JP6720742B2 - 誘電体導波管型共振部品およびその特性調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘電体導波管型共振部品に関し、特にマイクロ波帯やミリ波帯での使用に適した誘電体導波管型共振部品に関する。

携帯電話機などの移動通信機器に用いられる誘電体共振部品としては、図１に示すような誘電体ブロックを用い、外部に外導体を設け内部に内導体を設けたＴＥＭモードの誘電体共振部品がしばしば用いられる。

図１において、長さＬ、幅Ｗ及び高さＨの略六面体形状の誘電体ブロック９０１は、互いに対向する第１の面９０３及び第２の面９０５と、これら２つの面に連なる各方向毎の４つの側壁面９０７とを有する。誘電体ブロック９０１には、第１の面９０３から第２の面９０５にかけて内部を貫通する貫通孔９０７が形成されている。貫通孔９０７の内壁面９０９には内導体が付されており、第１の面９０３を除く誘電体ブロック９０１の外面（合計５面）には外導体が付されている。かくして、貫通孔９０７に対応して１／４波長型の共振部品９００が形成される。第１の面９０３には、内導体に接続された周波数調整電極９１１が形成されている。このような誘電体共振部品は、ブロックの比誘電率ε_ｒにおける１／４波長に対応したＬ寸法で、比較的簡単に共振周波数を設定でき、さらに、周波数調整電極９１１を削り取ることで共振周波数の微調整が可能となる。しかしながら、このような構造の誘電体共振部品において、高い無負荷Ｑ値を得るためは、開放端断面積（ＷｘＨ）を大きくする必要があるが、Ｌ寸法は誘電体材料の比誘電率ε_ｒと共振周波数で決まっているため、共振周波数が高い場合、Ｌ寸法が短くなり、形状がアンバランスになる問題があった。また、高次の共振モードの共振周波数が、利用しようとするＴＥＭモードの共振周波数に近接するため、無負荷Ｑ値を向上させるにも限界があった。

一方、導波管型の誘電体共振部品として、誘電体ブロックの外面に外導体を形成したものが知られている。図２は、ＴＥ１０１モードの誘電体導波管型共振部品９２０の模式的斜視図である。誘電体ブロック（ＷｘＨｘＬ）内の電界方向が矢印で示してあり、電界方向はＬ方向に平行で、電界強度はＷｘＨの中央部が最大となる。この共振部品９２０内部の波長λ_ｇは、λ_ｇ＝２ＷＨ／√（Ｗ^２＋Ｈ^２）となり、Ｗ、Ｈの寸法で共振周波数が定まる。このような誘電体導波管型共振部品９２０は、同じ比誘電率の材料を使用した場合、同じ共振周波数を有するＴＥＭモード誘電体共振部品に比べサイズが大きくなり、高い無負荷Ｑを得ることができる。しかしながら、共振周波数は、Ｗ、Ｈの寸法のみによって決まるため、誘電体ブロックの加工寸法を厳しく管理しなければならない。また、周波数毎に金型を準備する必要がありコスト上の問題があった。さらに、ＴＥＭモード誘電体共振部品９００のような、周波数調整電極がないため、共振周波数の微調整ができずに、歩留まりが低下する問題があった。

このような課題を解決するために、特許文献１において、ＷｘＨ面に電極のない窪みを設けて、同じ誘電体ブロック寸法でも様々な周波数を設定できるようにする方法が開示されている。特許文献１は、この文献の図３、図５に示されているように、誘電体ブロックに導電体膜の無い貫通孔、或いは窪みを設け、その形状、深さを設定することで共振周波数を変化させ、誘電体ブロックの外形が同じであっても、所望の共振周波数を得るものである。しかしながら、特許文献１において、穴径や窪みの形状は金型等で決められており、製造過程で若干の寸法ずれが発生した場合、あとから微調整をすることができない。そのため、製品の歩留まりを悪化させる問題がある。

特開平１０−９３３１１号公報

本発明の目的は、誘電体導波管型共振部品において、製造過程で誘電体ブロック、導体膜、導電板などの構成部品に若干の寸法ずれが発生しても、共振周波数を微調整することができ、製品歩留まりを向上させることにある。

本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
相互に結合された誘電体導波管型共振器を複数備える誘電体導波管型共振部品であって、
各誘電体導波管型共振器は、相互に反対側に位置する第１の面および第２の面と、該第１の面の外周縁と前記第２の面の外周縁との間に位置する複数の側壁面と、前記第１の面に設けられた凹部と、を有する誘電体ブロックを備え、
前記第１の面における相互に隣接する誘電体導波管型共振器の境界に設けられた追加の凹部と、
相互に隣接する誘電体導波管型共振器の境界にある側壁面に設けられた窪みと、
前記凹部及び前記追加の凹部を除く外面に形成された導体膜と、
少なくとも前記凹部の開口面及びその辺縁部並びに前記追加の凹部の開口面及びその辺縁部を覆い、複数の誘電体導波管型共振器に跨り、前記導体膜と電気的に接合された導電板と、
先端が前記凹部に空隙を保ちつつ挿入されるように前記導電板を貫通する特性調整ねじと、
先端が前記追加の凹部に空隙を保ちつつ挿入されるように前記導電板を貫通する追加の特性調整ねじと、
両端の誘電体導波管型共振器にそれぞれ設けられた一対の入出力電極と、
を更に備えることを特徴とする誘電体導波管型共振部品が提供される。

本発明によれば、製造過程で誘電体ブロック、導体膜、導電板などの構成部品に若干の寸法ずれが発生しても、特性調整ねじの挿入量を調整することにより、共振周波数を微調整することができ、従って、製品歩留まりが向上する。

従来例によるＴＥＭモードの誘電体共振部品を示す模式的斜視図である。 従来例によるＴＥ１０１モードの誘電体導波管型共振部品の模式的斜視図である。 本発明の第１の実施形態による誘電体導波管型共振部品を示す模式的斜視図である。 本発明の第１の実施形態による誘電体導波管型共振部品を示す模式的分解斜視図である。 本実施形態の第１の実施形態による誘電体導波管型共振部品における図３のＶ−Ｖ’及び本実施形態の第２の実施形態による誘電体導波管型共振部品における図６のＶ−Ｖ’断面部分図である。 本発明の第２の実施形態による誘電体導波管型共振部品である誘電体導波管フィルタを示す上面側の模式的斜視図である。 本発明の第２の実施形態による誘電体導波管型共振部品である誘電体導波管フィルタを示す底面側の模式的斜視図である。 本発明の第２の実施形態による誘電体導波管型共振部品である誘電体導波管フィルタを示す模式的分解斜視図である。 本実施形態の第２の実施形態による誘電体導波管型共振部品における図６のＩＸ−ＩＸ’断面部分図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

図３は本発明の第１の実施形態による誘電体導波管型共振部品を示す模式的斜視図である。図４は本発明の第１の実施形態による誘電体導波管型共振部品を示す模式的分解斜視図である。
誘電体導波管型共振部品１０１は、誘電体ブロック１０３と導電板１０５と特性調整ねじ１０７を有する。誘電体ブロック１０３の材質としては、たとえばＭｇ_２ＳｉＯ_４を主成分とするフォルステライト系セラミックであり比誘電率ε_ｒが１０程度の誘電体セラミックスを使用することができる。

誘電体ブロック１０３は、長さＬ、幅Ｗ及び高さＨの略直方体の基本形状を持つ。長さＬはたとえば約１０ｍｍであり、幅Ｗはたとえば約１８ｍｍであり、高さＨはたとえば約１９．５ｍｍである。誘電体ブロック１０３は、長さＬを隔てて互いに反対側に位置する第１の面１０９および第２の面１１１と、該第１の面１０９の外周縁と前記第２の面１１１の外周縁との間に位置する複数の側壁面１１３とを有する。

図４、図５に示すように、誘電体ブロック１０３には、第１の面１０９のほぼ中央部に凹部１１５が形成されている。凹部１１５の形状はたとえば直径が約４ｍｍ、深さが約３．５ｍｍの円柱状である。誘電体ブロック１０３の外面すなわち第１の面１０９、第２の面１１１及び側壁面１１３には凹部１１５を除き導体膜１１７が付されている。導体膜１１７の材質としては、たとえば銀が使用される。

導電板１０５は、誘電体ブロック１０３の第１の面１０９上に、例えば、半田などの接合部材により、電気的に接合している。導電板１０５の材質は誘電体ブロック１０３の材質と熱膨張係数の近いものが好ましく、たとえば鉄系の金属、特に表面を錫めっきした鉄などを用いることができる。導電板１０５は、誘電体ブロック１０３の凹部１１５に合わせてねじ孔１１９が設けてあり、これには雄ねじである特性調整ねじ１０７が螺合されている。導電板１０５の接合部材は、半田に限るものではなく、導電性の接着剤やロウでも良い。

特性調整ねじ１０７としては、たとえばφ３ｍｍのねじが用いられ、材料はたとえば導電性を有する鉄系であり、特に表面にクロメート処理したものや銀メッキ処理したものが用いられる。

図５に、本実施形態における図３のＶ−Ｖ’断面部分図を示す。特性調整ねじ１０７は、導電性を有する金属製であり、導電板１０５の裏側、すなわち誘電体ブロック１０３の第１の面１０９側に突出して螺合されており、凹部１１５に所定の空隙１２１を隔てて挿入されている。

かくして、本実施形態では、ＴＥ１０１モードの誘電体導波管型共振部品が構成される。
本実施形態において、導電性の特性調整ねじ１０７が、誘電体導波管型共振部品１０１の凹部１１５に挿入されたことによって、挿入部分が電界に摂動として作用し、共振周波数が下降する。また、特性調整ねじ１０７の挿入深さで摂動量が変化するため、挿入深さに対して共振周波数を細かく調整することができる。

ＴＥ１０１モード導波管型共振部品１０１の場合、電界の最も強い位置は第１の面１０９の中央部分であり、この位置に特性調整ねじ１０７を設定することで共振周波数をより広い範囲で調整することができる。

表１は、本実施形態における特性調整ねじ１０７の挿入深さと誘電体導波管型共振部品の共振周波数との関係を示したものである。ここで、ねじ挿入量とは、導電板から裏面に突出した部分を意味する。表1より、挿入量を多くすることで、共振周波数を下げることができ、１ｍｍから３ｍｍまで挿入量を変化させることで、４３ＭＨｚ共振周波数をさげることができる。そのため、サイズを大きくしなくても低い周波数の共振部品を提供することができる。

特性調整ねじは、固定用ナットを用いることで、導電板に固定することができる（図示せず）。固定用ナットは、予め特性調整ねじに螺入されており、特性調整後に特性調整ねじを導電板に固定するように締め付けられる。また、特性調整ねじ１０７は、そのねじ部を接合部材で固定することができる。接合部材としては、半田、エポキシ系接着剤、シリコーン系接着剤、嫌気性接着剤、熱硬化樹脂などがある。接合剤を用いることで、タッピンねじと導電板１０５との接合がより強固となり、さらにねじが緩みにくくなる。さらに、固定用ナットと接合部材を併用することもできる。

また、特性調整ねじ１０７としては、タッピンねじを使用することができる。この場合、導電板１０５には予めタッピンねじを挿入するに好適な下穴を開けておく。タッピンねじは自ら雌ねじを形成しながら螺入するため、導電板１０５には、雌ねじをあらかじめ形成する必要がない。また、雌ねじは徐々に押し広げられて形成されるため、最小の大きさとなり、雄ねじと雌ねじとの遊びが殆どなく所定の螺入位置で固定することができる。従って、固定用ナットを具備する必要がないため、部材を削減することができ、また、ねじ固定のための工数を削減することができる。

図６、図７は本発明の第２の実施の形態による誘電体導波管型共振部品を示す模式的斜視図である。図８は本発明の第２の実施の形態による誘電体導波管型共振部品を示す模式的分解斜視図である。本発明の第2の実施の形態による誘電体導波管型共振部品２０１は、おおまかにいうと第１の実施の形態による誘電体導波管型共振部品１０１で用いられている誘電体導波管型共振器と同様な３つの誘電体導波管型共振器２０１−１、２０１−２、２０１−３を結合したものであり、誘電体導波管型フィルタとして利用される。

誘電体ブロック２０３は、第１の実施形態と同じく長さＬを隔てて互いに反対側に位置する第１の面２０９および第２の面２１１と、該第１の面２０９の外周縁と前記第２の面２１１の外周縁との間に位置する複数の側壁面２１３とを有する。誘電体ブロック２０３は長さＬ、幅Ｗ及び高さＨの略直方体の基本形状を持つ。長さＬはたとえば約１０ｍｍであり、幅Ｗはたとえば約５９ｍｍであり、高さＨはたとえば約１９．５ｍｍである。

誘電体ブロック２０３の材質としては、たとえばＭｇ_２ＳｉＯ_４を主成分とするフォルステライト系セラミックであり比誘電率ε_ｒが１０程度の誘電体セラミックスを使用することができる。

誘電体ブロック２０３は、中に３個の共振器２０１−１、２０１−２、２０１−３を構成するように第１の面２０９から第２の面２１１にかけて側壁面２１３に形成された窪み２３１によって仕切られており、窪み２３１の大きさで共振器間の結合を調整することができる。窪み２３１の大きさは、たとえば幅３ｍｍ、深さ６．５ｍｍ、長さ１０ｍｍである。

誘電体ブロック２０３の第１の面２０９には、長手方向で見て、共振器２０１−１、２０１−２、２０１−３の各々の中央部に凹部２１５が、窪み２３１を形成している仕切り部の各々に追加の凹部２３３（合計で５つの凹部）が形成してある。誘電体ブロック２０３の凹部２１５及び追加の凹部２３３以外の外面には導体膜２１７が形成してある。凹部２１５を通過する断面Ｖ−Ｖ’を図５に示す。追加の凹部２３３を通過する断面ＩＶ−ＩＶ’を図９に示す。第２の面２１１には、一対の舌片状の入出力電極２３０が形成してあり、これらの入出力電極２３０は両端の共振器２０１−１、２０１−３と結合している。これらの入出力電極２３０は、外部回路（図示せず。）に接続されており、外部回路との間で信号のやり取りを行っている。

導電板２０５は、誘電体ブロック２０３の第１の面２０９の上面に電気的に接合しており、たとえば第１の面２０９の上面に半田で接合される。導電板２０５は、誘電体ブロック２０３の３つの凹部２１５及び２つの追加の凹部２３３にそれぞれ合わせて３つのねじ孔２１９及び２つのねじ孔２３５（合計で５つのねじ孔）が設けてある。ねじ孔２１９の各々には特性調整ねじ２０７が、ねじ孔２３５の各々には追加の特性調整ねじ２３７が（合計で５つの特性調整ねじが）螺合されている。かくして、本実施形態では、ＴＥ１０１モードの３段誘電体導波管型バンドパスフィルタが構成される。

特性調整ねじ２０７は、導電性を有する金属製であり、導電板２０５の裏側、すなわち誘電体ブロック２０３の第１の面２０９側に突出して螺合されており、凹部２１５に所定の空隙２２１を隔てて挿入されている。

同様に、追加の特性調整ねじ２３７は、導電性を有する金属製であり、導電板２０５の裏側、すなわち誘電体ブロック２０３の第１の面２０９側に突出して螺合されており、追加の凹部２３３に所定の空隙２２１を隔てて挿入されている。

長手方向で見て共振器２０１−１、２０１−２、２０１−３の中央部に位置する３つの特性調整ねじ２０７の挿入深さを調整することにより、共振周波数を調整することができ、窪み２３１の部分に位置する２つの追加の特性調整ねじ２３７の挿入深さを調整することにより共振器２０１−１、２０１−２、２０１−３相互間の結合を調整することができる。

本実施形態によれば、製造上若干の寸法バラツキがあっても、特性調整ねじ２０７で共振周波数を調整することができ、追加の特性調整ねじ２３７で共振器間結合を調整することができ、歩留まりの良い誘電体導波管型フィルタを提供できる。

特許文献１において、孔部に導体を挿入して、周波数調整、或いは結合量調整をすることは全く考慮されてなく、そのような構造も示唆されていない。あくまで、窪みの大きさや位置によって共振周波数を設定するものであり、また、特許文献１は、孔を空けることによって共振周波数が上昇するため、目的の周波数を得るためには、サイズを大きくしなければならない。一方、本実施形態によれば、特性調整ねじを挿入することで、周波数を下げることができ、共振部品サイズが小さくても所定の周波数を得ることができる。また、ねじ構造になっているため、特性の微調整が可能となる。

なお、共振器の個数は、３個に限るものではない。また、凹部の形状は、ねじが挿入可能な形状であればよく円筒形に限るものではない。

本発明は、高性能化が要請されている基地局用途などの移動体通信機器に好適に共振部品として適用することができる。

１０１ 誘電体導波管型共振部品
１０３ 誘電体ブロック
１０５ 導電板
１０７ 特性調整ねじ
１０９ 第１の面
１１１ 第２の面
１１３ 側壁面
１１５ 凹部
１１７ 導体膜
１１９ ねじ孔
１２１ 空隙
２０１ 誘電体導波管型共振部品（誘電体導波管型フィルタ）
２０１−１、２０１−２、２０１−３ 誘電体導波管型共振器
２０３ 誘電体ブロック
２０５ 導電板
２０７ 特性調整ねじ
２０９ 第１の面
２１１ 第２の面
２１３ 側壁面
２１５ 凹部
２１７ 導体膜
２１９、２３５ ねじ孔
２２１ 空隙
２３０ 入出力電極
２３１ 窪み
２３３ 追加の凹部
２３７ 追加の特性調整ねじ

Claims (5)

1. 相互に結合された誘電体導波管型共振器を複数備える誘電体導波管型共振部品であって、
   各誘電体導波管型共振器は、相互に反対側に位置する第１の面および第２の面と、該第１の面の外周縁と前記第２の面の外周縁との間に位置する複数の側壁面と、前記第１の面に設けられた凹部と、を有する誘電体ブロックを備え、
   前記第１の面における相互に隣接する誘電体導波管型共振器の境界に設けられた追加の凹部と、
   相互に隣接する誘電体導波管型共振器の境界にある側壁面に設けられた窪みと、
   前記凹部及び前記追加の凹部を除く外面に形成された導体膜と、
   少なくとも前記凹部の開口面及びその辺縁部並びに前記追加の凹部の開口面及びその辺縁部を覆い、複数の誘電体導波管型共振器に跨り、前記導体膜と電気的に接合された導電板と、
   先端が前記凹部に空隙を保ちつつ挿入されるように前記導電板を貫通する特性調整ねじと、
   先端が前記追加の凹部に空隙を保ちつつ挿入されるように前記導電板を貫通する追加の特性調整ねじと、
   両端の誘電体導波管型共振器にそれぞれ設けられた一対の入出力電極と、
   を更に備えることを特徴とする誘電体導波管型共振部品。
2. 前記特性調整ねじ及び前記追加の特性調整ねじの少なくとも１つは、挿入量が調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の誘電体導波管型共振部品。
3. 前記特性調整ねじ及び前記追加の特性調整ねじの少なくとも１つは、前記導電板に形成されたねじ穴に螺合する雄ねじであることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘電体導波管型共振部品。
4. 前記特性調整ねじ及び前記追加の特性調整ねじの少なくとも１つは、前記導電板に形成された下穴に適合される際に前記導電板への螺合がなされたタッピンねじであることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘電体導波管型共振部品。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の誘電体導波管型共振部品に対して、前記特性調整ねじ及び前記追加の特性調整ねじの挿入量の少なくとも１つで特性を調整することを特徴とする特性調整方法。

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