、本実施の形態２では、金属板の平板部が導波管の管壁面より内側に突出する例を示したが、逆に、金属板の平板部が導波管の管壁面より外側に引込む形でも差し支えなく、同様の効果を得ることができる。

上述の実施の形態１、２では、矩形導波管を例にとり、一波長で２回の折れ曲がり箇所を有する線状導体を共振器として、阻止周波数で３λｇ／４の間隔で導波管の管軸方向に配置した金属板を、Ｅ面に挟み込む構造を示したが、他の構造とすることもできる。図８は、本発明の実施の形態２において矩形導波管の基本モードが発生している場合の、導波管横断面での線状導体の別の配置を示した図である。金属板は、図８に示すように、Ｅ面と平行でない向きに配置してもよい。

また、図９は、本発明の実施の形態２において円形導波管の基本モードが発生している場合の、導波管横断面での線状導体の配置を示した図である。図９のように、円形導波管を用いて電界と平行に、もしくは平行でない向きに配置してもよい。

また、フィルタの段数は、４段に制限されることはなく、他の段数でも同様の効果を得ることができる。

さらに、線状導体の長さは、１波長に限られることはなく、一般的に半波長の整数倍であれば、同様の効果を得ることができる。特に、通過帯域より阻止帯域が低周波帯域にある場合は、半波長であっても差し支えない。

加えて、折り曲げ回数は、２回に限定されることはなく、形状も必ずしもイナズマ形である必要はない。上述した折り曲げ回数、および折り曲げ位置、折り曲げ角度、導体幅等を変化させて適切な外部Ｑを得ることで、同様の効果を得ることができる。

上述の実施の形態１、２では、線状導体と平板部を合わせた金属板を用いて導波管に挟み込む構成であったが、線状導体は、金属板の一部である必要はない。例えば、単体、もしくは複数の線状導体をばね状に形成し、導波管内の所望の位置に所望の形状で固定すれば、同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３に係る線状導体を含む金属板３の外観図である。先の図２における第１共振器１０１、第２共振器１０２、第３共振器１０３、および第４共振器１０４は、平板部１０８ａ、１０８ｂの間を線状導体で接続した金属板３により構成されているが、本発明における各線状導体は、この図１０に示すような形状であっても構わない。

この図１０に示した線状導体は、先の図３に示した形状と同様に、高周波を通す導波管内に、導波管の管軸方向に、導波管の幅広面同士を接続するように構成されており、阻止周波数の半波長の整数倍の長さを有している。

本実施の形態３における金属板は、図１０に示すように、線状導体である共振器７０２において、平板部７１０ａおよび７１０ｂとのつなぎ目部分７２１ａ、７２１ｂ、内側の折れ曲がり部分７２２ａ、７２２ｂ、外側の折れ曲がり部分７２３ａ、７２３ｂの少なくとも一箇所に丸みを有している点を特徴としている。なお、図１０では、全ての箇所に丸みを有した形状を示している。ここで、以下の説明においては、つなぎ目部分、および折れ曲がり部分を合わせて、隅部と定義する。

外周および内周の隅部では、エッチング加工時に金属板の厚みおよび角度に依存して、エッチング不足／エッチング過多により角が丸くなり、隅が埋まるなどの問題がある。そのため、複数の金属板を製造した際に、仕上がり形状に差が生じやすく、周波数特性のばらつきの原因となる。

特に、共振器７０２と平板部７１０ａ、７１０ｂのつなぎ目部分は、最も鋭角となるため、エッチング不足量が大きい。これに加え、当該部分は、導波管に挟まれて両端とも電気的に短絡となり、電流分布が最大値を示すことから、形状の差異に影響されやすい。

これに対して、本実施の形態３における金属板には、製造誤差を生じる鋭角、直角、鈍角など全ての角が存在しない、丸みを帯びた形状となっている。これにより、エッチング加工を行う場合にも、その仕上がり形状に大きな差が生じにくく、阻止周波数のばらつきも低減される。すなわち、設計上、隅部の形状を、丸みを帯びた形状とすることで、エッチング加工時の製造誤差に対する耐性を向上させることができる。

以上のように、実施の形態３によれば、導波管に金属板を挟み込む際に、金属板の隅部を、丸みを帯びた形状とすることで、帯域阻止フィルタを構成している。このような構成を備えることにより、エッチング加工時の仕上がり形状に大きな差を生じにくくさせることができ、エッチング加工時の製造誤差に対する耐性を向上させることができる。

なお、本実施の形態３では、図１０に記載の共振器を例にとって示したが、隅部に丸みを設けた形状であれば、この形状に限定されるものではない。例えば、図１０は、先の図３における右上の共振器形状３０２を例にしているが、それ以外の共振器形状においても同様に、金属板の隅部を、丸みを帯びた形状とすることで、同様の効果を得ることができる。

１ 帯域阻止フィルタ（導波管形フィルタ）、２ 開口部、３ 金属板、４ａ、４ｂ 導波管構成パーツ、１００ 導波管開口部（破線部）、１０１ 第１共振器、１０２ 第２共振器、１０３ 第３共振器、１０４ 第４共振器、１０５ 第１−第２共振器間隔、１０６ 第２−第３共振器間隔、１０７ 第３−第４共振器間隔、１０８ａ、１０８ｂ 平板部、２００ 導波管開口部（破線部）、２０１ 第１共振器、２０２ 第２共振器、２０３ 第３共振器、２０４ 第４共振器、２０５ 第１−第２共振器間隔、２０６ 第２−第３共振器間隔、２０７ 第３−第４共振器間隔、２０８ａ、２０８ｂ 平板部、２０９ａ、２０９ｂ 飛び出し部、３０１〜３０５ 共振器形状、４０２ａ、４０２ｂ 共振器、４０８ａ、４０８ｂ 平板部、４１１ 第１共振器、４１２ 第２共振器、４１３ 第３共振器、５０１ 矩形導波管(ＴＥ１０モード)、５０２ 金属導体、５０３ 円筒導波管(ＴＥ１１モード)、５０４ 金属導体、６０１ａ、６０１ｂ 幅広面、６０２ 線状導体、６０３ａ、６０３ｂ 伝送線路、６０４ 先端短絡線路、７０２ 共振器形状、７１０ａ、７１０ｂ 平板部、７２１ａ、７２１ｂ つなぎ目部分、７２２ａ、７２２ｂ 内側の折れ曲がり部分、７２３ａ、７２３ｂ 外側の折れ曲がり部分。

Claims (8)

1. 管内波長をλｇとする導波管と、
   阻止周波数で半波長の整数倍の長さを有し、前記導波管の管壁面同士を接続する線状導体と
   を備えた帯域阻止フィルタであって、
   前記線状導体は、前記導波管の管軸方向に前記阻止周波数でλｇ／４の奇数倍の間隔で配置される
   ことを特徴とする帯域阻止フィルタ。
2. 請求項１に記載の帯域阻止フィルタにおいて、
   前記導波管は、矩形導波管もしくは円形導波管であり、
   前記導波管の断面寸法は、基本モードのみが伝搬する寸法に設定されており、
   前記線状導体は、前記導波管の横断面の中心における前記基本モードの電界と平行に配置される
   ことを特徴とする帯域阻止フィルタ。
3. 請求項１または２に記載の帯域阻止フィルタにおいて、
   前記導波管は、前記横断面の中心における電界と平行に分割され、
   分割された前記導波管の間に挟み込まれる一対の平板部と、前記線状導体の代わりとして前記一対の平板部を機構的に連結する平板とを含む金属板をさらに備える
   ことを特徴とする帯域阻止フィルタ。
4. 請求項３に記載の帯域阻止フィルタにおいて、
   前記金属板の平板部は、分割された前記導波管で挟み込まれる際に、前記導波管の前記管壁面から内側に突出する、あるいは前記管壁面から外側に引込む形状を有する
   ことを特徴とする帯域阻止フィルタ。
5. 請求項３または４に記載の帯域阻止フィルタにおいて、
   前記金属板は、エッチング成形されることを特徴とする帯域阻止フィルタ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の帯域阻止フィルタにおいて、
   前記線状導体は、阻止周波数で長さが１波長である
   ことを特徴とする帯域阻止フィルタ。
7. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の帯域阻止フィルタにおいて、
   前記線状導体は、少なくとも１回の曲げ部分を有することを特徴とする帯域阻止フィルタ。
8. 請求項７に記載の帯域阻止フィルタにおいて、
   前記線状導体は、２回の折れ曲げ部分を有するイナズマ形となっていることを特徴とする帯域阻止フィルタ。

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