JP5858521B2 - マルチモード共振器、マルチモードフィルタ及び無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の共振モードを縮退させたマルチモード共振器、そのマルチモード共振器を用いたマルチモードフィルタ、及び、そのマルチモードフィルタを用いた無線通信装置に関する。

近年、携帯電話基地局などの多くの場所で、マイクロ波などの高周波信号で無線通信を行う無線通信装置が使用されている。これらの無線通信装置には、所望の共振周波数を中心とした帯域の電磁界を得るために、その共振周波数で共振する共振器を複数結合させて多段構成にした高周波フィルタが組み込まれている。高周波フィルタがＮ段構成の場合は、典型的には、１個のモードで共振する共振器が順にＮ個結合したものが用いられる。これに対し、高周波フィルタをＮ段よりも少ない段数の共振器で構成して小型化できるように、共振周波数を略同一にして複数の共振モードを縮退させたマルチモード共振器を用いるものが提案されている。

例えば、特許文献１には、４個もの共振モードを縮退させたマルチモード共振器が記載されている。図１０〜図１３は、特許文献１に記載されたものと同様のマルチモード共振器１０１の構成及び電界分布を示すものである。図１０〜図１３では、外部導体１０２の内部の部材を示すために、それらの部材よりも手前の外部導体１０２の部分は透過して示している。また、電界を実線の矢印で示している。磁界は、図示を省略しているが、電界に対しそれを周回するように分布する。

このマルチモード共振器１０１は、箱状の外部導体（キャビティ）１０２の中に、特殊形状（略八角柱形状）の高誘電率の誘電体コア１０５が設けられている。誘電体コア１０５の中には、高誘電率による波長短縮効果によって波長が短くなった電磁界が偏在して共振する。ここでは、２つのＴＭモード（ＴＭ０１δｘモード、ＴＭ０１δｙモード）と１つのＴＥモード（ＴＥ０１δモード）の３個の共振モードが縮退する。２つのＴＭモードは、図１０と図１１に示すように、電界がそれぞれＸ軸方向とＹ軸方向に走り、電磁界が２分の１波長でもって共振するモードである。ＴＥモードは、図１２に示すように、電界が誘電体コア１０５の中心軸周りの円周方向に走り、電磁界が１波長でもって共振するモードである。

そして、更に、共振モードの数を１つ増加させるために、一端が外部導体１０２に短絡した柱状の中心導体１０３が、誘電体コア１０５の中心軸に形成された中央孔に挿通するようにして付加されている。この構成により、いわゆる半同軸共振器の共振モードが得られる。半同軸共振器の共振モードは、図１３に示すように、電界が中心導体１０４から外部導体１０２に向けて放射状に走り、電磁界が中心導体１０３に沿って分布して４分の１波長でもって共振するＴＥＭモードである。このＴＥＭモードの共振周波数は、中心導体１０３から外部導体１０２までの間隙距離について、中心導体１０３の開放端１０３ｂ側に比べて短絡端１０３ａ側が短くなるように、例えば中心導体１０３の外径を異ならせるようにして、上記の２つのＴＭモード及びＴＥモードの共振周波数に揃えられている。

特開２００４−３４９９８１号公報

このように、特許文献１ではマルチモード共振器１０１の構成により、４個もの共振モードを縮退させることができるとしている。しかし、このマルチモード共振器１０１は、誘電体共振器として働く誘電体コア１０５が必須の部材であり、所望の特性の誘電体コア１０５を作りあげるためのコストは非常に大きい。また、マルチモード共振器１０１は、ＴＥＭモードと他のモードとは多くの場所で電磁界を共有していないという点から、マルチモード共振器１０１が占有する空間の利用効率が高いとは言えない。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、３個又は４個の共振モードを縮退させたもので、誘電体の部材を必ずしも必要とせず、かつ、占有空間の利用効率が高いマルチモード共振器を提供することにあり、また、そのマルチモード共振器を用いた高周波フィルタであるマルチモードフィルタ、及びそのマルチモードフィルタを用いて低コストで小型化した無線通信装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載のマルチモード共振器は、少なくとも３個の共振モードを縮退させたマルチモード共振器であって、筒状の周壁部の両端を第１端部及び第２端部により閉塞した箱状の外部導体と、前記外部導体の内部に配され、一端が前記外部導体の第１端部に短絡されて他端が開放された柱状の第１の中心導体と、を備えてなることを特徴とする。

請求項２に記載のマルチモード共振器は、請求項１に記載のマルチモード共振器において、前記３個の共振モードは、前記外部導体の両端部で２分の１波長でもって共振する２個のＴＥモードと、前記第１の中心導体の周囲で４分の１波長でもって共振するＴＥＭモードと、から成ることを特徴とする。

請求項３に記載のマルチモード共振器は、請求項１又は２に記載のマルチモード共振器において、前記外部導体の内部に配され、一端が前記外部導体の前記第２端部に短絡されて他端が開放された柱状の第２の中心導体を更に備え、４個の共振モードを縮退させたことを特徴とする。

請求項４に記載のマルチモード共振器は、請求項３に記載のマルチモード共振器において、前記４個の共振モードの一つは、前記第２の中心導体の周囲で４分の１波長でもって共振するＴＥＭモードであることを特徴とする。

請求項５に記載のマルチモード共振器は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマルチモード共振器において、前記外部導体の内部空間は、空気が満たされていることを特徴とする。

請求項６に記載のマルチモード共振器は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマルチモード共振器において、前記外部導体の内部空間は、高誘電率の誘電体で形成されていることを特徴とする。

請求項７に記載のマルチモードフィルタは、請求項１〜６のいずれか１項に記載のマルチモード共振器を１個用いた構成又は複数用いた多段構成にしたことを特徴とする。

請求項８に記載の無線通信装置は、請求項７に記載のマルチモードフィルタを組み込んでいることを特徴とする。

本発明によれば、上記構成の外部導体と第１の中心導体を備えることにより、少なくとも３個の共振モードを縮退させ、誘電体コアのような誘電体の部材を必ずしも必要とせず占有空間の利用効率が高いマルチモード共振器を提供でき、更には、第２の中心導体を更に備えることにより、４個の共振モードを縮退させることができる。また、そのマルチモード共振器を用いることによりマルチモードフィルタ、及びそのマルチモードフィルタを用いることにより低コストで小型化した無線通信装置を提供することが可能になる。

本発明の実施形態に係るマルチモード共振器１の構成を示すものであって、（ａ）は長手方向の断面図、（ｂ）はＧ−Ｇの位置での長手方向に直交する断面図、（ｃ）はＡ−Ａ（及びＢ−Ｂ）の位置での長手方向に直交する断面図である。 同上のマルチモード共振器１の構成の変形例を示す長手方向の断面図である。 同上のマルチモード共振器１の一つのＴＥモードの電界分布を模式的に示すものであって、（ａ）は長手方向の断面図、（ｂ）はＧ−Ｇの位置での長手方向に直交する断面図、（ｃ）はＡ−Ａ（及びＢ−Ｂ）の位置での長手方向に直交する断面図である。 同上のマルチモード共振器１のもう一つのＴＥモードの電界分布を模式的に示すものであって、（ａ）は長手方向の断面図、（ｂ）はＧ−Ｇの位置での長手方向に直交する断面図、（ｃ）はＡ−Ａ（及びＢ−Ｂ）の位置での長手方向に直交する断面図である。 同上のマルチモード共振器１の一つのＴＥＭモードの電界分布を模式的に示すものであって、（ａ）は長手方向の断面図、（ｂ）はＡ−Ａの位置での長手方向に直交する断面図、（ｃ）はＢ−Ｂの位置での長手方向に直交する断面図である。 同上のマルチモード共振器１のもう一つのＴＥＭモードの電界分布を模式的に示すものであって、（ａ）は長手方向の断面図、（ｂ）はＡ−Ａの位置での長手方向に直交する断面図、（ｃ）はＢ−Ｂの位置での長手方向に直交する断面図である。 無線通信装置の例を示すブロック図である。 同上のマルチモード共振器１の変形例１’を示す長手方向の断面図である。 同上のマルチモード共振器１の構成の別の変形例を示す長手方向の断面図である。 従来のマルチモード共振器１０１の構成及び一つのＴＭモードの電界分布を示すものであって、（ａ）は長手方向の外観図、（ｂ）は長手方向に直交する外観図である。 従来のマルチモード共振器１０１の構成及びもう一つのＴＭモードの電界分布を示すものであって、（ａ）は長手方向の外観図、（ｂ）は長手方向に直交する外観図である。 従来のマルチモード共振器１０１の構成及びＴＥモードの電界分布を示すものであって、（ａ）は長手方向の外観図、（ｂ）は長手方向に直交する外観図である。 従来のマルチモード共振器１０１の構成及びＴＥＭモードの電界分布を示すものであって、（ａ）は長手方向の外観図、（ｂ）は長手方向に直交する外観図である。

以下、本発明を実施するための好ましい形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係るマルチモード共振器１は、図１に示すように、外部導体２と第１の中心導体３と第２の中心導体４とから構成されている。また、このマルチモード共振器１は、マイクロ波などの高周波の領域で用いられるものである。

外部導体２は、金属材料製であり、筒状の周壁部２ｃの両端を第１端部２ａ及び第２端部２ｂにより閉塞した箱状のものである。本実施形態では、周壁部２ｃは円筒状のものとしている。

第１の中心導体３と第２の中心導体４は、金属材料製であり、外部導体２の内部に対称的に配されている。第１の中心導体３は、一端３ａが外部導体２の第１端部２ａに短絡されて他端３ｂが開放されている。第２の中心導体４は、一端４ａが外部導体２の第１端部２ｂに短絡されて他端４ｂが開放されている。よって、第１の中心導体３の他端３ｂと第２の中心導体４の他端４ｂとは、所定の距離を有する長手方向の間隙Ｓｇを介して対向している。通常、第１の中心導体３と第２の中心導体４は、それらの中心軸が略一致し、外部導体２の中心軸とも略一致するようにして配される。また、本実施形態では、第１の中心導体３と第２の中心導体４は円柱状のものとしている。

なお、第１の中心導体３と第２の中心導体４とは、中空部３ｄ、４ｄを有する柱状、すなわち、有底筒状のものにしてもよい。この場合、図２に示すように、他端３ｂ、４ｂのみに端面を有し、一端３ａ、４ａ側が外部導体２の外方に向かって開口するようにしてもよい。

以上の構成により、マルチモード共振器１は４個の共振モードを有することができる。以下、具体的な共振モード、すなわち、２個のＴＥモード（第１のＴＥモード、第２のＴＥモード）と２個のＴＥＭモード（第１のＴＥＭモード、第２のＴＥＭモード）について、図３〜図６を用いて説明する。なお、電磁界は、外部導体２の内部のうち第１の中心導体３と第２の中心導体４以外の部分である内部空間Ｓに生じ、図においては内部空間Ｓに生じる電界を実線の矢印で示している。また、磁界は、図示を省略しているが、電界に対しそれを周回するように分布する。また、マルチモード共振器１の長手方向をＺ軸方向、それと直交する方向における第１方向をＸ軸方向、Ｚ軸方向に直交し、かつ、第１方向に直交する方向である第２方向をＹ軸方向として説明する。

第１のＴＥモードは、図３（ａ）に示すように、電界が第１方向（Ｘ軸方向）に走るものを中心に分布し、また、電磁界が外部導体２の両端部２ａ、２ｂ間に連続して分布し、かつ、両端部２ａ、２ｂ間で２分の１波長でもって共振する。より詳細には、第１のＴＥモードは、図３（ｂ）に示すように、第１の中心導体３と第２の中心導体４の間隙Ｓｇの中央部の断面Ｇ―Ｇでは、電界が外部導体２の周壁部２ｃの対向する部分の間をＸ軸方向に走って横断している。この電界は、円筒空洞共振器（第１の中心導体３と第２の中心導体４が設けられていない状態の共振器）の、Ｘ軸方向に電界が走るいわゆるＴＥ１１１モードと略同一になっている。そして、この電界に連続して、図３（ｃ）に示すように、第１の中心導体３が存在するＺ軸位置での断面Ａ−Ａ及び第２の中心導体４が存在するＺ軸位置での断面Ｂ―Ｂでは、第１の中心導体３又は第２の中心導体４の周囲に断面Ｇ―Ｇの電界とほぼ同様な電界が生じている。

第２のＴＥモードは、図４（ａ）に示すように、電界が第２方向（Ｙ軸方向）に走るものを中心に分布し、また、電磁界が外部導体２の両端部２ａ、２ｂ間に連続して分布し、かつ、両端部２ａ、２ｂ間で２分の１波長でもって共振する。より詳細には、第２のＴＥモードは、図４（ｂ）に示すように、第１の中心導体３と第２の中心導体４の間隙Ｓｇの中央部の断面Ｇ―Ｇでは、電界が外部導体２の周壁部２ｃの対向する部分の間をＹ軸方向に走って横断している。この電界は、円筒空洞共振器の、Ｙ軸方向に電界が走るいわゆるＴＥ１１１モードと略同一になっている。そして、この電界に連続して、図４（ｃ）に示すように、第１の中心導体３が存在するＺ軸位置での断面Ａ−Ａ及び第２の中心導体４が存在するＺ軸位置での断面Ｂ―Ｂでは、第１の中心導体３又は第２の中心導体４の周囲に断面Ｇ―Ｇの電界とほぼ同様な電界が生じている。

第１のＴＥＭモード及び第２のＴＥＭモードは、図５及び図６に示すように、電界が第１の中心導体３と外部導体２の周壁部２ｃの間、及び第２の中心導体４と外部導体２の周壁部２ｃの間を放射状に走るＴＥＭモードである。第１のＴＥＭモード及び第２のＴＥＭモードは、電磁界が第１の中心導体３の一端３ａの位置（外部導体２の第１端部２ａの位置）と第１の中心導体３の他端３ｂの位置の間に連続して分布し、かつ、第１の中心導体３の周囲で４分の１波長でもって共振する。電界は、第１の中心導体３の他端３ｂの位置近傍で最大になり、磁界は第１の中心導体３の一端３ａの近傍で最大になる。また、第１のＴＥＭモード及び第２のＴＥＭモードは、電磁界が第２の中心導体４の一端４ａの位置（外部導体２の第２端部２ｂの位置）と第２の中心導体４の他端４ｂの位置の間に連続して分布し、かつ、第２の中心導体４の周囲で４分の１波長でもって共振する。電界は、第２の中心導体４の他端４ｂの位置近傍で最大になり、磁界は第２の中心導体４の一端４ａの近傍で最大になる。

第１のＴＥＭモードは、第１の中心導体３と外部導体２の周壁部２ｃの間の電界の方向と、第２の中心導体４と外部導体２の周壁部２ｃの間の電界の方向とが同じ向きになるものである。第２のＴＥＭモードは、第１の中心導体３と外部導体２の周壁部２ｃの間の電界の方向と、第２の中心導体４と外部導体２の周壁部２ｃの間の電界の方向とが逆向きになるものである。第１の中心導体３の周囲の電磁界と第２の中心導体４の周囲の電磁界とは、第１の中心導体３と第２の中心導体４の間隙Ｓｇの距離に応じて干渉し合い、その干渉により、僅かではあるが、第１のＴＥＭモード及び第２のＴＥＭモードの共振周波数は影響を受ける。なお、図５及び図６では、第１の中心導体３と第２の中心導体４の間隙Ｓｇに生じる電界を破線で示している。

このような４個の共振モードの共振周波数は、第１のＴＥモードと第２のＴＥモードについては、外部導体２の両端部２ａ、２ｂ間の長さＭ１がほぼ２分の１波長になる周波数であり、第１のＴＥＭモード及び第２のＴＥＭモードについては、第１の中心導体３の長さＭ２及び第２の中心導体４の長さＭ３がほぼ４分の１波長になる周波数である。また、第１のＴＥモードと第２のＴＥモードの波長は、円筒空洞共振器の管内波長とほぼ同じであるから、同じ周波数でも、第１のＴＥＭモード及び第２のＴＥＭモードの波長よりも原理的に長くなる。第１のＴＥモードと第２のＴＥモードの波長は、外部導体２の周壁部２ｃの直径Ｍ４により調整も可能である。よって、基本的には、共振周波数の値に応じて、第１の中心導体３の長さＭ２と第２の中心導体４の長さＭ３を決め、外部導体２の両端部２ａ、２ｂ間の長さＭ１と周壁部２ｃの直径Ｍ４を決めることにより、共振周波数を略同一にして４個の共振モードを縮退させることが可能である。

また、内部空間Ｓのどの場所においても、複数の共振モードが電磁界を共有しているので、その点から、マルチモード共振器１が占有する空間の利用効率が高い。また、上記の背景技術で示したような誘電体の部材を必ずしも必要としない。

なお、外部導体２の適切な箇所に、入出力端子や周波数調整用部材などを取り付けることができる。入出力端子は、マルチモード共振器１と結合して信号の入出力を行うものであり、例えば、第１の中心導体３又は第２の中心導体４と結合する電極が内部側に接続される。周波数調整用部材は、各々の共振モードの周波数を調整するものである。これらの入出力端子や周波数調整用部材は、様々な公知の技術を適宜利用することができる。

このように４個の共振モードを縮退させたマルチモード共振器１は、各々の共振モードを互いに結合させることによりマルチモードフィルタとして用いることができる。この場合、結合調整用ねじなど公知の結合調整用部材を外部導体２の適切な箇所に取り付けるなどして、電磁界分布を非対称にして摂動を生じさせることによって、互いに結合させることができる。このマルチモードフィルタは、所望の特性に応じて、マルチモード共振器１を１個用いた構成又は複数個用いた多段構成にすればよい。また、このマルチモードフィルタを組み込んで、無線通信装置を低コストで小型化することが可能になる。例えば、図７に示すように、携帯電話基地局などの無線通信装置の送受共用器１０において、アンテナ１１にともに接続される送信用フィルタ１２と受信用フィルタ１３を共振周波数が異なるマルチモードフィルタとすれば、非常に低コストで小型化されたものとなる。

マルチモード共振器１について本願発明者が行ったシミュレーション結果は以下の通りである。外部導体２の両端部２ａ、２ｂ間の長さＭ１を１６７．６ｍｍ、第１の中心導体３の長さＭ２と第２の中心導体４の長さＭ３をともに１５ｍｍ、外部導体２の周壁部２ｃの直径Ｍ４を１００ｍｍとした。また、第１の中心導体３と第２の中心導体４の直径Ｍ５を５０ｍｍとした。その結果、共振周波数は、第１のＴＥモードと第２のＴＥモードは２．０２ＧＨｚ、第１のＴＥＭモードでは２．０４ＧＨｚ、第２のＴＥＭモードでは２．００ＧＨｚであった。従って、このマルチモード共振器１は、４個の共振モードが縮退しており、互いに結合させることによりマルチモードフィルタとして用いることが可能である。

次に、マルチモード共振器１を変形して３個の共振モードを縮退させたマルチモード共振器１’について説明する。マルチモード共振器１’は、図８に示すように、マルチモード共振器１の第１の中心導体３の長さＭ２と第２の中心導体４の長さＭ３を異ならせて、一方のＴＥＭモードの共振モードのみを縮退させ、他方のＴＥＭモードの共振モードの共振周波数は離して縮退させないようにしたものである。よって、マルチモード共振器１’は、３個の共振モードが縮退する。

マルチモード共振器１’について本願発明者が行ったシミュレーション結果は以下の通りである。外部導体２の両端部２ａ、２ｂ間の長さＭ１を８８ｍｍ、第１の中心導体３の長さＭ２を１６．２ｍｍ、第２の中心導体４の長さＭ３を３７．５ｍｍ、外部導体２の周壁部２ｃの直径Ｍ４を１２０ｍｍとした。また、第１の中心導体３と第２の中心導体４の直径Ｍ５を６４ｍｍとした。その結果、共振周波数は、第１のＴＥモードと第２のＴＥモードと第１のＴＥＭモードは全て２．００ＧＨｚであった。従って、このマルチモード共振器１は、３個の共振モードが縮退しており、互いに結合させることによりマルチモードフィルタとして用いることが可能である。なお、第２のＴＥＭモードの共振周波数は、１．１５ＧＨｚであった。

また、３個の共振モードを縮退させる場合、第１の中心導体３と第２の中心導体４の一方を省略することも場合によっては可能である。

以上、本発明の実施形態に係るマルチモード共振器について説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載する事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、外部導体２は、円筒状に限らず角筒状なども可能であり、また、第１の中心導体３と第２の中心導体４は円柱状に限らず、角柱状や大小の直径の柱を重ねた段付き形状なども可能である。また、第１のＴＥＭモードと第２のＴＥＭモードの結合が大きくなる場合には、間隙Ｓｇに電磁界遮蔽板を挿入することも可能である。これらの場合、上記の本実施形態で述べたものと電磁界の分布の様子は少し変わるが、基本的に同様な共振モードを有するマルチモード共振器を得ることができる。

また、マルチモード共振器１は誘電体の部材を必要とするものではなく、内部空間Ｓを満たしているのは空気であるが、図９に示すように、内部空間Ｓをセラミックなどの高誘電率の誘電体Ｓ’で形成することもできる。この場合、外部導体２、第１の中心導体３、第２の中心導体４は、誘電体Ｓ’の周囲に同時に成膜することによって形成することも可能である。誘電体Ｓ’を用いると、高誘電率による波長短縮効果によって電磁界の波長が短くなり、マルチモード共振器１の更なる小型化が可能になる。

１ マルチモード共振器
２ 外部導体
２ａ 外部導体２の第１端部
２ｂ 外部導体２の第２端部
２ｃ 外部導体２の周壁部
３ 第１の中心導体
３ａ 第１の中心導体３の一端
３ｂ 第１の中心導体３の他端
４ 第２の中心導体
４ａ 第２の中心導体４の一端
４ｂ 第２の中心導体４の他端
Ｓ 内部空間

Claims (8)

1. 少なくとも３個の共振モードを縮退させたマルチモード共振器であって、
   筒状の周壁部の両端を第１端部及び第２端部により閉塞した箱状の外部導体と、
   前記外部導体の内部に配され、一端が前記外部導体の第１端部に短絡されて他端が開放された柱状の第１の中心導体と、
   を備えてなることを特徴とするマルチモード共振器。
2. 請求項１に記載のマルチモード共振器において、
   前記３個の共振モードは、
   前記外部導体の両端部で２分の１波長でもって共振する２個のＴＥモードと、
   前記第１の中心導体の周囲で４分の１波長でもって共振するＴＥＭモードと、
   から成ることを特徴とするマルチモード共振器。
3. 請求項１又は２に記載のマルチモード共振器において、
   前記外部導体の内部に配され、一端が前記外部導体の前記第２端部に短絡されて他端が開放された柱状の第２の中心導体を更に備え、
   ４個の共振モードを縮退させたことを特徴とするマルチモード共振器。
4. 請求項３に記載のマルチモード共振器において、
   前記４個の共振モードの一つは、
   前記第２の中心導体の周囲で４分の１波長でもって共振するＴＥＭモードであることを特徴とするマルチモード共振器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のマルチモード共振器において、
   前記外部導体の内部空間は、空気が満たされていることを特徴とするマルチモード共振器。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のマルチモード共振器において、
   前記外部導体の内部空間は、高誘電率の誘電体で形成されていることを特徴とするマルチモード共振器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のマルチモード共振器を１個用いた構成又は複数用いた多段構成にしたことを特徴とするマルチモードフィルタ。
8. 請求項７に記載のマルチモードフィルタを組み込んでいることを特徴とする無線通信装置。

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