JP5913975B2 - 半同軸型帯域通過フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、例えばマイクロ波帯やミリ波帯等で使用される折返し同軸構造を有する半同軸型帯域通過フィルタに関する。

従来、例えばマイクロ波帯やミリ波帯等の非常に高い周波数帯では、一般に半同軸型フィルタが使用されている（例えば、特許文献１、２参照。）。
図４は従来の半同軸型フィルタをアンテナ共用装置に実施した場合の構成を示し、（ａ）は一部を切欠して示す側面図、（ｂ）は平面図である。なお、図４は、１０段の共振器によってアンテナ共用装置を構成した場合を例として示している。

図４において、１１は金属板により箱状に形成された筐体で、着脱可能に設けられた底板１２及び天板１３を備えている。上記筐体１１内は、側壁と平行して設けられる隔壁１４によって複数例えば１０個の空間に分け、各空間の中心軸に沿って円筒状の中心導体１５ａ、１５ｂ、…を設けて半同軸型の共振器１６ａ、１６ｂ、…を構成している。上記中心導体１５ａ、１５ｂ、…は、筐体１１の高さより少し低く形成され、下端部が筐体１１の底板１２に高温半田付けによって固定され、各共振器１６ａ、１６ｂ、…の中心軸に位置するように保持される。上記中心導体１５ａ、１５ｂ、…の上端部内側には、合成樹脂（絶縁材）により例えば略円筒状で頭部に係止部が形成されたスペーサ１８ａ、１８ｂ、…を圧入し、このスペーサ１８ａ、１８ｂ、…を天板１３により挟み込んで保持している。

上記中心導体１５ａ、１５ｂ、…の上端部内側には、スペーサ１８ａ、１８ｂ、…の中心軸に設けられた貫通孔より所定長さの同調棒１７ａ、１７ｂ、…が挿入される。同調棒１７ａ、１７ｂ、…は、外周にねじ溝が形成されており、天板１３に設けたネジ穴に螺着されて固定用ナットにより固定される。上記同調棒１７ａ、１７ｂ、…は、固定用ナットを緩めることで中心導体１５ａ、１５ｂ、…への挿入長さを調整することが可能であり、これにより共振器１６ａ、１６ｂ、…の同調周波数を調整する。

そして、結合量の調整を必要とする共振器例えば共振器１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ間の隔壁１４には、上方部位に結合窓が設けられ、この結合窓部分に位置するように図５に示す結合板２０が配置される。図５は結合板２０の構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は上面図である。結合板２０は、ネジ棒２１の下端部に保持板（絶縁材）２２を介して金属板からなるクランク形状の結合部材２３がネジ止めにより取付けられており、ネジ棒２１が上記天板１３に設けたネジ穴に螺着されて固定用ナットにより固定される。この固定用ナットを緩めることでネジ棒２１つまり結合板２０が回転可能となるので、結合板２０の回転角度により共振器１６ａ、１６ｂ、…の結合量を調整する。

また、筐体１１の一方の側面にはアンテナ接続端子２５が設けられ、他方の側面には送信用端子２６及び受信用端子２７が設けられる。
上記のようにアンテナ共用装置は、共振器１６ａ、１６ｂ、…を多段に結合して構成されるが、通過帯域幅と減衰特性は共振器１６ａ、１６ｂ、…間の結合量によって決定される。図６は半同軸型フィルタにおける通過帯域幅と共振器の各段間の結合量との関係を示したもので、横軸に周波数をとり、縦軸に減衰量をとって示した。図６において、特性ａは各共振器間を基準の結合量で結合した場合の通過帯域幅を示し、特性ｂは各共振器間の結合量を粗結合とした場合の通過帯域幅を示し、特性ｃは共振器間の結合量を密結合とした場合の通過帯域幅を示している。共振器間を粗結合とすると、図６の特性ｂに示すように基準の特性ａより通過帯域幅が狭くなり、共振器間を密結合とすると特性ｃに示すように基準の特性ａより通過帯域幅が広くなる。

半同軸型フィルタの通過帯域幅を広く取るためには共振器間を密結合させる必要がある。そして、共振器間を密結合させるためには、
（１）共振器のサイズを小さくして、中心導体間の距離を短くする。
（２）共振器の段間に結合板を挿入する。
などの方法がある。

半同軸型フィルタの通過帯域幅を広く取るために、上記（１）のように共振器のサイズを小さくし、中心導体間の距離を短くして共振器間を密結合させる方法では、フィルタのＱ値が落ち、所望する特性を満足できない可能性がある。
また、上記図４に示したアンテナ共用装置は、上記（２）の方法、すなわち、共振器の段間に結合板２０を挿入して共振器間を密結合させる方法を用いたものであるが、このように共振器の段間に結合板２０を挿入する方法では、部品点数が多くなり、部品管理が面倒であると共に、部品の組込み作業とそれによる調整が必要になり、作業効率が悪化してコストアップになるという問題がある。また、従来のように共振器の段間に結合板２０を設け、その回転角度により共振器間の結合度を調整する方法では、結合板２０の回転角度を微細に調整することが難しく、結合度の調整が非常に面倒である。

また、共振器のサイズを小さくする方法として、中心導体１５ａ、１５ｂ、…の上端部を図７に示すように折返し同軸構造とする方法がある。この折返し同軸構造は、共振周波数の１／４波長であるべき長さを短くするための手法である。図７は中心導体１５（１５ａ、１５ｂ、…）の構成例を示す斜視図である。この折返し同軸構造は、全長Ｌ１の中心導体１５の上端部をＬ２の長さ折返して同軸状に構成したものである。

図８（ａ）は中心導体１５の全長Ｌ１を２６０ｍｍと１８０ｍｍ、折返し部２８の長さＬ２を４５ｍｍと７０ｍｍに設定した場合の寸法組み合わせ例を示し、同図（ｂ）は上記中心導体１５のＬ１、Ｌ２の組み合わせ寸法と共振周波数との関係を示す共振特性図である。図８（ｂ）において、特性ａは中心導体１５の全長Ｌ１を２６０ｍｍ、折返し部２８の長さＬ２を７０ｍｍとした場合の共振特性、特性ＡはＬ１を２６０ｍｍ、Ｌ２を４５ｍｍとした場合の基準の共振特性、特性ｂはＬ１を１８０ｍｍ、Ｌ２を７０ｍｍに設定した場合の共振特性、特性ｃはＬ１を１８０ｍｍ、Ｌ２を４５ｍｍに設定した場合の共振特性を示している。

Ｌ１を２６０ｍｍ、Ｌ２を４５ｍｍとした場合の基準の共振特性Ａに対し、Ｌ２を７０ｍｍに設定すると特性ａに示すように共振周波数は基準の特性Ａよりも低い方に変位する。また、Ｌ２を７０ｍｍに設定した状態において、Ｌ１を１８０ｍｍに短く設定すると、共振周波数は特性ｂに示すように基準の特性Ａよりも高い方に変位する。また、Ｌ１を１８０ｍｍに設定した状態において、Ｌ２を４５ｍｍに短く設定すると、共振周波数は特性ｃに示すように特性ｂの場合よりも更に高い方に変位する。

上記のように折返し同軸構造の中心導体１５は、全長Ｌ１及び折返し部２８の長さＬ２によって共振周波数が変化する。
また、上記折返し同軸構造の中心導体１５は、折返し部２８が共振器同士の結合にも寄与しており、この折返し部２８を長くすれば共振器同士の結合を密にすることは可能である。しかしながら、折返し部２８を長くすれば同時に共振周波数も低い方に変化してしまう。このとき共振周波数を変えないためには、中心導体１５の長さＬ１を短くする必要がある。

一方、通過帯域を広く取るためには、図６に示したように共振器の段間の結合を密にする必要がある。中心導体１５の折返し部２８を長くすれば密結合にできるが、その分共振周波数は低くなり、それを補正するために中心導体１５の長さＬ１を短くすればＱ値が劣化し、フィルタ性能が悪化することになる。

特開２００８−２０５６９２号公報 特開２００７−３００２５２号公報

上記のように従来の折返し同軸構造の半同軸型フィルタを用いたアンテナ共用装置は、通過帯域幅を広くするために中心導体１５の折返し部２８を長くして共振器同士の結合を密にすると、同時に共振周波数も低い方に変化してしまう。また、共振周波数の低下を補正するために中心導体１５の長さを短くすればＱ値が劣化し、フィルタ性能が悪化するという問題がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、共振周波数及びＱ値を変化させることなく、通過帯域幅を確保するために必要な共振器間の結合を取ることができる半同軸型帯域通過フィルタを提供することを目的とする。

第１の発明は、平面状の底板及び天板を備えた導電性部材からなる筐体と、前記底板から天板方向に設けられて前記筐体内を複数の領域に分割する隔壁と、前記隔壁の前記天板側に設けられて前記領域の段間を結合する結合窓と、前記各領域の中心軸に沿って配置され、一方の端部が前記底板に半田付けによって直接固着される中空円筒状の中心導体と、前記中心導体の他方の端部を所定の長さで同軸状に折返して設けられる折返し部と、前記折返し部の折返し先端周縁が略１８０°の間隔で直線的に延長して設けられる１対の結合用フィンと、前記天板に前記各領域に対応して装着され、先端部が前記中心導体の先端開口部内に挿入される同調棒と、前記天板における前記各領域の段間に対応する位置に設けたネジ穴に螺着され、先端部が前記結合窓内に挿入される結合量調整ネジとを具備し、前記各中心導体は、前記折返し部に設けた各結合用フィンが前記結合窓に対向して位置するように配設し、前記各領域の段間の結合度が密となるようにし、前記結合量調整ネジの前記結合窓内への挿入長さにより前記各領域の段間の結合量を調整できるように構成したことを特徴とする。

第２の発明は、前記第１の発明に係る半同軸型帯域通過フィルタにおいて、前記同調棒の外周にネジ溝を設け、該ネジ溝を前記天板に設けられたネジ穴に螺着することにより前記中心導体への前記同調棒の挿入長を調整可能にしている。また、前記中心導体の中空円筒内に前記他方の端部から圧入されるスペーサを備え、このスペーサの中心軸に設けた貫通孔に前記同調棒を挿入することで前記同調棒の軸と直交する方向の位置を規定する。さらに、前記同調棒の外周に形成されたネジ溝に螺着されて該同調棒を前記天板に固定する固定用ナットを備え、この固定ナットにより前記挿入長の調整後における前記同調棒の軸方向の位置を規定する。

本発明によれば、中心導体の折返し部に結合用フィンを設けて共振器間を密結合させることにより、通過帯域幅を広くすることができる。また、結合用フィンは、共振器の各段間の結合窓に対向する部分のみに設けることにより、折返し部の面積の増加を少なくして共振周波数のずれを小さくでき、かつＱ値の劣化を確実に防止することができる。

本発明の一実施形態に係る半同軸型帯域通過フィルタの構成を示す断面図である。 図１における中心導体のみを取出して示す斜視図である。 同実施形態に係る半同軸型帯域通過フィルタの通過帯域特性を示す図である。 従来の半同軸型フィルタをアンテナ共用装置に実施した場合の構成を示し、（ａ）は一部を切欠して示す側面図、（ｂ）は平面図である。 図４のアンテナ共用装置における結合板の構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は上面図である。 半同軸型フィルタにおける通過帯域幅と共振器の各段間の結合量との関係を示す図である。 従来の半同軸型フィルタにおける中心導体を折返し同軸構造とした場合の構成例を示す斜視図である。 従来の半同軸型フィルタにおける折返し同軸構造の中心導体の設定寸法例と共振周波数との関係を示す共振特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る半同軸型帯域通過フィルタ３０の構成を示す断面図、図２は図１における中心導体のみを取出して示す斜視図である。なお、図１は、例えば５段の共振器により半同軸型帯域通過フィルタ３０を構成した場合を例として示している。

図１において、３１は金属板により箱状に形成された筐体で、例えば着脱可能に設けられた底板３２及び天板３３を備えている。上記筐体３１は、例えば高さＨ１が約２７３ｍｍ、横幅Ｗ１が２１０ｍｍに設定される。上記筐体３１内は、隔壁３４ａ、３４ｂ、…によって複数例えば５つの空間に分け、各空間の中心軸に沿って円筒状の中心導体３５ａ、３５ｂ、…を設けて半同軸型の共振器３６ａ、３６ｂ、…を構成している。上記各隔壁３４ａ、３４ｂ、…は、底板３２からの高さＨ２が約１６２ｍｍに設定され、上部側に共振器３６ａ、３６ｂ、…間を結合する結合窓３７ａ、３７ｂ、…が設けられる。また、隔壁３４ａ、３４ｂ、…の間隔Ｗ２は、約４０ｍｍに設定される。

中心導体３５ａ、３５ｂ、…は、図２に詳細を示すように直径（外径）Ｄ１が約１２ｍｍの円筒状部材により構成され、上端側に折返し部３８が設けられる。中心導体３５ａ、３５ｂ、…は、例えば全長Ｌ１１が約２６０ｍｍ、折返し部３８の高さＬ１２が約５０ｍｍ、折返し部３８の直径（外径）Ｄ２が約３０ｍｍに設定される。折返し部３８には、下側周縁に略１８０°の間隔で、１対の結合用フィン３９ａ、３９ｂが下方に延長して設けられる。結合用フィン３９ａ、３９ｂの長さＬ１３は約２０ｍｍ、横幅Ｗ３が約１０ｍｍに設定される。

上記中心導体３５ａ、３５ｂ、…は、各共振器３６ａ、３６ｂ、…の中心軸に沿って位置するように配置され、下端部が筐体３１の底板３２に高温半田付けによって固定される。この場合、中心導体３５ａ、３５ｂ、…は、折返し部３８の結合用フィン３９ａ、３９ｂがそれぞれ結合窓３７ａ、３７ｂ、…に相対向して位置するように設けられる。また、中心導体３５ａ、３５ｂ、…の上端部内側には、合成樹脂（絶縁材）により例えば略円筒状で頭部に係止部が形成されたスペーサ４１ａ、４１ｂ、…の下部先端が圧入され、上記係止部が天板３３により圧接されて保持される。

上記中心導体３５ａ、３５ｂ、…の上端部内側には、各スペーサ４１ａ、４１ｂ、…の中心軸に設けられた貫通孔に同調棒４２ａ、４２ｂ、…挿入される。同調棒４２ａ、４２ｂ、…は、外周にネジ溝が形成されており、天板３３に設けたネジ穴に螺着され、固定用ナット４３により固定される。上記同調棒４２ａ、４２ｂ、…は、固定用ナット４３を緩めることで中心導体３５ａ、３５ｂ、…への挿入長さを調整することが可能であり、これにより共振器３６ａ、３６ｂ、…の同調周波数を調整する。

また、天板３３には、同調棒４２ａ、４２ｂ、…の間、すなわち結合窓３７ａ、３７ｂ、…に対応する位置に設けたネジ穴に金属製の所定長さの結合量調整ネジ４４ａ、４４ｂ、…が螺着され、固定用ナット４５により天板３３に固定される。上記結合量調整ネジ４４ａ、４４ｂ、…は、天板３３より下方に突出した部分が共振器３６ａ、３６ｂ、…間に設けられた結合窓３７ａ、３７ｂ、…内に挿入される。上記結合量調整ネジ４４ａ、４４ｂ、…は、固定用ナット４５を緩めることで回転可能となり、結合窓３７ａ、３７ｂ、…への挿入長さによって各共振器３６ａ、３６ｂ、…間の結合量を調整する。

また、筐体３１には、共振器３６ａ側の側面に入出力端子５１が設けられると共に、共振器３６ｅ側の側面には入出力端子５２が設けられる。上記入出力端子５１の外部導体は筐体３１の側面に電気的に接続され、中心導体は共振器３６ａ内において、導電性部材からなる入出力ループ５３を介して筐体３１の底板３２に接続される。また、入出力端子５２の外部導体は筐体３１の側面に電気的に接続され、中心導体は共振器３６ｅ内において、導電性部材からなる入出力ループ５４を介して筐体３１の底板３２に接続される。上記入出力端子５１、５２の高さＨ３は、約１０２ｍｍに設定される。

上記実施形態に係る半同軸型帯域通過フィルタ３０は、中心導体３５ａ、３５ｂ、…の折返し部３８に対し、下側周縁に１８０°の間隔で、すなわち結合窓３７ａ、３７ｂ、…に相対向する部分のみに結合用フィン３９ａ、３９ｂを設けて共振器３６ａ、３６ｂ、…間が密結合するように構成することにより、通過帯域幅を広くしながら共振器３６ａ、３６ｂ、…における共振周波数のずれを低減でき、かつＱ値の劣化を確実に防止することができる。

図３は上記半同軸型帯域通過フィルタ３０の通過帯域特性を示したもので、横軸に周波数［ＭＨｚ］をとり、縦軸に減衰量［ｄＢ］をとって示した。図３において、特性ａは上記実施形態で示したように中心導体３５ａ、３５ｂ、…の折返し部３８に結合用フィン３９ａ、３９ｂを設けて共振器３６ａ、３６ｂ、…間を密結合させた場合の通過帯域特性を示し、特性ｂは中心導体３５ａ、３５ｂ、…の折返し部３８に結合用フィン３９ａ、３９ｂを設けずに共振器３６ａ、３６ｂ、…間を粗結合させた場合の通過帯域特性を示している。

上記図３からも明らかなように、中心導体３５ａ、３５ｂ、…の折返し部３８に結合用フィン３９ａ、３９ｂを設けて共振器３６ａ、３６ｂ、…間を密結合させることにより、結合用フィン３９ａ、３９ｂを設けなかった場合に比較してフィルタの通過帯域幅を広くすることができる。

また、結合用フィン３９ａ、３９ｂは、共振器３６ａ、３６ｂ、…の各段間の結合窓３７ａ、３７ｂ、…に相対向する部分のみに設けているので、共振器３６ａ、３６ｂ、…間を密結合させるために折返し部３８を全体的に長くする場合に比較して折返し部３８の面積の増加を少なくでき、共振器３６ａ、３６ｂ、…における共振周波数のずれを非常に小さくすることができる。従って、共振器３６ａ、３６ｂ、…における共振周波数のずれを補正するために中心導体３５ａ、３５ｂ、…の長さを短くする必要はなく、Ｑ値の劣化を確実に防止することができる。

また、中心導体３５ａ、３５ｂ、…の折返し部３８に結合用フィン３９ａ、３９ｂを設けて共振器３６ａ、３６ｂ、…間を密結合させることにより、結合量調整ネジ４４ａ、４４ｂ、…として、例えばＭ５（ミリネジ・メートルネジ規格）ネジ等の単純な構造の金属製のネジを用いて結合量を容易に調整でき、従来のように複雑な構造の結合板を使用する必要はない。

なお、本発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。

３０…半同軸型帯域通過フィルタ、３１…筐体、３２…底板、３３…天板、３４ａ〜３４ｄ…隔壁、３５ａ〜３５ｅ…中心導体、３６ａ〜３６ｅ…共振器、３７ａ〜３７ｄ…結合窓、３８…中心導体の折返し部、３９ａ、３９ｂ…中心導体の結合用フィン、４１ａ〜４１ｅ…スペーサ、４２ａ〜４２ｅ…同調棒、４３、４５…固定用ナット、４４ａ〜４４ｄ…結合量調整ネジ、５１、５２…入出力端子、５３、５４…入出力ループ。

Claims (2)

1. 平面状の底板及び天板を備えた導電性部材からなる筐体と、
   前記底板から天板方向に設けられて前記筐体内を複数の領域に分割する隔壁と、
   前記隔壁の前記天板側に設けられて前記領域の段間を結合する結合窓と、
   前記各領域の中心軸に沿って配置され、一方の端部が前記底板に半田付けによって直接固着される中空円筒状の中心導体と、
   前記中心導体の他方の端部を所定の長さで同軸状に折返して設けられる折返し部と、
   前記折返し部の折返し先端周縁が略１８０°の間隔で直線的に延長して設けられる１対の結合用フィンと、
   前記天板に前記各領域に対応して装着され、先端部が前記中心導体の先端開口部内に挿入される同調棒と、
   前記天板における前記各領域の段間に対応する位置に設けたネジ穴に螺着され、先端部が前記結合窓内に挿入される結合量調整ネジと
   を具備し、
   前記各中心導体は、前記折返し部に設けた各結合用フィンが前記結合窓に対向して位置するように配設し、前記各領域の段間の結合度が密となるようにし、前記結合量調整ネジの前記結合窓内への挿入長さにより前記各領域の段間の結合量を調整できるように構成したことを特徴とする半同軸型帯域通過フィルタ。
2. 前記同調棒は、外周にネジ溝を有し、該ネジ溝が前記天板に設けられたネジ穴に螺着されることにより前記中心導体への挿入長を調整可能に構成され、
   前記中心導体の中空円筒内に前記他方の端部から圧入され、中心軸に前記同調棒を挿入するための貫通孔を有することで前記同調棒の軸と直交する方向の位置を規定するスペーサと、
   前記同調棒の外周に形成されたネジ溝に螺着されて該同調棒を前記天板に固定することにより、前記挿入長の調整後における前記同調棒の軸方向の位置を規定する固定用ナットと
   を、さらに具備することを特徴とする請求項１記載の半同軸型帯域通過フィルタ。

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