JP5864468B2 - 誘電体導波管入出力構造 - Google Patents

Description

本発明は、誘電体導波管の入出力構造に関し、特に誘電体導波管と同軸線路との変換構造に関する。

誘電体材料の表面に導体膜を形成して得られる誘電体導波管は、肉厚の導体壁が不要であることと、誘電体材料による電磁波の短縮効果とにより、古くから用いられてきた空洞導波管と比較して導波管装置を大幅に小型化することができる。このような導波管装置は、基板に直接実装できる程に小型であることから、誘電体導波管をマイクロストリップ線路が設けられた実装基板に半田付けして入出力を行なう、誘電体導波管−マイクロストリップ変換構造を用いた入出力構造が利用されてきた（例えば、特許文献１参照）。

図９は、従来の誘電体導波管入出力構造である誘電体導波管−マイクロストリップ変換構造を用いた誘電体導波管フィルタの分解透視斜視図を示す。図９に示すように、誘電体導波管フィルタ１は、外周を導体膜で覆われた直方体形状の誘電体ブロックからなる誘電体導波管１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅが一連に接続され、
誘電体導波管１ａと１ｂとの間には誘電体が露出する結合窓４ａと、
誘電体導波管１ｂと１ｃとの間には誘電体が露出する結合窓４ｂと、
誘電体導波管１ｃと１ｄとの間には誘電体が露出する結合窓４ｃと、
誘電体導波管１ｄと１ｅとの間には誘電体が露出する結合窓４ｄと、
が設けられている。
両端の誘電体導波管１ａ、１ｅのそれぞれの下面には、導体膜と電気的に絶縁された島状電極５ａ、５ｅが設けられている。

プリント基板８は、表面に島状電極８ｂと、裏面にマイクロストリップ８ａと、島状電極８ｂとマイクロストリップ８ａとを接続するスルーホール８ｃとが設けられている。
誘電体導波管１ａ、１ｅは、誘電体導波管１ａ、１ｅの底面に設けられた島状電極５ａ、５ｅと、プリント基板８、８の表面に設けられた島状電極８ｂ、８ｂとがそれぞれ対向するように配置される。

特開２０１２−１４７２８６号公報 特開２００３−３１８６１４号公報

誘電体導波管を同軸線路に接続したい場合に、誘電体導波管の内部に誘電体が充填されているため、導波管内部に構造物を挿入することができないので、空洞導波管で用いられてきたプローブを空洞導波管内部に挿入する、空洞導波管−同軸線路変換構造を用いることが困難である。そのため、図８に示すように、一度、損失の大きいマイクロストリップ線路８ａに変換してから、さらに、マイクロストリップ−同軸変換を用いて、コネクタ７に変換する、誘電体誘電体導波管−マイクロストリップ−同軸変換を用いる必要があり、性能の劣化が避けられないという問題があった。また、マイクロストリップ８ａは、ある程度以上の長さが必要なため、プリント基板８を小さくすることができず、入出力構造の小型化の阻害要因となっていた。

本発明の誘電体導波管入出力構造は、
外周を導体膜で覆われた直方体形状の誘電体の側面にコネクタと他の誘電体導波管と接続するための誘電体が露出する結合窓とを有する誘電体導波管において、
前記誘電体導波管は、
直方体形状の誘電体ブロックと、板状の誘電体板とを厚み方向に積み重ねて、線状の導体箔からなる給電線を挟んだ
ことを特徴とする。

本発明の誘電体導波管入出力構造によれば、マイクロストリップに変換することなく、誘電体導波管と同軸線路とを直接変換することができるので、性能の劣化が少ない入出力構造とすることができ、また、マイクロストリップ線路のためのプリント基板が不要なので、入出力構造を小型化することができる。

本発明の第１の実施例である誘電体導波管の分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第２の実施例である誘電体導波管の分解斜視図である。 図３の誘電体ブロックの平面図である。 本発明の第３の実施例である誘電体導波管フィルタの分解斜視図である。 本発明の第３の実施例である誘電体導波管フィルタの特性を示すグラフである。 本発明の第３の実施例である誘電体導波管フィルタの特性を示すグラフである。 本発明の第３の実施例である用いた誘電体導波管フィルタの特性を示すグラフである。 従来の誘電体導波管入出力構造を用いた誘電体導波管フィルタの分解斜視図である。

（実施例１）
以下、図面を用いて本発明の第１の実施例を説明する。図１は、本発明の誘電体導波管入出力構造を有する誘電体導波管の第１の実施例を詳細に説明するための分解斜視図を示し、図２は、図１のＡ−Ａ断面図を示す。図１において斜線部は誘電体露出部を示している。
図に示すように誘電体導波管１８は、直方体形状の誘電体ブロック２０と、略中央に直径φの円形の貫通孔５０が設けられた板状の誘電体板３０とで、線状の導体箔からなる給電線６０を挟んでいる。誘電体導波管１８は、貫通孔５０の内側の側面５０ａおよび底面５０ｂとを含む外周を導体膜で被覆されている。給電線６０の端部は、誘電体導波管１８の側面に設けられた導体膜とは絶縁された島状電極９０に接続されている。すなわち、誘電体導波管１８は横方向からの給電されている。
誘電体導波管１８は、島状電極９０に接続されたコネクタ７０を介して図示しない外部装置と接続されるとともに、誘電体導波管１８の側面に設けられた誘電体が露出する結合窓４０を介して別の誘電体導波管と接続される。

誘電体ブロック２０と誘電体板３０とは接合ガラスを用いて接着され、外装の導体膜、島状電極９０および給電線６０は、銀ペーストを印刷後に焼結して形成されている。

上記した誘電体導波管１８は、直接、誘電体導波管を同軸線路に変換することができるので性能の劣化が少なく、マイクロストリップ線路のためのプリント基板が必要ないので、誘電体導波管入出力構造を小型化することができる。

なお、このような共振器内に凸部を設ける構造は、リエントラント構造と呼ばれ、誘電体導波管の管軸方向の長さを短縮して誘電体導波管の専有面積を小さくすることと、抑制することの難しい３倍高調波を抑制することができること、とが知られているが、貫通孔５０がない誘電体導波管１８は、横方向からの給電では上手く発振することができない。したがって、貫通孔５０を設けることにより、誘電体導波管１８を上手く動作させるとともに、導波管長を短縮し、３倍高調波を抑制することができる。また、誘電体導波管１８は変換部が外部に露出せず誘電体内にあるので、不要な放射を減らす効果もある。

リエントラント構造では、貫通孔５０の底面部５０ａは誘電体が露出していても特性への影響は少ないため、貫通孔５０の底面部５０ａには導体膜がなくてもよい。
また、誘電体ブロック２０はＴＥモードに近いモードで動作し、誘電体板３０はＴＥＭモードに近いモードで動作していると考えられ、誘電体ブロック２０と誘電体板３０とでは動作モードが異なっていると考えられる。したがって、誘電体ブロック２０と誘電体板３０との間の境界が特性へ与える影響は小さく、誘電体ブロック２０と誘電体板３０との間に接合ガラスによるギャップがあっても特性への影響は少ない。接合ガラスは、誘電体ブロック２０および誘電体板３０に近い比誘電率の接合ガラスが好適である。

また、誘電体ブロック２０と誘電体板３０との比誘電率を変えても構わない。非誘電率の高い誘電体材料は高価なので、例えば、誘電体板３０には誘電体ブロック２０より比誘電率の低く安価な誘電体材料とすることにより、誘電体導波管入出力構造の価格を抑えることもできる。

（実施例２）
図３は、本発明の誘電体導波管入出力構造を有する誘電体導波管の第２の実施例を詳細に説明するための分解斜視図を示し、図４は、図３の給電線を詳しく説明するための誘電体ブロックの平面図を示す。図３乃至図４において、図１乃至図２で説明したものと同一部分には同じ番号を付して重複する説明を省略する。第２の実施例に係る誘電体導波管１９は、第１の実施例に示した誘電体導波管とほぼ同様であるが、給電線６０の形状が異なる。

図３に示すように、給電線６１の先端の幅ｙ_１は、根本部の幅ｙ_０より太くなっており（ｙ_１＞ｙ_０）、給電線６１の先端と貫通孔５０との間の距離はｄ離れている。また、先端から略四分の一波長離れた両側面には、略四分の一波長の長さのオープンスタブ６１ａが設けられている。

オープンスタブ６１ａを設けることにより、２倍高調波を抑制することができ、給電線６１の先端部の幅ｙ_１を、根本部の幅ｙ_０より広くしたことにより、先端を貫通孔から距離を離して耐電力特性を高めるとともに、外部Ｑを低く抑えて入出力構造を広帯域化することができる。

上記した誘電体導波管１９は、第１の実施例で示した誘電体導波管の給電線の形状を変えるだけで、２倍高調波を抑制するとともに耐電力特性を高め、広帯域化した入出力構造とすることができる。

（実施例３）
図５は、第２の実施例に示した誘電体導波管を誘電体導波管フィルタに適用した分解透視斜視図を示す。図５に示すように、誘電体導波管フィルタ１００は、外周を導体膜で被覆された長方体形の誘電体導波管１１〜１５が一連に接続され、
誘電体導波管１１と１２との間には誘電体が露出する結合窓ｗ４１と、
誘電体導波管１２と１３との間には誘電体が露出する結合窓ｗ４２と、
誘電体導波管１３と１４との間には誘電体が露出する結合窓ｗ４３と、
誘電体導波管１４と１５との間には誘電体が露出する結合窓ｗ４４と、
が設けられている。

両端の誘電体導波管１１、１５は、直方体形状の誘電体ブロック２０と、略中央に直径φの円形の貫通孔５０が設けられた板状の誘電体板３０とで、線状の導体箔からなる給電線６０を挟んでいる。給電線６０の端部は、誘電体導波管１８の側面に設けられた導体膜とは絶縁された島状電極９０に接続されている。
誘電体導波管１１、１５は、島状電極９０に接続されたコネクタ７０を介して図示しない外部装置と接続される。
給電線６１の先端の幅は、根本部の幅より太くなっており、先端から略四分の一波長離れた両側面には、略四分の一波長の長さのオープンスタブ６１ａが設けられている。

上記した誘電体導波管フィルタ１００は、直接、誘電体導波管を同軸線路に変換することができる誘電体導波管入出力構造を用いているので、入出力構造での性能の劣化が少なく、また、マイクロストリップ線路のためのプリント基板が必要がないので誘電体導波管フィルタを小型化することができる。

図６〜８に、図５に示した本発明の第３の実施例である誘電体導波管フィルタ１００と、図７に示した従来の誘電体導波管フィルタ１との特性を比較するグラフを示す。
図４は、通過帯域付近の反射損失（Ｓ１１）と挿入損失（Ｓ２１）とのグラフであり、図５は、通過帯域の２倍付近の挿入損失（Ｓ２１）のグラフであり、図６は、通過帯域の３倍付近の挿入損失（Ｓ２１）のグラフである。
それぞれの図において、横軸は周波数ｆ［ＧＨｚ］、縦軸は［ｄＢ］を示し、誘電体導波管フィルタ１００の特性を実線で示し、誘電体導波管フィルタ１の特性を点線で示す。

なお、それぞれの誘電体導波管フィルタ１、１００は、通過帯域の中心周波数ｆ０＝２．１２［ＧＨｚ］、帯域幅ｆｗ＝４０［ＭＨｚ］として設計されている。
誘電体導波管フィルタ１００において、
誘電体ブロック２０は、ａ_２０×ｂ_２０×Ｌ_２０＝２４．０ｍｍ×８．０ｍｍ×１５．００ｍｍ、
誘電体板３０は、 ａ_３０×ｂ_３０×Ｌ_３０＝２４．０ｍｍ×４．１ｍｍ×１５．００ｍｍ、
誘電体導波管１２は、ａ_２２×ｂ_２２×Ｌ_２２＝２４．０ｍｍ×８．０ｍｍ×２０．１４ｍｍ、
誘電体導波管１３は、ａ_２３×ｂ_２３×Ｌ_２３＝２４．０ｍｍ×８．０ｍｍ×２０．３９ｍｍ、
誘電体導波管１４は、ａ_２４×ｂ_２４×Ｌ_２４＝２４．０ｍｍ×８．０ｍｍ×２０．１４ｍｍ、
結合窓４１は、ｗ_４１×ｈ_４１＝６．５９ｍｍ×３．０ｍｍ、
結合窓４２は、ｗ_４２×ｈ_４２＝５．１１ｍｍ×３．０ｍｍ、
結合窓４３は、ｗ_４３×ｈ_４３＝５．１１ｍｍ×３．０ｍｍ、
結合窓４４は、ｗ_４４×ｈ_４４＝６．５９ｍｍ×３．０ｍｍ、
給電線６０の先端部の幅ｙ_１は、１．６ｍｍ、根本部の幅ｙ_０は、０．５ｍｍ、
貫通孔５０は、φ＝３．８ｍｍ、
貫通孔５０と給電線６０との距離ｄは、１．７３ｍｍ、
であり、
誘電体導波管フィルタ１において、
誘電体導波管１ａは、ａ_１×ｂ_１×Ｌ_１＝２４．０ｍｍ×８．０ｍｍ×２２．８６ｍｍ、
誘電体導波管１ｂは、ａ_２×ｂ_２×Ｌ_２＝２４．０ｍｍ×８．０ｍｍ×１９．７８ｍｍ、
誘電体導波管１ｃは、ａ_３×ｂ_３×Ｌ_３＝２４．０ｍｍ×８．０ｍｍ×１９．９１ｍｍ、
誘電体導波管１ｄは、ａ_４×ｂ_４×Ｌ_４＝２４．０ｍｍ×８．０ｍｍ×１９．７８ｍｍ、
誘電体導波管１ｅは、ａ_５×ｂ_５×Ｌ_５＝２４．０ｍｍ×８．０ｍｍ×２２．８６ｍｍ、
結合窓４ａは、ｗ_１×ｈ_１＝６．５９ｍｍ×３．０ｍｍ、
結合窓４ｂは、ｗ_２×ｈ_２＝５．１１ｍｍ×３．０ｍｍ、
結合窓４ｃは、ｗ_３×ｈ_３＝５．１１ｍｍ×３．０ｍｍ、
結合窓４ｄは、ｗ_４×ｈ_４＝６．５９ｍｍ×３．０ｍｍ、
である。
なお、誘電体ブロック、誘電体板の比誘電率εは、全て、２０．０である。

図６の結果から、通過帯域付近の挿入損失（Ｓ１１）および反射損失（Ｓ２１）は、本発明の誘電体導波管フィルタ１００と従来の誘電体導波管フィルタ１とは略同等であることがわかる。
また、図７の結果から、通過帯域の２倍付近の反射損失（Ｓ２１）は、従来の誘電体導波管フィルタ１より、本発明の誘電体導波管フィルタ１００が、小さくなっていることがわかる。
さらに、図８の結果から、通過帯域の３倍付近の反射損失（Ｓ２１）は、従来の誘電体導波管フィルタ１より、本発明の誘電体導波管フィルタの１００が、小さくなっていることがわかる。

このように、本発明の誘電体導波管フィルタ１００は、マイクロストリップに変換することなく、誘電体導波管と同軸線路とを直接変換することができるので、性能劣化が少ないとすることができるとともに、マイクロストリップ線路のためのプリント基板を省略でき、また、リエントラント構造とすることにより管軸長を短くできるので、誘電体導波管入出力構造を小型化することができる。

また、本発明の誘電体導波管フィルタ１００は、オープンスタブを設けることにより２倍高調波を抑制し、リエントラント構造とすることにより、抑制することの難しい３倍高調波をも抑制することができる。その結果、高調波の少ない誘電体導波管フィルタとすることができる。その結果、高調波を抑制するためのローパスフィルタを別途必要としない。
さらにまた、給電線と装荷されたオープンスタブが導波管内部に配置されて、外部に露出していないので、入出力変換部における不要な放射も抑制することができる。

給電線は、誘電体導波管の連結方向とは直交する方向に引き出されているが、いずれの方向でも構わない。誘電体ブロックの長手方向に引き出せば、短手方向よりから引き出すよりも寸法の制限が少なくなり、例えば、給電線の先端と貫通孔との間の距離を大きくすることができるので、耐電力特性を高められる。

なお、本発明の誘電体導波管入出力構造は、誘電体導波管フィルタの入出力構造に限るものではなく、外部装置との接続を有する種々の誘電体導波管装置に適用可能である。

１ａ〜１ｅ、１０〜１５、１８，１９ 誘電体導波管
２０ 誘電体ブロック
３０ 誘電体板
４ａ〜４ｄ、４０〜４４ 結合窓
５０ 貫通孔
６０、６１ 給電線
６１ａ オープンスタブ
７、７０ コネクタ
８ プリント基板
８ａ マイクロストリップ
８ｃスルーホール
５ａ、５ｅ、８ｂ、９０ 島状電極
１、１００ 誘電体導波管フィルタ

Claims (4)

1. 誘電体の表面を導体膜で被覆した誘電体導波管との入出力構造において、
   前記誘電体導波管は、直方体形状の誘電体ブロックと、板状の誘電体板とで、線状の導体箔からなる給電線を挟み、
   前記誘電体板は、主面略中央に貫通孔を有し、
   前記貫通孔の内側の側面は導体膜で被覆されている
   ことを特徴とする誘電体導波管入出力構造。
2. 前記給電線は、両側面に、オープンスタブが設けられている
   請求項１に記載の誘電体導波管入出力構造。
3. 前記給電線の先端の幅が広くなっている
   請求項１に記載の誘電体導波管入出力構造。
4. 請求項１乃至請求項３に記載の誘電体導波管入出力構造を用いた誘電体導波管装置。

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