JPH05183308A

JPH05183308A - 誘電体フィルタ

Info

Publication number: JPH05183308A
Application number: JP3358291A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Konishi; 良弘小西
Original assignee: Uniden Corp
Current assignee: Uniden Corp
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1991-12-27
Publication date: 1993-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】小型で簡素な誘電体フィルタを得る。【構成】誘電体柱４１の周面医は外導体４４を形成
し、軸方向一端面には短絡導体４５を形成する。誘電体
柱４１には軸方向に貫通する単一の透孔４２を設ける。
透孔４２内には、スリット４６，４６により分離された
関係で第一、第二の内導体４３_-1，４３_-2を設ける。こ
れら第一、第二の内導体４３_-1，４３_-2の軸方向一端を
短絡導体４５に接続し、他端は開放端とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般にマイクロ波領域
等の高周波領域で使用される誘電体フィルタに関し、特
にその構造の簡素化や小型化を図るための改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】誘電体フィルタを構成するためには、基
本的な単位素子として、図１３にその基本形が示される
誘電体共振器１０がある。同図(A) は斜視図、同図(B)
は縦断面図であるが、説明すると、矩形横断面または円
形横断面等、適当なる断面形状（図示の場合は矩形断面
で例示）の誘電体柱１１に対し、その内部を一方向に貫
通する透孔１２を穿ち、当該透孔１２がその軸方向両端
で開口している一対の端面の一方（図中では上面）を残
し、他の面部分には銀等の適当なる導電性物質を例えば
メッキ、厚膜形成技術等、適当なる公知技術により付着
させる。これにより、誘電体柱の周面上には外導体１４
が形成され、透孔１２の内壁面には内導体（中心導体）
１３が形成されると共に、外導体１４と内導体１３のそ
れぞれの軸方向の一端相互が、図１３(A) では見えない
方の端面上に付着した短絡導体１５（図１３(B) 参照）
により、短絡される。なお、図中、こうした導電性物質
の付着部分には便宜的に鏡面記号を付し（見た目に粗面
に見えるようなものの場合にも）、誘電体柱１１の材料
が露出している部分（絶縁面部分）には細かなドット模
様を付すものとした。また、相対的に太い黒線で付した
部分が導体部分であり、これに対し、相対的に細い線で
示された部分は、そこには導体がないことを示してい
る。これらの点は添付全図面を通じての約束事とする。

【０００３】このような構造の誘電体共振器１０は、図
１３(B) に示される縦断面から理解されるように、内導
体１３の軸方向両端にあって導電面が形成されていない
方の一端部を第一の端子とし、外導体１４の同じ側の一
端部を第二の端子とした二端子素子と考えることがで
き、原理的には一端が短絡された同軸線路であるから、
その長さを使用周波数波長λ_g の１／４程度に選ぶと、
実質的にキャパシタとインダクタとの並列共振回路と等
価となる。このような誘電体共振器１０においてそもそ
も誘電体を用いるのは、使用周波数の自由空間波長に対
して誘電率ε_r の平方根分の一にまで、当該誘電体柱１
１の長さを低減するためである。したがって原則として
は、直列抵抗分等による損失を特に考えなければ、誘電
率の高い誘電体媒質、誘電体柱１１として好ましいと言
うことができる。通常は適当なるセラミックスが用いら
れ、そのため、誘電体柱１１はセラミックブロックと呼
ばれることもある。さらに、原理的には、内導体１３で
囲まれた透孔内にも第二の誘電体媒質が充填されても構
わないが、一般には成形で作るため、空気になってお
り、またそれで十分である。

【０００４】また、外導体１４と内導体１３とが短絡さ
れていない方の誘電体柱端面は、一般に開放面と呼ばれ
るが、これには導電性物質が全くにして付着してはいけ
ないと言うものではない。例えば図１３(C) に示されて
いるように、当該端面にも外導体１４と電気的に接続さ
れた状態で導電物質１４’が付着されてはいるが、これ
と内導体１３との間に十分な離間距離があり、両者間が
電気的に開放と認められるようになっていればそれで構
わない。後に述べる本発明の各実施例においても、開放
面には簡単のため、一切、導電性物質を付着させていな
いが、そうした各実施例における開放面と言う語も、こ
のような概念を含む語である。

【０００５】しかるに従来、図１３に示されるような単
位の誘電体共振器１０を用いてバンドパスフィルタを構
成しようとする場合には、前後段との結合は全てＣ（容
量）結合かＬ（誘導）結合にせざるを得ず、複数段のバ
ンドパスフィルタを構成する場合には、隣接する誘電体
共振器１０,・・・・・・の内導体の開放端間相互を、個別部
品であるコンデンサまたはインダクタでそれぞれ接続し
て行かねばならなかった。しかし、これでは極めて作業
性が悪く、スペースファクタも良くないため、従来から
も、少なくとも別部品としてのコンデンサ等は使用しな
いで多段の誘電体フィルタを構成するための工夫がなさ
れた。

【０００６】図１４(A) ，(B) はそれぞれ、基本的な二
段フィルタに即し、そうした従来の誘電体フィルタ２０
の構造例を示している。いずれの構造でも、まず、単一
の誘電体柱２１に対し、互いに平行で軸方向に抜ける一
対の透孔２２_-1，２２_-2が穿たれた上で、誘電体柱２１
の周面には外導体２４が、各透孔内壁には第一、第二の
内導体２３_-1，２３_-2が形成され、さらに、図中におい
て見えていない誘電体柱端面にも短絡導体が形成され
る。この短絡導体は、少し後に説明する図１５中にて符
号２５にて示されている。こうした共通の構造に対し、
図１４(A) に示されている従来例の場合には、一対の第
一、第二内導体２２_-1，２２_-2の間の部分に、軸方向に
掘られた穴２６が設けられ、図１４(B) に示される従来
例の場合には、横に亙るスリット２７が形成されてい
る。

【０００７】図１５は、図１４(A) ，(B) に示されてい
る誘電体フィルタ２０の断面構成をも示しているが、個
別に言えば、図１５(A) は偶モード励振時の電界分布
を、図１５(B) は奇モード励振時の電界分布を示してい
る。しかるに、図１４に示されている構造は対称構造で
あるので、偶モードの共振角周波数をω_re、奇モードの
共振角周波数をω_roとすると、第一、第二内導体２
３_-1，２３_-2間の結合係数ｋ₁₂は、ｋ₁₂＝２｜ω_re−ω_ro｜／（ω_re＋ω_ro）・・・・・・・・ (1) となる。そこで図１５(A) を見ると、磁気的壁２８の通
る孔２６またはスリット２７の近傍では、偶モード励振
時には第一、第二内導体２３_-1，２３_-2が同じ電位にな
るため、電界が生じないのに対し、図１５(B) に示され
ているように、奇モード励振時には電気的壁２９の通る
電界最大の所に孔２６ないしスリット２７があるので、
そこに生ずる反電場のため、内導体間の容量が減少し、
奇モード共振角周波数ω_roが相対的に高くなる。その結
果、上掲の (1)式において結合ｋ₁₂の値が零でなくな
り、つまりは結合が生ずる。そして、この結合度ｋ
₁₂は、孔２６やスリット２７の断面寸法や深さによって
調整することができる。したがって場合により、特に孔
２６とした場合には、図示のような盲孔ではなく、誘電
体柱２１を軸方向（図中の上下方向）に抜ける透孔とさ
れることもある。なお、他の従来例として、例えば米国
特許第４，８００，３４８号の第５図に示されているよ
うに、スリット２７を図示の場合とは直交する関係で一
対設けたもの、すなわち、誘電体柱２１の両側壁から誘
電体柱内部に向かって掘られた溝として設ける場合もあ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、隣接す
る一対の内導体間を結合させるための手段として、従来
は、幾何的な形状こそ、孔やスリット、ないしは溝とい
うように、様々に異なるものの提案があったが、それら
を共通に、結合用幾何構造と呼ぶと、如何なる従来例
も、結合させるべき隣接内導体間に、そうした結合用幾
何構造を設けるという点では共通しており、逆に、それ
以外の手法を開示するものは全くなかった。これは換言
すれば、従来の誘電体フィルタでは、そうした結合用幾
何構造のための寸法を必須とし、この寸法部分を省略す
ることは構造原理上、絶対にできないから、結局はそう
した結合用幾何構造の存在自体が小型化の限界を生んで
いたことになる。そしてもちろん、結合段数が増える
程、この欠点は大きくなる。さらに、従来の誘電体フィ
ルタでは、図１４(B) の構造例を借りて併示しているよ
うに、外部回路との間の接続には、入出力インピーダン
ス調整のため、どうしても結合コンデンサ３１，３２を
要する。ところが、一般にこうしたコンデンサ３１，３
２の容量値はサブピコオーダにあり、このようなオーダ
での精度は必ずしも良くはなく、製品として実用的な価
格に留めようとすると、±５０％程度の誤差をも覚悟せ
ねばならない実情にある。その結果、実際に用いたコン
デンサ３１，３２の値に応じ、共振器自体を再調整せね
ばならない大変な手間も生じ、生産性の悪化やコスト高
を招いていた。

【０００９】本発明はこのような現状に鑑み、従来のこ
の種の誘電体フィルタに比し、より小型化の図り得る構
造原理を持つ、新たなる誘電体フィルタの提供を主たる
目的としたものである。さらに、達成すると望ましい第
二の目的として、外部回路との接続に別途なコンデンサ
部品を必要とせず、再調整の要もない誘電体フィルタを
提供することもある。また、上位の概念で言えば誘電体
フィルタに属するが、誘電体フィルタの応用装置として
も捕らえ得るデバイスとして、合理的な構成の分波器
（合波器）の提供をも第三の目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、まず、上記
の主目的を達成するための知見として、従来には全く認
めることのできない、次のような卓抜した発想を得た。
すなわち、これまでに提案されているこの種の誘電体フ
ィルタは、既述した通り、結合させるべき一対の内導体
間には、具体的な三次元形状こそ、種々異なるにして
も、必ず結合用幾何構造を有しており、この点につき、
疑問が発せられることはなかった。換言すれば、内導体
を有する透孔の外側での構造についてのみ、種々の工夫
を施しているに過ぎなかったのである。これに対し、本
発明者は、そのような常識を打破し、内導体自体につ
き、何らかの改変を施すことにより、内導体を有する透
孔の外部に結合用幾何構造を求めなくても、完全に動作
する誘電体フィルタを構成し得ないかとの発想を持った
のである。もしこれが可能であれば、当然、従来は必須
であった、結合用幾何構造に対する寸法部分は不要とな
るから、誘電体フィルタとしての全体の寸法は大いに低
減できることになる。このような動機に基づき、鋭意研
究の結果、本発明者は、この種の分野において極めて画
期的と思える、次のような構成を提案するに至った。

【００１１】まず、最も基本的な二段フィルタを構成す
るにしても、誘電体柱には単一の透孔を開け、この透孔
内に、軸方向に亙り所定の周方向幅を有する一対のスリ
ットによって互いに分離された第一、第二の金属膜を設
け、それらをそれぞれ第一、第二の内導体とする。各内
導体は、誘電体柱の周面に形成された外導体と、誘電体
柱一端面に形成された短絡導体とにのみ、電気的に接触
し、誘電体柱の他端面側では開放とされる。第一、第二
の内導体により囲まれた透孔内には、誘電体柱とは異な
る第二の誘電体媒質として空気が充填されていれば良い
が、空気以外にも、誘電体柱を構成する第一の誘電体媒
質とは異なる第二の誘電体媒質が充填されていれば良
い。この構造は、容易に偶数段（すなわち、ｎを２以上
の整数とするなら２ｎ段）の誘電体フィルタに展開可能
である。つまり、上記の透孔とその中の第一、第二内導
体、及びそれらにより囲まれた透孔内に充填される第二
の誘電体媒質とを単位構造と定義した場合、当該単位構
造を誘電体柱の軸方向に直交する一方向に沿い、複数個
並設した構造も提案することができる。

【００１２】また、同じく本発明の主たる目的を達成す
るために、第一、第二の内導体をそれぞれ独立で互いに
平行な軸方向に伸びる第一、第二の透孔内に設ける構成
も提案する。この場合の第一、第二の内導体も、誘電体
柱の周面に形成された外導体と、誘電体柱一端面に形成
された短絡導体とにのみ、電気的に接触し、誘電体柱他
端面側では開放とされる。ただし、第一、第二の内導体
は、当該各透孔内にて軸方向に亙り所定の周方向寸法を
有するスリットにより、周方向には連続しない形状とす
る。これにより、従来は必須であった、第一、第二透孔
間における結合用の幾何構造は不要となる。こうした構
造の場合には、ｎを１以上の整数として、奇数、偶数に
かかわらず任意ｎ段の誘電体フィルタに展開することが
できる。すなわち、本願要旨構成中に規定されているよ
うに、誘電体柱にはそれぞれ軸方向に抜け、互いには軸
直角方向に並設関係にある複数の透孔を設け、それら複
数の透孔の各々の中にそれぞれ内導体を形成し、ただ
し、各内導体が、それぞれの透孔内において軸方向に沿
い所定の幅を有するスリットにより周方向には連続しな
い形状とする。

【００１３】さらに、本発明の上記第二の目的を達成す
るためには、第一、第二の内導体を有する第一、第二の
透孔内に、それぞれスリットにより分離された関係で第
一、第二の端子形成用内導体を設ける。ただし、第一の
内導体に対向して位置する第一の端子形成用内導体や、
第二の内導体に対向して位置する第二の端子形成用内導
体は、その軸方向両端において開放とされる。第一、第
二の透孔内に設けられた第一、第二の内導体が、第一、
第二の端子形成用内導体の隣接距離に比し、短い距離で
隣接するような幾何配置とすると、当該第一、第二端子
形成用内導体を外部回路との直接接続のための端子領域
として使用することができる。この構造をｎ段に一般化
して考える場合には、上記第一、第二の透孔は、それぞ
れ、当該ｎ段の最も外側に位置する一対の透孔に置き換
えて読み、第一、第二の端子形成用内導体は、そうした
両側一対の透孔内に形成されているものと読み替えれば
良い。もちろん、この場合は、当然ではあるが、第一、
第二端子形成用内導体同志の離間距離は、同一透孔内で
これらに対向する内導体と、当該各内導体に隣接の透孔
内に形成されている内導体との離間距離に比し、長くな
るので、既述した二段フィルタにおける基本条件はその
ままに満たされる。

【００１４】また、複数個の透孔群の内、隣接するどれ
か一対の透孔間に第三端子形成用の透孔を設け、この中
に第三の端子形成用内導体を形成すると共に、当該第三
端子形成用内導体はその両端において開放となるよう
に、誘電体柱の一端面に設けられている短絡導体に対
し、電気的に直接に接触することのないように図ると、
三端子分波器ないしは合波器を構成することができる。
可逆定理により、分波器は合波器と同義であるので、本
願要旨構成中や後述の実施例中では、専ら分波器なる名
称を採用する。

【００１５】

【実施例】図１には、本発明の最も基本的な実施例の一
つとして、二段の誘電体フィルタ４０を構成した場合が
示されている。図１(A) は斜視図であり、図１(B) は図
１中、Ｉ−Ｉ線に沿う断面図である。誘電体柱４１は、
この種の分野で常用されている適当なるセラミックス製
で良く、その周面には銀等の適当な金属を蒸着する等し
て外導体４４が形成され、また、図１(B) の断面図の方
に良く示されているように、軸方向（図中では上下方
向）の一端面には短絡導体４５が形成されている。換言
すれば、図１(A) 中で見えている上面のみが、既述の定
義による開放面となっている。

【００１６】誘電体柱４１には、軸方向に抜ける単一の
透孔４２のみが穿たれており、その内壁には、それぞれ
軸方向に沿って伸びる第一、第二の内導体４３_-1，４３
_-2が設けられている。これら第一、第二の内導体４
３_-1，４３_-2は、それぞれ短絡導体４５に対し、軸方向
の一端側で接触するが、他端は開放となっており、ま
た、互いには、それぞれ軸方向に伸び、周方向には所定
の幅のスリット４６，４６により分離されている。図示
の場合、透孔４２の平面形状ないし横断面形状は矩形と
なっているが（後述のように、これは限定的ではな
い）、このような形状においての上記の周方向とは、各
辺をたどる方向を言う。なお、第一、第二の内導体４３
_-1，４３_-2は、透孔４２の内壁の全面に金属を蒸着した
後、機械加工により、スリット４６とすべき部分の金属
材料を除去することによって形成されても良いし、始め
から当該スリット４６となるべき部分には金属が付着し
ないようにして形成されても良い。この点は、後述する
各実施例においての各スリット形成に関し、全く同様で
ある。

【００１７】いずれにしても本発明に従う一実施例とし
ての誘電体フィルタ４０は、このように極めて簡単な幾
何構造を有しており、第一、第二の内導体間に特別の結
合用幾何構造（図１４，１５中における既述の孔２６や
スリット２７等）を設けずとも、誘電体フィルタとして
機能する。換言すれば、従来は透孔の内壁にはその全面
に金属膜を設けて単一の内導体とし、これには一切、手
を付けないと言うのが常識であった所、本発明では透孔
内壁にてスリット４６，４６により分離された第一、第
二の内導体４３_-1，４３_-2を形成すると言う卓抜した発
想により、満足な誘電体フィルタ４０を得ることが可能
となったのである。

【００１８】これにつき説明するに、図１に示される構
造において、軸方向単位長における偶モード励振時のイ
ンピーダンスとキャパシタンスをそれぞれＬ_e ，Ｃ_e と
し、奇モード励振時のそれらをそれぞれＬo ，Ｃo とす
る。また、誘電体柱４１を構成している誘電体媒質の誘
電率をε_r1、透孔４２内に充填されている第二の誘電体
媒質のそれをε_r2とする。図示実施例の場合、当該第二
の誘電体媒質は一般に空気であって良いが、ここでは原
理的な説明から入るため、一応、任意媒質と考える。逆
に言えば、図１に示される実施例において、透孔４２内
には空気以外、他の誘電体媒質が充填されても良い。

【００１９】しかるに、もし、第一、第二の誘電体媒質
の誘電率ε_r1，ε_r2が共に等しい値であったとすると、
偶モード及び奇モードは共にＴＥＭモードとなる。そし
て、偶モード及び奇モードの単位長あたりの各インダク
タンスをＬ_e'，Ｌ_o'、各キャパシタンスをＣ_e'，Ｃ_o'と
すると、Ｌ_e'Ｃ_e'＝Ｌ_o'Ｃ_o' ・・・・・・・・ (2) が成立する。

【００２０】次に、ε_r1≠ε_r2の場合には、図１(B) 中
の断面寸法ａが波長に比して十分に小さければ、電界、
磁界の分布はそれぞれ静電界、静磁界の分布に近い準Ｔ
ＥＭモードになる。この場合にはインダクタンスは変わ
らず、偶モード及び奇モードに対するインダクタンスを
それぞれＬ_e ，Ｌ_o とすると、Ｌ_e ＝Ｌ_e'；Ｌ_o ＝Ｌ_o' ・・・・・・・・ (3) となる。

【００２１】さらに、偶モード励振時のキャパシタンス
Ｃ_e を考えるに、電界分布は磁気的壁４８を考慮に入
れ、図２(A) 中に矢印群で示すようになるため、電界成
分は第一の誘電体媒質４１中にのみあり、第二の誘電体
媒質４２中にはない。したがって図２(B) の等価回路に
示されるように、Ｃ_e ＝Ｃ_e' ・・・・・・・・ (4) となる。

【００２２】これに対し、奇モード励振時には、図２
(C) 中の矢印群にて示されるような電界分布となるの
で、Ｃ_o,ε₂ を、内導体と電気的壁４９間の第二誘電体
媒質中を通る電界に基づく容量、Ｃ_o ',ε₁ を、内導体
と接地（外導体）間の第一誘電体媒質中を通る電界に基
づく容量、Ｃ_o'',ε₁ を、内導体と電気的壁４９の間の
第一誘電体媒質中を通る電界に基づく容量として、図２
(D) に示されるような等価回路となる。そのため、Ｃ_o ＝Ｃ_o,ε₂ ＋Ｃ_o ',ε₁ ＋Ｃ_o'',ε₁ ・・・・・・・・ (5) となる。したがって、第一、第二の誘電体媒質の誘電率
が共に同じ値であるならば、上記 (5)式は当然、Ｃ_o ＝Ｃ_o'＝Ｃ_o,ε₁ ＋Ｃ_o ',ε₁ ＋Ｃ_o'',ε₁ ・・・・・・・・ (6) となる。

【００２３】そこで、上記両キャパシタンスの比を採る
と、Ｃ_o ／Ｃ_o'＝１−（Ｃ_o,ε₁ −Ｃ_o,ε₂ ）／Ｃ_o' ＝１−（Ｃ_o,ε₁ ／Ｃ_o'）｛１−（ε_r2／ε_r1）｝・・・・ (7) となる。これに対し、 ε_r1＞＞ε_r2 ・・・・・・・・ (8) であるならば、Ｃ_o ／Ｃ_o'＝１−（Ｃ_o,ε₁ ／Ｃ_o'）・・・・・・・・ (9) となる。

【００２４】今、図１，図２に示されている誘電体フィ
ルタ４０の偶モード及び奇モードの位相定数をそれぞれ
β_e ，β_o とし、空気として示されている透孔内第二誘
電体媒質を仮に誘電体柱材料に置き換えた場合の位相定
数をそれぞれβ_e'，β_o'とすると、次式(10)，(11)，(1
2)が成立する。

【００２５】

【数１】

【００２６】

【数２】

【００２７】

【数３】

【００２８】しかるに、先掲の (3)，(4) 式から、 β_e ＝β_e' ・・・・・・・・ (13) として良いから、上記 (9)式を考慮して下式(14)が成立
する。

【００２９】

【数４】

【００３０】第一、第二の内導体４３_-1，４３_-2の一端
が接地されているので、当該内導体の長さをｌとする
と、偶モード及び奇モードは、それぞれ、 β_e ｌ＝π／２， β_o ｌ＝π／２・・・・・・・・ (15) で共振する。したがって、その共振周波数をそれぞれω
_e ，ω_o とすると、上記(11)，(12)式から下記の(16)式
が求められる。

【００３１】

【数５】

【００３２】そのため、両共振モードから、第一、第二
の内導体４３_-1，４３_-2に関する結合係数ｋは、先掲の
(1),(14),(16)式を利用し下式(17)のように求められ
る。

【００３３】

【数６】

【００３４】こうして、本発明による誘電体フィルタが
有意の結合を呈し得ることが明らかであるが、本発明者
の知見によれば、この種の誘電体フィルタに代表的な材
料を用いた場合、当該結合定数ｋは３％から６％程度の
ものを得ることができる。したがって、例えば９００Ｍ
Ｈｚ帯域にての使用を図った場合、２７ＭＨｚ程度の帯
域幅を得ることができ、これは実用に十分な値である。
もちろん、本発明により基本構造が提供された以上、設
計的に各部寸法を始め、各種パラメータを調整すれば、
任意の結合度を得ることができる。

【００３５】ただ、さらに狭帯域を図る場合の工夫とし
ては、先掲の(17)式において、Ｃ_o,ε₁ ／Ｃ_o' ＝Ｃ_o,ε₁ ／（Ｃ_o,ε₁ ＋Ｃ_o ',ε₁ ＋Ｃ_o'',ε₁ ）・・・・・・・・ (18) の項を小さくすれば良く、したがって、Ｃ_o,ε₁ ＜＜Ｃ_o ',ε₁ ＋Ｃ_o'',ε₁ ・・・・・・・・ (19) とすれば良い。

【００３６】そこで、この条件を構造的に満たす一例と
しては、図３に示されるような構造を挙げることができ
る。すなわち、透孔４２がダンベル型をしており、その
内壁に形成される金属膜を除去して第一、第二の内導体
４３_-1，４３_-2を形成するスリット４６，４６を、当該
ダンベル形状のくびれた部分とするのである。こうする
と、当該スリット４６の幅に相当する領域Ｓにて、内導
体４３_-1，４３_-2により強誘電体を挟んだコンデンサ構
造が形成されるため、(19)式中のＣ_o'',ε₁ がＣ_o,ε₁
に比して遥かに大きくなり、Ｃ_o,ε₁ ＜＜Ｃ_o'',ε₁ ・・・・・・・・ (20) なる条件が満たされて、ｋの値は十分に小さくなる。な
お、理解のため、図３中では各電界成分に関し、対応す
る容量記号を付している。また、説明をしていない他の
部分については、先に図１，２に即して説明した所を援
用することができる。この点は、後述の他の実施例にお
いても同様とする。換言すれば、各実施例においての特
徴的な改変部分につき、特に説明を施して行く。

【００３７】図４は、同様に狭帯域を持つに適当なる本
発明の他の実施例を示している。図４(A) に示される実
施例の場合も、図４(B) に示される実施例の場合も、こ
れまでの実施例とは異なり、第一、第二の内導体４
３_-1，４３_-2にそれぞれ専用の透孔４２_-1，４２_-2が設
けられている。しかし、この透孔内に設けられる第一、
第二の内導体４３_-1，４３_-2は、これまでの構造と同様
に、スリット４６の存在により、当該透孔内壁の周方向
にはぐるりと連続しておらず、当該スリット４６の所で
は誘電体柱の材質が露出している。図示の場合は、限定
的ではないが各透孔４２_-1，４２_-2は矩形断面を有して
おり、スリット４６はその一辺の部分が軸方向に沿って
連続する領域として構成されている。また、図４(A) に
示されている実施例と、図４(B) に示されている実施例
とで異なる所は、スリット４６の向きであるが、いずれ
の場合もその等価回路は図４(C) に示されるものとな
る。換言すれば、各々のスリット４６を他の向きとして
も、図４(C) の等価回路を満足することができ、ないし
は満足することができれば、そうした誘電体フィルタに
対しても、以降の説明はそのまま適用することができ
る。

【００３８】図４(A) ，(B) 中にも、各電界成分に関
し、対応する容量記号を付して理解を助けているが、こ
うした構造の誘電体フィルタ４０の場合には、図４(C)
の等価回路に示されるように、内導体から強誘電体の誘
電体柱４１による第一の誘電体媒質のみを通過して接地
に向かう電界に基づく容量Ｃ_o ',ε₁ と、一対の内導体
間で第一誘電体媒質のみを通過する電界に基づく容量Ｃ
_o'',ε₁ 、そして、一対の内導体間にあって第一、第二
の誘電体媒質を共に通過する電界に基づく各容量
Ｃ_o''', ε₁ とＣ_o,ε₂ との直列回路が存在する。

【００３９】しかるに、図１，図３に示す実施例構造も
含め、この図４に示されている実施例構造の場合にも、
仮に第二誘電体媒質の部分が第一誘電体媒質で満たされ
たとすると、偶モードも奇モードも共に完全なＴＥＭモ
ードになり、その位相定数も等しく、 β_e ＝β_o ＝β ・・・・・・・・ (21) となる。そして特に、偶モード励振時には第二の誘電体
媒質の所に電界は存在しないため、常に、 β_e ＝β ・・・・・・・・ (22) なる関係がほぼ満たされる。

【００４０】そして、電気長θがπ／２付近では、以上
のように第二誘電体媒質が第一誘電体媒質により満たさ
れているとしたならば、そうした構造の等価回路は、集
中定数による等価回路として表記すれば、図５の通りと
なる。すなわち、インダクタンスL₁とキャパシタンスC₁
による一対の並列共振回路がインダクタンスL₂とキャパ
シタンスC₂の並列共振回路で結合された格好になる。

【００４１】次に、透孔４２（４２_-1，４２_-2）の内部
が、例えば空気のような第二の誘電体媒質により満たさ
れ、 ε_r1＞＞ε_r2 ・・・・・・・・ (23) なる条件が成就すると、図５中のキャパシタンスC2の値
が減少する。その減少の割合は、図２(B) 中において
（ε_r1／ε_r2）Ｃ_o,ε₂ が単にＣ_o,ε₂ に置き換えられ
たものと考えれば良い。

【００４２】したがって、この場合には、図５中の並列
共振回路L₂，C₂はインダクティブになり、図６(A) に示
されているように、Ｍ結合（誘導性結合）となる。この
ときの偶モードの共振回路は、同図(B) に示されるよう
に、キャパシタンスC₁とインダクタンスL₁との並列共振
回路になり、また奇モードの共振回路は、図６(C) に示
されるように、そうしたキャパシタンスC₁とインダクタ
ンスL₁との並列共振回路に対し、さらにインダクタンス
Ｍ／２が並列に入った形となる。

【００４３】したがって、

【数７】において、

【数８】から結合係数ｋを求めることができる。

【００４４】ここで、ｋ＜＜１の場合には、（２L₁／Ｍ）＜＜１・・・・・・・・ (26) となるので、この(26)式を上掲の(24)，(25)式に代入す
ると、ｋ≒（L₁／Ｍ）・・・・・・・・ (27) となる。

【００４５】なお、参考までに述べるに、仮に、ε_r1＜
＜ε_r2であったとすると、図５に示されている等価回路
は図７(A) に示されているような容量性の結合となり、
キャパシタンスC₁とインダクタンスL₁とから成る一対の
並列共振回路間は容量Ｃで結合された場合に等価とな
る。同図(B) はこのときの偶モード等価回路、同図(C)
は奇モード等価回路であって、図６(C) に示されていた
インピーダンスＭ／２はキャパシタンス２Ｃに置き換え
られる。また、このときの結合係数ｋは、ｋ≒（Ｃ／C₁）・・・・・・・・ (28) となる。

【００４６】次に、例えば一方の内導体４３_-1に負荷抵
抗Ｗを接続したとき、他方の内導体４３_-2の負荷Ｑ値Ｑ
_L は、図８(A) の等価回路から求めることができる。こ
れは図５の等価回路の一方の内導体に関し、並列に負荷
Ｗを接続したものである。ここで、Ｑ_L ＞＞ωC₁Ｗ， ωＭ＞＞Ｗ・・・・・・・・ (29) の条件下では、図８(A) の等価回路は図８(B) のように
なり、これは同図(C) のように変換することができる。
そして、当該図８(C) 中の抵抗Ｇは、L₁’≒Ｍの下、Ｇ≒Ｗ／（ωＭ)² ・・・・・・・・ (30) と求めることができる。

【００４７】したがって、(27)式をこの(30)式に代入す
れば、Ｑ_L ≒ωC₁／Ｇ＝{(ωＭ)²ωC₁｝／Ｗ＝ωL₁／Ｗｋ² と求め得、また、ω_r は下式(32)で示すように、ω_r'に
ずれる。

【００４８】

【数９】

【００４９】以上、本発明の主たる目的を達成するため
の基本的な実施例につき、幾つか説明したが、次に、既
述した第二の目的、すなわち、従来のように外部回路と
の接続に必ず個別部品であるコンデンサを用いねばなら
ない欠点を除くための構造例につき説明する。

【００５０】図９に示されている実施例は、図４に示さ
れている実施例に即し、各専用の透孔４２_-1，４２_-2内
にその周方向には連続しない内導体４３_-1，４３_-2を設
けた上で、新たに各透孔内に、各内導体４３_-1，４３_-2
の周方向両エッジに対してスリット４７，４７を介し、
自身の周方向両エッジを接触させることなく対向させた
第一、第二の端子形成用内導体５１，５２を設けてい
る。図９(A) は開放面側から見たいわゆるトップビュ
ー、図９(B) はいわゆるボトムビューであるが、この実
施例の第一、第二端子形成用内導体５１，５２は、それ
ぞれ対向している第一、第二の内導体４３_-1．４３_-2と
同様、一端側で誘電体柱４１の一端面に備えられている
短絡導体４５に電気的に接触し、他端側が開放端となっ
ている。したがって、こうした構造の場合には、各端子
形成用内導体５１，５２の開放端側から直接に外部回路
への端子T₁，T₂を取り出すことができる。

【００５１】これに対し、図１０(A) ，(B) に示されて
いるように、同様に第一、第二端子形成用内導体５１，
５２を設けるのであるが、短絡導体４５の備えられてい
る端面側においてもそれら導体が当該短絡導体４５に電
気的に接触しないよう、当該端子形成用内導体５１，５
２の端部近傍において短絡導体４５の材料を除去した剥
離部５３を設けると、第一、第二端子形成用内導体５
１，５２の開放面側端部からそれぞれ外部回路への引出
端子T₁，T₂を取り出すことができる。

【００５２】図９、図１０のいずれの実施例構造の場合
も、従来のように、インピーダンス調整のためにコンデ
ンサを介して外部回路に接続する必要はなくなるので、
共振器周波数の再調整の要は、実際にもほとんどなくな
る。

【００５３】図１１は、基本的な上位の概念では誘電体
フィルタで４０ではあるが、応用装置の一種として機能
ごとに分類すると、いわゆる分波器６０を構成し得る実
施例を示している。図１０に示されている一対の透孔４
２_-1，４２_-2の間に、誘電体柱４１を軸方向に抜ける第
三の透孔６１をさらに形成し、この内壁に第三端子形成
用の内導体６２を設けると共に、その軸方向両端は開放
としたものである。したがって、短絡導体４５の備えら
れている端面には、剥離部６３で示されているように、
短絡導体材料の除去された部分がある。このようにする
と、第一、第二の端子形成用内導体５１，５２の開放面
側端部から第一、第二端子T₁，T₂を取り出すと共に、第
三端子形成用内導体６２の剥離部６３とは反対側の端部
から第三の端子T_Aを取り出すことで、中心周波数付近で
は図１１(C) に示されているような等価回路を得ること
ができる。なお、当該等価回路中、符号Ｎは理想変成器
を示している。

【００５４】したがって、第一の角周波数ω₁ の信号が
第一端子T₁から入出力し、第二の角周波数ω₂ の信号が
第二端子T₂から入出力する一方で、第三端子T_Aにはそれ
ら両信号を印加可能であるか、それら両信号を取り出す
ことの可能な分波器６０を構成することができる。従前
の分波器（合波器）構造に比すと、本発明に従って構成
された分波器６０は、極めて簡素であり、かつ調整のほ
とんど要らないことで格段に優れている。もちろん、こ
の種の分波器の代表的な応用例において、第三端子T
_Aは、一般に二周波以上の無線周波を取扱う形態機器の
アンテナに接続して使用することができ、第一端子T₁、
第二端子T₂のいずれか一方は送信回路に、他方は受信回
路に接続することができる。

【００５５】以上、本発明の各目的を達成する基本的な
実施例につき説明したが、図１から図３までの実施例
は、容易に任意の偶数段の誘電体フィルタに展開できる
ことは明らかである。例えば図１の構成において透孔の
数を二つに増やし、それらを並設した上で、図１に示さ
れている内導体構造をそれら両透孔に対してそれぞれ設
ければ、四段の誘電体フィルタが提供できる。同様にし
て、原理的には２以上の整数ｎに対し、２ｎ段の誘電体
フィルタ４０を提供可能である。さらに、図４に示され
る構造において、透孔の数を三つ以上に増やし、そのそ
れぞれに同様の内導体構造を形成すれば、２以上の任意
の整数ｎによるｎ段の誘電体フィルタ４０を提供するこ
とができる。特殊な場合、図１〜３に示される実施例の
構造と、図４に示される構造とを組合せることも可能で
ある。

【００５６】全く同様に、図９、図１０に示される実施
例においても、上記に従い、それらを多段構成に変更す
ることは、最早自明の範囲である。例えば、図９，１０
に示されている一対の透孔の間に、さらに本発明に従っ
て構成された内導体とスリット構成を有する透孔が複数
個、並設されていても良い。図１１に示される分波器の
場合にも、各透孔４２_-1，４２_-2と第三の透孔６１の間
に、それぞれ、本発明に従って構成された内導体とスリ
ット構成を有する透孔が複数個、並設されていても良
い。この場合、第一、第二端子形成用の内導体５１，５
２は、そうした並設構造の最も外側に位置することにな
る。もちろん、分波器構成は、図１，３に示された本発
明実施例に基づき、さらに複数個の透孔を持つ多段構成
にした構造とも組合せることが可能である。

【００５７】さらに、図１２に模式的に示されているよ
うに、誘電体柱４１の断面形状や、その中に各形成され
る各透孔４２_-1，４２_-2の横断面形状、さらに、各透孔
内に形成される各内導体４３_-1，４３_-2またはこれを周
方向に切り通すスリット４６の配置、形状等は、任意設
計的な問題である。そのことを模式的に示すため、図１
２(A) 中では、楕円形状の誘電体柱４１の中に、これも
それぞれ楕円形状の透孔４２_-1，４２_-2が穿たれてお
り、対して図１２(B) 中では、左右の透孔の横断面形
状、ひいては第一、第二内導体４３_-1，４３_-2の横断面
形状そのものが互いに異なっている。任意形状の透孔を
用いた結果、設計上での特性を求める式が少し複雑にな
ることはあっても、既述した本発明の原理に従う限り、
このような改変も任意に採用することができ、上述した
実施例群も、さらに互いに組合せることができる。

【００５８】

【発明の効果】本発明によると、この種の誘電体フィル
タ技術に対し、これまでにない新たなるフィルタ構築概
念を導入でき、実際に得られる効果としても、極めて大
きいものがある。例えば、従来のように、内導体の形成
される透孔の外の部分に結合用の幾何構造を必須とする
ようなことはなくなるから、それらに要していた寸法部
分は確実に縮めることができる。したがって、誘電体フ
ィルタとしての全体形状の小型化は大いに促進し、製造
上も、結合用幾何構造を設ける場合に比して劣ることは
なく、むしろ簡素化する。さらに、本発明の特定の態様
によれば、外部回路との接続に別途なコンデンサ部品を
必要とすることもなくなり、共振器周波数の再調整作業
も省略可能となるので、生産性は大いに向上し、結局は
製品価格の低廉化を招くことができる。また、分波器構
造を得るにも極めて小型で簡素なものとすることがで
き、昨今の各種携帯機器、それも二周波数以上を取扱う
携帯機器の普及に大いに寄与するものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従って構成された第一の実施例として
の誘電体フィルタの概略構成図である。

【図２】図１に示される実施例構造の動作に関する説明
図である。

【図３】本発明の第二の実施例の概略構成図である。

【図４】本発明のさらに他の実施例の概略構成図であ
る。

【図５】本発明誘電体フィルタに関し、第一、第二の誘
電体媒質が等しい場合に描ける集中定数等価回路図であ
る。

【図６】本発明誘電体フィルタに関し、第一誘電体媒質
の誘電率が第二誘電体媒質の誘電率よりも十分に大きい
ときに描くことのできる、Ｍ結合に関しての等価回路図
である。

【図７】本発明誘電体フィルタに関し、第二誘電体媒質
の誘電率が第一誘電体媒質の誘電率よりも十分に大きい
ときに描くことのできる、Ｃ結合に関しての等価回路図
である。

【図８】本発明誘電体フィルタにおいて一方の内導体に
負荷抵抗を接続した場合の他方の共振系の負荷Ｑ値に関
する考察を施すための等価回路図である。

【図９】本発明に従い、外部回路との接続に工夫の施さ
れた誘電体フィルタの一実施例の概略構成図である。

【図１０】本発明に従い、外部回路との接続に工夫の施
された誘電体フィルタの他の一実施例の概略構成図であ
る。

【図１１】本発明に従い、分波器として構成された一実
施例の概略構成図である。

【図１２】本発明の誘電体フィルタにおける誘電体柱形
状や透孔形状にかなりの設計自由度のあることを示す説
明図である。

【図１３】この種の誘電体フィルタを構成する上で要素
的な電気回路部品となる誘電体共振器の基本的構造例の
説明図である。

【図１４】従来提案されていた誘電体フィルタの基本的
構造例の概略構成図である。

【図１５】従来提案されていた誘電体フィルタの動作原
理の説明図である。

【符号の説明】

４０全体としての本発明誘電体フィルタ，４１誘電体柱，４２透孔，４２_-1 第一透孔，４２_-2 第二透孔，４３_-1 第一内導体，４３_-2 第二内導体，４４外導体，４５短絡導体，４６スリット，４７スリット，４８磁気的壁，４９電気的壁，５１第一端子形成用内導体，５２第二端子形成用内導体，５３剥離部，６１第三の端子形成用の透孔，６２第三端子形成用内導体，６３剥離部， T₁ 第一の端子， T₂ 第二の端子， T_A 第三の端子．

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第一の誘電体媒質から成り、周面に外導
体が形成された誘電体柱と；該誘電体柱の内部を軸方向
に抜ける透孔と；該透孔の内壁面にそれぞれ設けられ、
該透孔の軸方向に亙り周方向に所定の幅を有する一対の
スリットにより互いには分離された第一、第二の内導体
と；該第一、第二の内導体の上記軸方向に沿う一端部を
上記外導体の一端部に接続するため、上記誘電体柱の一
端面に形成された短絡導体と；上記第一、第二の内導体
により囲まれた透孔内に充填され、上記第一の誘電体媒
質とは異なる第二の誘電体媒質と；を有して成る誘電体
フィルタ。
【請求項２】請求項１記載の誘電体フィルタであっ
て；上記第二の誘電体媒質は空気であること；を特徴と
する誘電体フィルタ。
【請求項３】請求項１または２記載の誘電体フィルタ
であって；上記透孔と上記第一、第二の内導体、及び該
第一、第二の内導体により囲まれた透孔内に充填された
第二誘電体媒質を単位構造とし；該単位構造が誘電体柱
の軸方向に直交する一方向に沿い、ｎを２以上の整数と
して複数ｎ個、並設されていること；を特徴とする誘電
体フィルタ。
【請求項４】請求項３記載の誘電体フィルタであっ
て；上記複数個の透孔群の内、隣接するどれか一対の透
孔間に第三端子形成用の透孔を設け；該第三端子形成用
透孔内に第三の端子形成用内導体を形成すると共に；該
第三端子形成用内導体はその軸方向両端において開放と
したこと；を特徴とする、三端子分波器として利用可能
な誘電体フィルタ。
【請求項５】請求項１，２，３または４記載の誘電体
フィルタであって；上記透孔の平面形状はダンベル型を
しており；該ダンベル形状のくびれた部分を形成してい
る一対の透孔内壁部分が、上記一対のスリットとなって
いること；を特徴とする誘電体フィルタ。
【請求項６】第一の誘電体媒質から成り、周面に外導
体が形成された誘電体柱と；該誘電体柱の内部をそれぞ
れ軸方向に抜け、互いには平行な関係にある複数個の透
孔と；該各透孔内に設けられ、上記軸方向に沿い所定の
幅のスリットにより周方向には連続しない内導体と；上
記各内導体の上記軸方向に沿う一端部をそれぞれ上記外
導体の一端部に接続するため、上記誘電体柱の一端面に
形成された短絡導体と；上記各透孔内に充填され、上記
第一の誘電体媒質とは異なる第二の誘電体媒質と；を有
する誘電体フィルタ。
【請求項７】請求項６記載の誘電体フィルタであっ
て；上記第二の誘電体媒質は空気であること；を特徴と
する誘電体フィルタ。
【請求項８】請求項６または７記載の誘電体フィルタ
であって；上記複数の透孔の中、それらの並設方向で最
も外側に位置する一対の透孔内には、それら各透孔内に
形成されているそれぞれの内導体に対し、軸方向に亙り
所定の幅を有するスリットにより分離された関係で第
一、第二の端子形成用内導体を設け；該第一、第二端子
形成用内導体は、それぞれその軸方向両端において開放
とすると共に；該第一、第二端子形成用内導体にそれぞ
れ対向する内導体と、隣接の透孔に形成されている内導
体との離間距離が、該第一、第二端子形成用内導体の離
間距離よりも短くなっていること；を特徴とする誘電体
フィルタ。
【請求項９】請求項６，７または８記載の誘電体フィ
ルタであって；上記複数個の透孔群の内、隣接するどれ
か一対の透孔間に第三端子形成用の透孔を設け；該第三
端子形成用透孔内に第三の端子形成用内導体を形成する
と共に；該第三端子形成用内導体はその軸方向両端にお
いて開放としたこと；を特徴とする、三端子分波器とし
て利用可能な誘電体フィルタ。