JP6288592B2 - 人工誘電体共振器及びそれを用いた人工誘電体フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、人工誘電体共振器及びそれを用いた人工誘電体フィルタに関する。

近年、マイクロ波帯域などで用いられる高周波フィルタは、小型化及びそれによる高性能化のために、高い比誘電率の誘電体を用いた誘電体共振器で構成される場合が少なくない。誘電体共振器は、誘電体を特定の大きさと形状のブロックにすることにより、それらと比誘電率によって定まる所望の周波数で共振させることができる。

誘電体共振器は、誘電体の材料に高い比誘電率のセラミックス（誘電体セラミックス）を使ったものが広く知られている。この誘電体セラミックスは、それを構成する分子に電界を印加したとき、分子中の束縛電子が移動し分極することによって高い比誘電率を示すこととなる。誘電体セラミックスの比誘電率は、高周波での損失の少なさや温度安定性を考慮すると、通常は、２０から１００までのものが実用化可能である。

誘電体共振器は、人工誘電体を用いたもの（人工誘電体共振器）も提案されている（例えば、特許文献１）。人工誘電体は、多数の金属片の集合から成るものである。この人工誘電体は、電界を印加したとき金属片に存在する自由電子が移動し分極することで誘電体として振る舞い、その自由電子の多さと移動距離の大きさにより、金属片の大きさや形状に応じて高い等価的な比誘電率を得ることが出来る。なお、人工誘電体は、各金属片の保持のため、何らかの母材中にそれらが配置される。

また、人工誘電体は、特許文献１に記載されているように、電界を金属片のどの向きに沿ってかけるかによって比誘電率が変化する異方性を有する。この異方性によって、人工誘電体共振器は、所望の周波数の共振（基本モード）では比誘電率が高くなり、その周波数に比較的近い他の共振（スプリアスモード）では比誘電率が低くなるように金属片を配置することで、それらの周波数を引き離すことができ、それによりスプリアスモードを抑圧することができる。

特開２００３−１３３８２０号公報

このように、人工誘電体共振器は、金属片の大きさや形状及び配置によって、通常の誘電体セラミックスの共振器にはない優れた特性を得ることができる。しかし、人工誘電体共振器は、それを用いた高周波フィルタ（人工誘電体フィルタ）などへの今日の需要者の要求に対応するためには、まだ改善の余地がある。特に、小型化の要求に対応するためには、人工誘電体共振器は、基本モードでの比誘電率を更に高くする必要がある。

人工誘電体共振器を用いた人工誘電体フィルタは、通常、内部に人工誘電体共振器を複数個配置するとともに、この人工誘電体共振器と結合されて外部との信号のやり取りを行う入出力端子を配置している。そして、人工誘電体フィルタは、入出力端子と人工誘電体共振器との間の結合度（入出力結合度）及び２個の人工誘電体共振器の間の段間結合度を適切に制御することにより、所定の基本モードについて所望の帯域幅のフィルタ特性（例えば、チェビシェフ型など）が実現される。人工誘電体フィルタについては、入出力結合度が小さくて、フィルタ特性の帯域幅が狭くなる傾向にあり、この所望のフィルタ特性を得るのが困難な場合もある。

また、人工誘電体フィルタは、２個の人工誘電体共振器の間の段間結合度の制御のために、製造工程に多くの手間がかからないようにしつつ複数の人工誘電体共振器の正確な位置決めを実現することも望まれる。

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、基本モードでの比誘電率を更に高くできる人工誘電体共振器を提供することにあり、また、それを用いて、入出力結合度が大きく、人工誘電体共振器の正確な位置決めを実現するのが可能な人工誘電体フィルタ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に記載の人工誘電体共振器は、薄板状の金属ストリップを複数個長手方向に微小な間隙を設けて配列して成る第１系列金属ストリップ群と、薄板状の金属ストリップを複数個長手方向に微小な間隙を設けて配列して成る第２系列金属ストリップ群と、を有しており、前記第１系列金属ストリップ群と前記第２系列金属ストリップ群とは、前記金属ストリップの厚さ方向に近接配置され、かつ、一方の金属ストリップ群の金属ストリップは他方の金属ストリップ群の前記間隙を跨ぐように対向して配置されていることを特徴とする。

請求項２に記載の人工誘電体共振器は、請求項１に記載の人工誘電体共振器において、前記第１系列金属ストリップ群と前記第２系列金属ストリップ群はそれぞれ、環状を成していることを特徴とする。

請求項３に記載の人工誘電体共振器は、請求項２に記載の人工誘電体共振器において、薄板状の金属ストリップを複数個長手方向に微小な間隙を設けて環状に配列して成るものであって、前記第１系列金属ストリップ群と同心状に金属ストリップの幅方向に近接配置される第３系列金属ストリップ群と、薄板状の金属ストリップを複数個長手方向に微小な間隙を設けて環状に配列して成るものであって、前記第２系列金属ストリップ群と同心状に金属ストリップの幅方向に近接配置される第４系列金属ストリップ群と、を更に有していることを特徴とする。

請求項４に記載の人工誘電体フィルタは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の人工誘電体共振器を複数個と、２個の入出力端子と、を具備し、隣接する前記人工誘電体共振器は互いに結合し、前記入出力端子はそれに隣接する前記人工誘電体共振器と結合していることを特徴とする。

請求項５に記載の人工誘電体フィルタは、請求項４に記載の人工誘電体フィルタにおいて、前記入出力端子の各々は、それに隣接する前記人工誘電体共振器の金属ストリップに直結されていることを特徴とする。

請求項６に記載の人工誘電体フィルタは、請求項４又は５に記載の人工誘電体フィルタにおいて、複数個の前記人工誘電体共振器の相対的な位置が固定されて所定の段間結合度になるように、複数個の前記人工誘電体共振器が一体の積層基板に形成されていることを特徴とする。

請求項７に記載の人工誘電体フィルタは、請求項４〜６のいずれか１項に記載の人工誘電体フィルタにおいて、前記人工誘電体共振器は、基本モードをＴＥ０１δモードとして共振することを特徴とする。

本発明によれば、第１系列金属ストリップ群と第２系列金属ストリップ群とは、金属ストリップの厚さ方向に近接配置され、かつ、一方の金属ストリップ群の金属ストリップは他方の金属ストリップ群の間隙を跨ぐように対向して配置されるようにしているので、それらの間の大きな容量により、非常に高い非誘電率を示す人工誘電体共振器の提供が可能になる。また、この人工誘電体共振器を用いて、入出力端子を金属ストリップに直結させ、複数個の人工誘電体共振器を一体の積層基板に形成させることにより、入出力結合度が大きく、人工誘電体共振器の正確な位置決めを実現する人工誘電体フィルタを提供することが可能になる。

本発明の実施形態に係る人工誘電体共振器の斜視図である。 同上の人工誘電体共振器の第１系列金属ストリップ群を示す平面図である。 同上の人工誘電体共振器の第２系列金属ストリップ群を示す平面図である。 同上の人工誘電体共振器の第１系列金属ストリップ群と第２系列金属ストリップ群に生じる電荷を説明する図である。 同上の人工誘電体共振器の変形例の斜視図である。 同上の人工誘電体共振器の変形例の第１系列金属ストリップ群と第３系列金属ストリップ群を示す平面図である。 同上の人工誘電体共振器の変形例の第２系列金属ストリップ群と第４系列金属ストリップ群を示す平面図である。 同上の人工誘電体フィルタの斜視図である。 同上の人工誘電体フィルタの内部の平面図である。 同上の人工誘電体フィルタの段間結合度の特性図である。 同上の人工誘電体フィルタの入出力結合度の特性図である。 同上の人工誘電体フィルタの入出力の方式を変更したものの内部の平面図である。 同上の人工誘電体フィルタの入出力の方式を変更したものの入出力結合度の特性図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係る人工誘電体共振器１は、図１、図２、及び図３に示すように、薄板状の金属ストリップ２０、２０、・・・を複数個長手方向に微小な間隙２０Ｇ、２０Ｇ、・・・を設けて環状に配列して成る第１系列金属ストリップ群２と、薄板状の金属ストリップ３０、３０、・・・を複数個長手方向に微小な間隙３０Ｇ、３０Ｇ、・・・を設けて環状に配列して成る第２系列金属ストリップ群３と、を有している。これら第１系列金属ストリップ群２と第２系列金属ストリップ群３とは、金属ストリップ２０、３０の厚さ方向に近接配置され、かつ、一方の金属ストリップ群２又は３の金属ストリップ２０又は３０は、他方の金属ストリップ群３又は２の間隙３０Ｇ又は２０Ｇを跨ぐように対向して配置されている。

薄板状の金属ストリップ２０及び３０は、アスペクト比が大きい（幅が短く長さが長い）金属片である。また、人工誘電体共振器１において、第１系列金属ストリップ群２と第２系列金属ストリップ群３は、これらの保持のための母材（例えば、樹脂多層基板やＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミック）基板などの後述する積層基板）の中に配置される。

そして、人工誘電体共振器１は、適宜、第１系列金属ストリップ群２又は第２系列金属ストリップ群３と同様な金属ストリップ群を、第１系列金属ストリップ群２と第２系列金属ストリップ群３の位置関係と同様にして順に積層して設けている。図１では、第１系列金属ストリップ群２と同様な金属ストリップ群が３層、第２系列金属ストリップ群３と同様な金属ストリップ群が２層、計５層の金属ストリップ群が積層して設けられたものを示している。

このような人工誘電体共振器１は、金属ストリップ２０及び３０の中の自由電子が印加された電界によって移動し、金属ストリップ２０及び３０の一端側に正の電荷又は負の電荷、他端側に負の電荷又は正の電荷が表れる。この状態が、金属ストリップ２０及び３０が分極を起こした状態であり、これらの表れた正の電荷と負の電荷は、電気双極子を構成する。電気双極子における電荷の量と分極距離とを乗じて得られる双極子モーメントが大きいほど、高い比誘電率を得ることが出来る。

よって、環状を成す第１系列金属ストリップ群２と第２系列金属ストリップ群３は、環状の印加された電界に対して高い比誘電率を示す。それにより、第１系列金属ストリップ群２と第２系列金属ストリップ群３を有する人工誘電体共振器１は、共振の電界の向きが環状を成すＴＥ０１δモードを目的の基本モードとすることができる。ＴＥ０１δモードは、損失が少ないために基本モードとして好んで用いられるものである。

また、第１系列金属ストリップ群２の金属ストリップ２０と第２系列金属ストリップ群３の金属ストリップ３０の位置関係は、金属ストリップ２０と金属ストリップ３０の間に大きな容量を生じさせる。それにより、図４に示すように、より多くの電荷（一端側の正の電荷又は負の電荷と他端側の負の電荷又は正の電荷）が蓄えられることにより、双極子モーメントが大きくなって、環状の方向では非常に高い比誘電率を得ることが出来るようになる。なお、隣接する金属ストリップ２０、２０の間及び隣接する金属ストリップ３０、３０の間の電界は強くなっている。また、金属ストリップ２０と金属ストリップ３０の間には電界が生じている。

なお、第１系列金属ストリップ群２における金属ストリップ２０の幅や間隙２０Ｇの距離及び第２系列金属ストリップ群３における金属ストリップ３０の幅や間隙３０Ｇの距離などを変えることにより、比誘電率を調整することも可能である。

そして、基本モードを所定の共振周波数のＴＥ０１δモードとすると、人工誘電体共振器１は小型化される。共振周波数がＴＥ０１δモードの共振周波数に比較的近いスプリアスモード（例えば、ＴＭ１１δモードなど）が有った場合、人工誘電体共振器１の大きさが変わることにより、その大きさに応じてスプリアスモードの共振周波数は変わり、その結果、基本モードとスプリアスモードの共振周波数を引き離すこともできる。

次に、人工誘電体共振器１を変形した例を説明する。この人工誘電体共振器１’は、図５、図６、及び図７に示すように、人工誘電体共振器１の構成に加えて、第３系列金属ストリップ群４と第４系列金属ストリップ群５を更に有するものである。すなわち、第３系列金属ストリップ群４は、薄板状の金属ストリップ４０を複数個長手方向に微小な間隙４０Ｇを設けて環状に配列して成るものであって、第１系列金属ストリップ群２と同心状に金属ストリップ２０の幅方向に近接配置される。第４系列金属ストリップ群５は、薄板状の金属ストリップ５０を複数個長手方向に微小な間隙５０Ｇを設けて環状に配列して成るものであって、第２系列金属ストリップ群３と同心状に金属ストリップ３０の幅方向に近接配置される。

このような人工誘電体共振器１’は、金属ストリップ２０と金属ストリップ４０の間、金属ストリップ３０と金属ストリップ５０の間、にもそれぞれ容量を生じさせる。これらの容量は、金属ストリップ２０と金属ストリップ３０の間の容量の程には大きくないが、より多くの電荷（一端側の正の電荷又は負の電荷と他端側の負の電荷又は正の電荷）を蓄えることに寄与する。それにより、比誘電率をより高めることができる。

次に、人工誘電体フィルタ１０について説明する。この人工誘電体フィルタ１０は、図８及び図９に示すように、複数個の人工誘電体共振器１’、１’と、２個の入出力端子１１、１１と、を具備しているものである。人工誘電体共振器１’、１’の各々は、ケース１２内の母材１３に配置され保持されており、隣接する人工誘電体共振器１’、１’は、互いに電磁界によって結合している。入出力端子１１、１１の各々は、ケース１２に固定され、入出力端子１１はそれに隣接する前記人工誘電体共振器１’と結合している。なお、図８中の符号１４は、母材１３を支える支持材である。

なお、人工誘電体共振器１’、１’の数は限定されるものではなく、２個又は３個以上であってもよい。また、本実施形態では、図８及び図９に示すように、上述した人工誘電体共振器１’、１’を用いているが、上述した人工誘電体共振器１、１を用いてもよい。

人工誘電体共振器１’と入出力端子１１との間の結合のために、人工誘電体フィルタ１０の入出力端子１１は、人工誘電体共振器１’の金属ストリップ２０に直結されている。この直結は、人工誘電体共振器１’が分離した金属ストリップ２０、２０、・・・を有しているからこそ可能なことである。詳細には、入出力端子１１を金属ストリップ２０に直結する部分であるプローブ部１１ａが設けられ、プローブ部１１ａに接続される金属ストリップ２０以外の金属ストリップ２０を接地部Ｇに直結する部分であるプローブ部１１ａ’が設けられる。プローブ部１１ａ、１１ａ’は、第１系列金属ストリップ群２及び第３系列金属ストリップ群４と同じ層（金属層）に形成される。

この直結により、入出力端子１１と人工誘電体共振器１’との間の入出力結合度を上げて、人工誘電体共振器１’、１’の相互の段間結合度に近づけることができる。入出力結合度を段間結合度に近づけると、人工誘電体共振器１’、１’の間でのフィルタ特性の比帯域よりも人工誘電体フィルタ１０全体のフィルタ特性の帯域幅が狭まるのを抑えることができる。また、直結により、入出力端子１１と人工誘電体共振器１’との間の結合のための配線が固定され、入出力結合度が安定する。また、入出力端子１１と人工誘電体共振器１’との間の結合のために、後述の参考例に示すような別の層を必要としたり結合のための大きな面積を必要としたりしないので、小型化にも寄与する。

また、人工誘電体フィルタ１０の複数個の人工誘電体共振器１’、１’はともに、母材１３である一体の積層基板に形成している。これにより、複数個の人工誘電体共振器１’、１’の相対的な位置が固定されて所定の段間結合度になる。積層基板としては、樹脂多層基板やＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミック）基板などを用いることができる。

この人工誘電体フィルタ１０のシミュレーション解析結果を以下に示す。この解析には、３次元電磁界シミュレーションソフトＨＦＳＳを用いた。金属層は、その厚さは１８μｍであり、５層が積層されている。母材は、比誘電率２．４、誘電損失０．００１１４とした。人工誘電体共振器１’において、金属ストリップの幅は０．８ｍｍ、同じ層の２個の金属ストリップの間隙は、すべて、０．２ｍｍとした。環状を成す第１系列金属ストリップ群２の外径は、８．４ｍｍとした。プローブ部１１ａ、１１ａ’の幅は、０．５ｍｍとした。なお、発明の要旨ではないので説明は省略するが、この解析での特性図において入出力結合度を示す数値は、いわゆる外部ｋと称される値であり、段間結合度を示す数値は、いわゆる結合係数と称される値である。

図１０には、人工誘電体フィルタ１０の段間結合度の特性を示している。図１０の横軸は、２個の人工誘電体共振器１’、１’の間の距離Ｘである。人工誘電体共振器１’、１’の間の距離Ｘが短いところでは、段間結合度は１０^−２のオーダーとなっている。また、その範囲で、人工誘電体共振器１’、１’の間の距離が短くなると、段間結合度は比較的急激に増加している。これより、２個の人工誘電体共振器１’、１’は、一体の積層基板に形成して、それらの相対的な位置を固定するのが有効なことが分かる。

図１１には、人工誘電体フィルタ１０の入出力結合度の特性を示している。図１１の横軸は、入出力端子１１のプローブ部１１ａとプローブ部１１ａ’の距離Ｙである。プローブ部１１ａとプローブ部１１ａ’の距離Ｙが短いところでは、入出力結合度は、１０^−２のオーダーが達成でき、段間結合度に近い値となっている。これより、入出力端子１１を人工誘電体共振器１’に直結させると、人工誘電体フィルタ１０全体のフィルタ特性の帯域幅が狭まるのを抑えることができることがわかる。

なお、図１２に、参考例として人工誘電体フィルタ１０Ａを示す。この人工誘電体フィルタ１０Ａは、入出力端子１１を人工誘電体共振器１’の金属ストリップ２０に直結せずに、入出力端子１１のプローブ部１１ａにループ状部分１１ａａを設けて人工誘電体共振器１’に間隙を介して結合させたものである。これは、基本モードがＴＥ０１δモードとすると、人工誘電体共振器１’の周囲に磁界エネルギーが多く存在し、その磁界エネルギーを人工誘電体共振器１’とループ状部分１１ａａが互いに捉えることで結合（磁気結合）するようにしたものである。

図１３には、人工誘電体フィルタ１０Ａの入出力結合度の特性を示している。入出力結合度は、１０^−２のオーダーが達成できていないことが分かる。これは、人工誘電体共振器１’とループ状部分１１ａａの間をいかに接近させようとも互いに捉えることができる磁界エネルギーには限界があるからである。なお、図１３の横軸は、ループ状部分１１ａａの半径ｒと第１系列金属ストリップ群２の外周の半径Ｒとの比である。

以上、本発明の実施形態に係る人工誘電体共振器及びそれを用いた人工誘電体フィルタ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、上述した人工誘電体共振器１’の構成に加えて、第１系列金属ストリップ群２や第３系列金属ストリップ群４と同様なもので幅方向に近接する金属ストリップ群を適宜増加させることができる。また、人工誘電体フィルタ１０の入出力端子１１と第１系列金属ストリップ群２の金属ストリップ２０とを直結したものを説明したが、この直結の技術は、人工誘電体共振器が上述した第１系列金属ストリップ群２さえ有していれば、人工誘電体共振器１’（又は１）の詳細な構成に限られることなく、適用可能である。

１ 人工誘電体共振器
１０ 人工誘電体フィルタ
１１ 入出力端子
２ 第１系列金属ストリップ群
２０ 第１系列金属ストリップ群の金属ストリップ
２０Ｇ 第１系列金属ストリップ群の金属ストリップの間隙
３ 第２系列金属ストリップ群
３０ 第２系列金属ストリップ群の金属ストリップ
３０Ｇ 第２系列金属ストリップ群の金属ストリップの間隙
４ 第３系列金属ストリップ群
４０ 第３系列金属ストリップ群の金属ストリップ
４０Ｇ 第３系列金属ストリップ群の金属ストリップの間隙
５ 第４系列金属ストリップ群
５０ 第４系列金属ストリップ群の金属ストリップ
５０Ｇ 第４系列金属ストリップ群の金属ストリップの間隙

Claims (8)

1. 平面内に１列の金属ストリップ群のみを含む人工誘電体共振器であって、
   前記１列の金属ストリップ群が、薄板状の金属ストリップを複数個長手方向に微小な間隙を設けて環状に配列して成る第１系列金属ストリップ群と、
   薄板状の金属ストリップを複数個長手方向に微小な間隙を設けて環状に配列して成る第２系列金属ストリップ群と、
   前記金属ストリップの１つに直結された入出力端子と、
   を有しており、
   前記第１系列金属ストリップ群と前記第２系列金属ストリップ群とは、前記金属ストリップの厚さ方向に近接配置され、かつ、一方の金属ストリップ群の金属ストリップは他方の金属ストリップ群の前記間隙を跨ぐように対向して配置されていることを特徴とする人工誘電体共振器。
2. 請求項１に記載の人工誘電体共振器において、
   前記第１系列金属ストリップ群は、８つの金属ストリップを含み、前記第２系列金属ストリップ群は、８つの金属ストリップを含むことを特徴とする人工誘電体共振器。
3. 平面内に２列の金属ストリップ群のみを含む人工誘電体共振器であって、
   前記２列の金属ストリップ群の一方が、薄板状の金属ストリップを８個長手方向に微小な間隙を設けて環状に配列してなる第１系列金属ストリップ群と、
   薄板状の金属ストリップを８個長手方向に微小な間隙を設けて環状に配列してなる第２系列金属ストリップ群と、を有し、
   前記２列の金属ストリップ群の他方が、薄板状の金属ストリップを８個長手方向に微小な間隙を設けて環状に配列して成るものであって、前記第１系列金属ストリップ群と同心状に金属ストリップの幅方向に近接配置される第３系列金属ストリップ群であって、前記第３系列金属ストリップ群の金属ストリップは前記第１系列金属ストリップ群の前記間隙を跨ぐように対向して配置された、第３系列金属ストリップ群と、
   薄板状の金属ストリップを８個長手方向に微小な間隙を設けて環状に配列して成るものであって、前記第２系列金属ストリップ群と同心状に金属ストリップの幅方向に近接配置される第４系列金属ストリップ群であって、前記第４系列金属ストリップ群の金属ストリップは前記第２系列金属ストリップ群の前記間隙を跨ぐように対向して配置された、第４系列金属ストリップ群と、を有し、
   前記第１系列金属ストリップ群と前記第２系列金属ストリップ群とは、前記金属ストリップの厚さ方向に近接配置され、かつ、一方の金属ストリップ群の金属ストリップは他方の金属ストリップ群の前記間隙を跨ぐように対向して配置され、
   前記第３系列金属ストリップ群と前記第４系列金属ストリップ群とは、前記金属ストリップの厚さ方向に近接配置され、かつ、一方の金属ストリップ群の金属ストリップは他方の金属ストリップ群の前記間隙を跨ぐように対向して配置されていることを特徴とする人工誘電体共振器。
4. 請求項３に記載の人工誘電体共振器を複数個と、
   ２個の入出力端子と、
   を具備し、
   隣接する前記人工誘電体共振器は互いに結合し、前記入出力端子はそれに隣接する前記人工誘電体共振器と結合していることを特徴とする人工誘電体フィルタ。
5. 請求項４に記載の人工誘電体フィルタにおいて、
   前記入出力端子の各々は、それに隣接する前記人工誘電体共振器の金属ストリップに直結されていることを特徴とする人工誘電体フィルタ。
6. 請求項１または２に記載の人工誘電体共振器を複数個具備し、
   隣接する前記人工誘電体共振器は互いに結合していることを特徴とする人工誘電体フィルタ。
7. 請求項４〜６のいずれか１項に記載の人工誘電体フィルタにおいて、
   複数個の前記人工誘電体共振器の相対的な位置が固定されて所定の段間結合度になるように、複数個の前記人工誘電体共振器が一体の積層基板に形成されていることを特徴とする人工誘電体フィルタ。
8. 請求項４〜７のいずれか１項に記載の人工誘電体フィルタにおいて、
   前記人工誘電体共振器は、基本モードをＴＥ０１δモードとして共振することを特徴とする人工誘電体フィルタ。

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