JPWO2017122441A1 - 誘電体導波管共振器の結合窓およびそれを用いた誘電体導波管フィルタ - Google Patents

Abstract

誘電体導波管共振器の結合窓（４０）は、立方体形状の誘電体の外装を導体膜で被覆された、共振モードがＴＥモードの誘電体導波管共振器（１０，２０）どうしを結合する。この誘電体導波管共振器の結合窓（４０）は、Ｅ面に対して並行な第１の直線部と、第１の直線部の一端または両端から第１の直線部と直交する方向に延出する第２の直線部と、第２の直線部の端から第１の直線部と並行な方向に延出する第３の直線部で構成される。

Description

本発明は、直方体形状の誘電体ブロックの周囲を導体膜で被覆した誘電体導波管共振器どうしを結合するための結合窓およびそれを用いた誘電体導波管フィルタに関する。

誘電体導波管フィルタ等では、複数の誘電体導波管共振器を結合して用いている。

直方体形状の誘電体の周囲を導体膜で被覆したＴＥモードの誘電体導波管共振器どうしを結合する場合、誘電体導波管共振器の対峙する側面に、誘電体が露出する結合窓を設けて誘電体導波管共振器どうしを結合する。以降、結合窓の電界Ｅ方向の長さを結合窓の高さ、電界Ｅ方向と直交する方向、すなわち、磁界Ｈ方向の長さを窓の幅と呼ぶ。

結合窓は、窓の幅に対する窓の高さを大きくすると概ね誘導性結合となり、窓の幅に対する窓の高さを小さくすると概ね容量性結合となる。

図１１は、誘電体導波管共振器どうしを従来の結合窓で結合した場合を示す分解透視斜視図である。外形が幅Ａ、長さＬ、高さＨの直方体形状で、共振モードがＴＥ１０１の誘電体導波管共振器１、２が、長さＬ方向に並べられ、接続面３の中央に設けられた、高さｈ、幅ｗの容量性の結合窓４で結合されている。

図１１において、誘電体導波管共振器１、２を、幅Ａ＝３．４［ｍｍ］、長さＬ＝３．８［ｍｍ］、高さＨ＝１．５［ｍｍ］とした場合の結合係数ｋの変化を電磁界シミュレーションした結果を、図１２と図１３に示す。

図１２は、結合窓の高さｈ＝０．１［ｍｍ］とし、結合窓の幅ｗを変化させた場合の結合係数ｋの変化を示すグラフである。図１２において、縦軸は結合係数ｋ、横軸は結合窓の高さｗ［ｍｍ］を示す。

図１３は、結合窓の幅ｗ＝３．４［ｍｍ］とし、結合窓の高さｈを変化させた場合の結合係数ｋの変化を示すグラフである。図１３において、縦軸は結合係数ｋ、横軸は結合窓の幅ｈ［ｍｍ］を示す。

図１２と図１３の結果から、結合窓の結合係数を小さくするには、結合窓の高さを小さくするか、結合窓の幅を広くすればよいことが分かる。

特開２０１２−１９１４７４号公報

図１２と図１３において、結合係数ｋはおおよそ０．１〜０．１５の範囲である。しかし、この値は、一般的な誘電体導波管フィルタを設計するには大きすぎる。そのため、結合窓の幅を広くするか、結合窓の高さを低くして、結合係数を小さくする必要がある。

しかし、結合窓の幅は、共振器の幅までしか広げることができず、結合窓の高さは、低くするほど耐電力特性が劣化したり、加工に過大な精度が必要になったりするという問題が生じる。

上記した問題を解決する方法として、特許文献１に記載されているように、誘電率の高い誘電体板を接続する側面に挟む方法が考案されている。しかし、この方法は誘電体板による損失が増えてしまうという問題が生じる。

このように、従来の誘電体導波管共振器の結合窓では、耐電力特性が高く、結合係数が小さな容量性結合を得ることが困難であった。

本発明の目的は、耐電力特性が高く、小さな結合係数で容量性結合させる誘電体導波管共振器の結合窓、およびそれを備える誘電体導波管フィルタを得ることにある。

本発明の誘電体導波管共振器の結合窓は、立方体形状の誘電体の外装を導体膜で被覆された、共振モードがＴＥモードの誘電体導波管共振器の間を、前記誘電体が露出する結合窓で結合する誘電体導波管共振器の結合窓であって、前記結合窓は、Ｈ面に対して並行な第１の直線部と、前記第１の直線部の一端または両端から前記第１の直線部と直交する方向に延出する前記第２の直線部と、前記第２の直線部の端から前記第１の直線部と並行な方向に延出する第３の直線部からなることを特徴とする。

本発明によれば、耐電力特性が高く、結合係数の小さな、容量性結合を得ることができる誘電体導波管共振器の結合窓を提供することができる。

また本発明の誘電体導波管共振器の結合窓を、飛び越し結合を用いた誘電体誘電体フィルタに用いることにより、耐電力特性が高い誘電体導波管フィルタを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る誘電体導波管共振器の結合窓を説明するための分解透視斜視図である。 図１に示した誘電体導波管共振器の結合窓の平面図である。 図１に示した誘電体導波管共振器の電磁界シミュレーション結果である。 本発明の第２実施形態に係る誘電体導波管共振器の結合窓の平面図である。 図４に示した誘電体導波管共振器の電磁界シミュレーション結果である。 本発明の第３実施形態に係る誘電体導波管共振器の結合窓の平面図である。 図６に示した誘電体導波管共振器の電磁界シミュレーション結果である。 本発明の第４実施形態に係る誘電体導波管フィルタの分解斜透視視図である。 図８に示した誘電体導波管フィルタの模式等価回路図である。 図８に示した誘電体導波管フィルタの電磁界シミュレーション結果である。 従来の誘電体導波管共振器の結合窓の分解斜視図である。 図１１の誘電体導波管共振器の電磁界シミュレーション結果である。 図１１の誘電体導波管共振器の電磁界シミュレーション結果である。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る誘電体導波管共振器の結合窓を説明するための分解透視斜視図であり、図２は、その結合窓を詳しく説明するための平面図である。

図１と図２に示すように、外形が幅Ａ、長さＬ、高さＨの直方体形状で、共振モードがＴＥ１０１の誘電体導波管共振器１０、２０が、長さＬ方向に並べられ、誘電体導波管共振器１０、２０の間の接続面３０に略Ｓ字形状の結合窓４０が設けられている。

結合窓４０は、
Ｈ面に並行な第１の直線部４０ａと、
第１の直線部の両端からＥ面方向に並行かつ互いに逆方向に延出する第２の直線部４０ｂと、
第２の直線部４０ｂのそれぞれの先端からＨ面に並行かつ対峙する方向に延出する第３の直線部４０ｃとからなる。

第１の直線部４０ａの長さ（図１中に示す磁界Ｈ方向の長さ）はＬ４０ａ、
第２の直線部４０ｂの長さ（図１中に示す電界Ｅ方向の長さ）はＬ４０ｂ、
第３の直線部４０ｃの長さ（図１中に示す磁界Ｈ方向の長さ）はＬ４０ｃ、であり、
第１〜第３の直線部４０ａ、４０ｂ、４０ｃの幅は、ｗ４０である。

図３は、図１に示した誘電体導波管共振器において、
結合窓４０の第３の直線部Ｌ４０ｃの長さを調節することにより、結合窓４０の全長Ｌ４０（＝Ｌ４０ａ＋Ｌ４０ｂ×２＋Ｌ４０ｃ×２）を変化させた場合の結合係数ｋを電磁界シミュレーションした結果を示すグラフである。

誘電体導波管共振器１０、２０は、図１１と図１２に示した、従来例の誘電体導波管共振器の接続窓のシミュレーションの場合と同様であり、幅Ａ＝３．４［ｍｍ］、長さＬ＝３．８［ｍｍ］、高さＨ＝１．５［ｍｍ］である。結合窓４０は、Ｌ４０ａ＝２．８［ｍｍ］、Ｌ４０ｂ＝１．２［ｍｍ］、ｗ４０＝０．３［ｍｍ］である。図２において、縦軸は結合係数ｋ、横軸は全長Ｌ４０［ｍｍ］を示す。

図３の結果から、第１実施形態の誘電体導波管共振器の結合窓は、結合窓の幅ｗ４０が０．３［ｍｍ］にもかかわらず、結合係数を略０．０３３まで小さくできることが分かる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、結合窓の第１の直線部４０ａの両端を延出したが、一端だけを延出する形状であってもよい。

図４は、第２実施形態に係る誘電体導波管共振器の結合窓を詳しく説明するための平面図である。結合窓４１以外の構成は、図１と同一構成であるため、詳しい説明は省略する。

誘電体導波管共振器１０、２０の間の接続面３０に、図４に示す略Ｊ字形状の結合窓４１が設けられている。

結合窓４１は、
Ｈ面に並行な第１の直線部４１ａと、
第１の直線部の一端からＥ面方向に並行に延出する第２の直線部４１ｂと、
第２の直線部４１ｂの先端からＨ面に並行かつ第１の直線部４１ａと同じ方向に延出する第３の直線部４１ｃとからなる。

第１の直線部４１ａの長さはＬ４１ａ、
第２の直線部４１ｂの長さはＬ４１ｂ、
第３の直線部４１ｃの長さはＬ４１ｃ、であり、
第１〜第３の直線部４１ａ、４１ｂ、４１ｃの幅は、ｗ４１である。

図５は、図４に示した誘電体導波管共振器において、
結合窓４１の第３の直線部Ｌ４１ｃの長さを調節することにより、結合窓４１の全長Ｌ４１（＝Ｌ４１ａ＋Ｌ４１ｂ＋Ｌ４１ｃ）を変化させた場合の結合係数ｋを電磁界シミュレーションした結果を示すグラフである。

誘電体導波管共振器１０、２０は、図１に示した第１実施形態の誘電体導波管共振器の電磁界シミュレーションの場合と同様である。結合窓４１は、Ｌ４１ａ＝１．５［ｍｍ］、Ｌ４１ｂ＝０．４６［ｍｍ］、ｗ４１＝０．３［ｍｍ］である。図５において、縦軸は結合係数ｋ、横軸は全長Ｌ４１［ｍｍ］を示す。

図５の結果から、第２実施形態の誘電体導波管共振器の結合窓は、結合窓の幅ｗ４１が０．３［ｍｍ］にもかかわらず、結合係数を略０．０３５まで小さくできることが分かる。

（第３実施形態）
第１実施形態では、結合窓の第１の直線部４０ａの両端を夫々逆方向に延出したが、同じ側に延出してもよい。

図６は、第３実施形態に係る誘電体導波管共振器の結合窓を詳しく説明するための平面図である。結合窓４２以外の構成は、図１と同一構成であるため、詳しい説明は省略する。

誘電体導波管共振器１０、２０の間の接続面３０に、図６に示す略Ｃ字形状の結合窓４２が設けられている。

結合窓４２は、
Ｈ面に並行な第１の直線部４２ａと、
第１の直線部の両端からＥ面方向に並行かつ互いに同じ方向に延出する第２の直線部４２ｂと、
第２の直線部４２ｂのそれぞれの先端からＨ面に並行かつ互いに対峙する方向に延出する第３の直線部４２ｃとからなる。

第１の直線部４２ａの長さはＬ４２ａ、
第２の直線部４２ｂの長さはＬ４２ｂ、
第３の直線部４２ｃの長さはＬ４２ｃ、
第１〜第３の直線部４２ａ、４２ｂ、４２ｃの幅は、ｗ４２である。

図７は、図６に示した誘電体導波管共振器において、
結合窓４２の第３の直線部Ｌ４２ｃの長さを調節することにより、結合窓４２の全長Ｌ４２（＝Ｌ４２ａ＋Ｌ４２ｂ×２＋Ｌ４２ｃ×２）を変化させた場合の結合係数ｋを電磁界シミュレーションした結果を示すグラフである。

誘電体導波管共振器１０、２０は、図２に示した第１実施形態の誘電体導波管共振器の電磁界シミュレーションの場合と同様である。結合窓４２は、Ｌ４２ａ＝１．６［ｍｍ］、Ｌ４２ｂ＝０．６５［ｍｍ］、ｗ４２＝０．３［ｍｍ］である。図７において、縦軸は結合係数ｋ、横軸は全長Ｌ４２［ｍｍ］を示す。

図７の結果から、第３実施形態の誘電体導波管共振器の結合窓では、結合窓の幅ｗ４２が０．３［ｍｍ］にもかかわらず、結合係数を略０．０４０まで小さくできることが分かる。

なお、第１実施形態では、第１の直線部４０ａが、接続面の高さ方向の中央に配置されているが、第２実施形態と第３実施形態では、第１の直線部４１ａ，４２ａが、接続面の高さ方向の中央からオフセットされて配置されている。このように、結合窓の位置がＥ面方向の中心からずれると、結合係数が小さくなるという効果が得られる。

なお、結合窓の全長が長いと、不要な共振が生じてフィルタの高調波に影響が出やすいため、なるべく短い方が良い。したがって、第１実施形態より第２実施形態の方が望ましく、第２実施形態より第３実施形態の方がより望ましい。

（第４実施形態）
図８は、第３実施形態の誘電体導波管共振器の結合構造を用いた誘電体導波管フィルタの一例を説明するための分解斜視図であり、図９はその模式等価回路図である。

図８と図９に示すように、誘電体導波管フィルタ１００は、２つの棒状の誘電体導波管共振器群１０１、１０２からなる。誘電体導波管共振器群１０１および誘電体導波管共振器群１０２は、それぞれ、アイリス５０で分割されて、誘電体導波管共振器１１、１２，１３および誘電体導波管共振器２１、２２、２３が構成されている。

誘電体導波管共振器群１０１と誘電体導波管共振器群１０２は、
誘電体導波管共振器１１と誘電体導波管共振器２１、
誘電体導波管共振器１２と誘電体導波管共振器２２、および、
誘電体導波管共振器１３と誘電体導波管共振器２３とが隣接するように配置される。

誘電体導波管共振器１２と誘電体導波管共振器２２との間には、結合窓４４が設けられ、
誘電体導波管共振器１３と誘電体導波管共振器２３との間には、第３実施形態のＣ字形状の結合窓４３が設けられている。

誘電体導波管フィルタ１００は、誘電体導波管共振器１１→１２→１３→２３→２２→２１を主経路、誘電体導波管共振器１２→２２を飛び越し結合とする、誘電体導波管フィルタであり、アイリス５０、結合窓４３は容量性の結合窓である。

図１０は、図８に示した、第４実施形態にかかわる誘電体導波管フィルタの電気特性を電磁界シミュレーションした結果を示すグラフであり、実線は、Ｓ２１（インサーションロス）、点線は、Ｓ１１（リターンロス）を示し、横軸は周波数、縦軸は［ｄＢ］である。図１０の結果から、誘電体導波管フィルタ１００は減衰極が存在するので、結合窓４３は容量性の結合窓であることが分かる。

上記したように、結合窓の先端方向を接続面の中で、例えば、略Ｓ字形状、略Ｊ字形状、略Ｃ字形状に折り曲げた形状とすることにより、結合窓の全長を、共振器の幅より大きくすることができる。このとき、単なる直線形状の結合窓とするよりも、結合係数を大幅に小さくすることができる。その結果、誘電体導波管フィルタ等の設計に好適な結合係数を有する結合窓とすることができる。さらに、本発明の誘電体導波管共振器の結合窓は、耐電力特性が高いので、飛び越し結合を用いた誘電体導波管フィルタに好適である。

上記した実施形態は、上記の例示的な実施形態に限定されるものではない。当業者は変形および変更が可能である。本明細書中に明示的に記載されている又は示唆されているか否かに関わらず、当業者であれば、本明細書の開示内容に基づいて本発明の実施形態に種々の改変を加えて実施し得る。

１００ 誘電体導波管フィルタ
１０１、１０２ 誘電体導波管共振器群
１、２、１０、２０、１１、１２、１３、２１、２２、２３ 誘電体導波管共振器
３、３０ 接合面
４、４０、４１、４２、４３、４４ 結合窓
４０ａ，４１ａ，４２ａ 第１の直線部
４０ｂ，４１ｂ，４２ｂ 第２の直線部
４０ｃ，４１ｃ，４２ｃ 第３の直線部
５０ アイリス

図１２は、結合窓の高さｈ＝０．１［ｍｍ］とし、結合窓の幅ｗを変化させた場合の結合係数ｋの変化を示すグラフである。図１２において、縦軸は結合係数ｋ、横軸は結合窓の幅ｗ［ｍｍ］を示す。

図１３は、結合窓の幅ｗ＝３．４［ｍｍ］とし、結合窓の高さｈを変化させた場合の結合係数ｋの変化を示すグラフである。図１３において、縦軸は結合係数ｋ、横軸は結合窓の高さｈ［ｍｍ］を示す。

本発明の誘電体導波管共振器の結合窓は、直方体形状の誘電体と、当該誘電体の外装を被覆する導体膜とを有する、それぞれＴＥモードで共振する二つの誘電体導波管共振器間を結合させる結合窓であって、前記結合窓は、Ｈ面に対して並行な第１の直線部と、前記第１の直線部の一端または両端から前記第１の直線部と直交する方向に延出する前記第２の直線部と、前記第２の直線部の端から前記第１の直線部と並行な方向に延出する第３の直線部と、からなることを特徴とする。

結合窓４０は、
Ｈ面に並行な第１の直線部４０ａと、
第１の直線部４０ａの両端からＥ面方向に並行かつ互いに逆方向に延出する第２の直線部４０ｂと、
第２の直線部４０ｂのそれぞれの先端からＨ面に並行かつ対峙する方向に延出する第３の直線部４０ｃとからなる。

誘電体導波管共振器１０、２０は、図１１と図１２に示した、従来例の誘電体導波管共振器の結合窓のシミュレーションの場合と同様であり、幅Ａ＝３．４［ｍｍ］、長さＬ＝３．８［ｍｍ］、高さＨ＝１．５［ｍｍ］である。結合窓４０は、Ｌ４０ａ＝２．８［ｍｍ］、Ｌ４０ｂ＝１．２［ｍｍ］、ｗ４０＝０．３［ｍｍ］である。図３において、縦軸は結合係数ｋ、横軸は全長Ｌ４０［ｍｍ］を示す。

結合窓４１は、
Ｈ面に並行な第１の直線部４１ａと、
第１の直線部４１ａの一端からＥ面方向に並行に延出する第２の直線部４１ｂと、
第２の直線部４１ｂの先端からＨ面に並行かつ第１の直線部４１ａと同じ方向に延出する第３の直線部４１ｃとからなる。

結合窓４２は、
Ｈ面に並行な第１の直線部４２ａと、
第１の直線部４２ａの両端からＥ面方向に並行かつ互いに同じ方向に延出する第２の直線部４２ｂと、
第２の直線部４２ｂのそれぞれの先端からＨ面に並行かつ互いに対峙する方向に延出する第３の直線部４２ｃとからなる。

誘電体導波管フィルタ１００は、誘電体導波管共振器１１→１２→１３→２３→２２→２１を主経路、誘電体導波管共振器１２→２２を飛び越し結合とする、誘電体導波管フィルタであり、アイリス５０は誘導性の結合窓であり、結合窓４３は、容量性の結合窓である。

Claims (5)

1. 立方体形状の誘電体の外装を導体膜で被覆された、共振モードがＴＥモードの誘電体導波管共振器の間を、前記誘電体が露出する結合窓で結合する誘電体導波管共振器の結合窓であって、
   前記結合窓は、Ｈ面に対して並行な第１の直線部と、
   前記第１の直線部の一端または両端から前記第１の直線部と直交する方向に延出する第２の直線部と、
   前記第２の直線部の端から前記第１の直線部と並行な方向に延出する第３の直線部からなることを特徴とする誘電体導波管共振器の結合窓。
2. 前記結合窓は、略Ｊ字形状である、請求項１に記載の誘電体導波管結合窓。
3. 前記結合窓は、略Ｓ字形状である、請求項１に記載の誘電体導波管結合窓。
4. 前記結合窓は、略Ｃ字形状である、請求項１に記載の誘電体導波管結合窓。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の誘電体導波管共振器の結合窓を備える、誘電体導波管フィルタ。

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