(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体ブロックと、前記誘電体ブロックの内部及び表面の少なくとも一方に配置された複数の線状導体とを備え、前記複数の線状導体が、共振時における電気力線に沿って配置されていることを特徴とする共振器。
【請求項２】
前記線状導体が金属ワイヤからなることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
【請求項３】
前記線状導体が超伝導物質からなることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
【請求項４】
前記誘電体ブロックが、それぞれ表面に前記線状導体が形成された複数の誘電体基板の積層体からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の共振器。
【請求項５】
前記誘電体基板が、樹脂からなることを特徴とする請求項４に記載の共振器。
【請求項６】
前記誘電体基板が、セラミックからなることを特徴とする請求項４に記載の共振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工誘電体及びこれを用いた共振器に関し、さらに詳細には、共振器への応用が好適な人工誘電体及びスプリアス特性の優れた共振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
共振器は、従来より発振器の周波数安定化、フィルタ、デュプレクサなど高周波回路の主要部品として広く用いられている。共振器のタイプとしては、金属の箱からなるタイプ、金属ストリップからなるタイプ、超伝導ストリップからなるタイプ、並びに、誘電体ブロックからなるタイプ等が知られており、その多くは実用化されている。これら各タイプの共振器の特徴を表１に示す。
【０００３】
【表１】
0003607886.tif 000002
表１に示すように、各タイプの共振器はそれぞれ異なる特徴を有しており、いずれのタイプの共振器を使用するかは、求められる特性に応じて選択されることが一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、表１に示すように、スプリアス特性についてはいずれのタイプの共振器も十分に優れた特性を得ることができないという問題があった。ここで「スプリアス」とは、目的とする共振周波数以外に発生する不要な共振を指す。共振器に大きなスプリアスが存在すると、発振器においては発振周波数の突然の跳躍という問題が生じ、フィルタ／デュプレクサにおいては選択（通過あるいは遮断）したい周波数帯域とは別の不要な帯域が形成されるという問題が生じる。
【０００５】
一方、スプリアス周波数が目的とする主周波数からある程度離れていれば、低域通過フィルタを併用する等によってこれを除去することが可能である。しかしながら、フィルタの併用等は回路全体の複雑化を招くことから、小形・軽量化や低コスト化が阻害されるとともに、信頼性の低下をもたらすおそれがある。
【０００６】
このため、従来より、スプリアス特性の優れた共振器の出現が望まれていた。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、スプリアス特性の優れた共振器を提供することである。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、共振器への応用が好適な人工誘電体を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明らは、誘電体材料の中に金属等の導電性材料を混入することによって形成される人工誘電体を用いて共振器を構成すれば、周波数の選択性が飛躍的に高まり、スプリアス周波数を目的とする主周波数から大幅に遠ざけることができるという技術的知見を得て、本発明の完成に至った。
【００１０】
ここで人工誘電体とは、誘電体材料中に金属ワイヤ等を混入した人工媒質であり、その概念は５０年以上前から知られている（ＢＳＴＪ  Ｖｏｌ．２７  ｐ５８−８２  Ｗ．Ｅ．Ｋｏｃｋ  ”Ｍｅｔｒｉｃ  Ｄｅｌａｙ  Ｌｅｎｓｅｓ”  １９４８）。このような人工誘電体に対して高周波電界を与えると、自由電荷が金属ワイヤに沿って動き、あたかも誘電体の分極の如く振舞う。すなわち、金属ワイヤに平行な方向の電界に対しては分極を生じ、逆に金属ワイヤに直交する方向の電界には実質的に反応しない。このことは、誘電体材料内における金属ワイヤの配置によって、人工誘電体の誘電率に極めて強い異方性を持たせることが可能であることを意味する。
【００１１】
本発明は、人工誘電体のこのような特性に着目し、これを共振器に用いることによって、誘電体ブロックを用いた従来の共振器のスプリアス特性を改善するものであり、誘電体ブロックと、前記誘電体ブロックの内部及び表面の少なくとも一方に配置された複数の線状導体とを備え、前記複数の線状導体が、共振時における電気力線に沿って配置されていることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明によれば、誘電体ブロックに配置された線状導体によって共振モードに選択性を持たせることが可能であることから、不要な共振の影響を低減し、スプリアスの少ない共振器を提供することが可能となる。
【００１４】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記線状導体が金属ワイヤからなる。
【００１５】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記線状導体が超伝導物質からなる。
【００１６】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記誘電体ブロックが、それぞれ表面に前記線状導体が形成された複数の誘電体基板の積層体からなる。
【００１７】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記誘電体基板が、樹脂からなる。
【００１８】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記誘電体基板が、セラミックからなる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施態様にかかる共振器の具体的な構成について説明する前に、まず、本発明の原理について説明する。
【００２５】
図１（ａ）、（ｂ）は、円板形の誘電体ブロックを用いた通常の共振器１０の構成を示す斜視図であり、それぞれ共振器１０のＴＥ０１δモード共振及びＥＨ０１δモード共振の電気力線が表されている。
【００２６】
いずれのモードでの共振においても、共振器１０を構成する誘電体材料は、図１（ａ）、（ｂ）に示す電気力線に沿って分極する。この場合、ＴＥ０１δモードの共振周波数とＥＨ０１δモードの共振周波数は比較的近接しているため、例えば、目的とする主周波数をＴＥ０１δモードの共振周波数とした場合、ＥＨ０１δモードの共振がスプリアスとなり、これによって周波数の選択性が低下してしまう。また、共振器１０を小型化するためには、セラミック等、比誘電率の高い材料によって誘電体ブロックをする必要があり、製造コストを増大させてしまう。
【００２７】
そこで、本発明では、図１（ａ）、（ｂ）に示す電気力線に沿って金属ワイヤを配置し、これによって対応する共振モードのみを強く励振させ、他の共振モードの共振周波数をはるか高周波側に遠ざけるとともに、当該共振モードにおける見かけ上の誘電率を高めている。例えば、図１に示した共振器１０において、ＴＥ０１δモードを強く励振させ、他の共振モードの共振周波数を高周波側に遠ざけるためには、誘電体ブロックの内部に、図１（ａ）に示す電気力線に沿った多数の金属ワイヤを配置すればよい。同様に、図１に示した共振器１０において、ＥＨ０１δモードを強く励振させるためには、誘電体ブロックの内部に、図１（ｂ）に示す電気力線に沿った多数の金属ワイヤを配置すればよい。
【００２８】
これにより、目的外の共振モードに起因するスプリアス周波数が目的とする主周波数から大きく遠ざられるので、周波数の選択性が飛躍的に高まるとともに、当該共振モードにおける見かけ上の誘電率が高まるので、比誘電率の低い安価な材料を用いて誘電体ブロックを構成することができる一方、比誘電率の高い材料を用いて誘電体ブロックを構成すれば、共振器全体のサイズを大幅に小型化することが可能となる。
【００２９】
以上が本発明による共振器の原理である。次に、本発明の好ましい実施態様にかかる共振器について詳細に説明する。
【００３０】
図２は、本発明の好ましい実施態様にかかる共振器２０の構成を示す斜視図である。
【００３１】
本実施態様にかかる共振器２０は、ＴＥ０１δモードの共振の選択性が高められた共振器であり、円板形の誘電体ブロックの内部及び表面に図１（ａ）に示した電気力線に沿った多数の金属ワイヤが配置されてなる。より詳細には、本実施態様にかかる共振器２０は、いずれも円板形である複数の誘電体基板２１と、これら誘電体基板２１の表面に図１（ａ）に示す電気力線に沿って配置された多数の金属ワイヤ２２からなり、これら誘電体基板２１が積層されて構成されている。
【００３２】
誘電体基板２１の材料としては特に制限されず、目的とする主周波数に基づいて適宜選択すればよい。しかしながら、本実施態様にかかる共振器２０においては、目的とする共振モード（ＴＥ０１δモード）にて発生する電気力線に沿って多数の金属ワイヤ２２が配置され、これによって当該方向における電界に対しては誘電体ブロックの見かけ上の誘電率が大幅に高まることから、ガラスエポキシ等、比誘電率の比較的低い材料を用いることが可能である。また、セラミック等の比誘電率の高い材料を用いて誘電体ブロックを構成すれば、共振器全体のサイズを従来に比べて大幅に小型化することができる。
【００３３】
また、周波数の選択性向上効果及び見かけ上の比誘電率の向上効果を高めるためには、金属ワイヤ２２の電気力線に沿った方向の長さが、これに直交する方向の長さよりも十分に長いことが好ましい。また、各金属ワイヤ２２間の距離についても、周波数の選択性向上効果及び見かけ上の比誘電率の向上効果を高めるためには、電気力線に沿った方向の間隔を、これに直交する方向の間隔よりも十分に狭くすることが好ましい。さらに、各金属ワイヤ２２間の電気力線に沿った方向の間隔とこれに直交する方向の間隔との比が同じである場合、金属ワイヤ２２の形成密度が高いほど周波数の選択性向上効果及び見かけ上の比誘電率の向上効果が高められる。
【００３４】
また、金属ワイヤ２２の材料としては特に限定されないが、損失の増大を抑制するためには、銅のように導電性が高い材料を用いることが好ましい。
【００３５】
次に、本実施態様にかかる共振器１０の製造方法について、誘電体基板２１としてガラスエポキシ等の樹脂材料を用いた場合の製造方法と、セラミック等の焼結材料を用いた場合の製造方法に分けて説明する。
【００３６】
誘電体基板２１として樹脂材料を用いる場合、まず、ガラスエポキシ等からなる主基板３１を用意し、図３に示すように、その表面に多数の金属ワイヤ２２からなるパターン２３を複数形成する。このようなパターン２３の形成方法としては特に限定されないが、主基板３１上の全面に銅箔等の金属箔を形成し、これをフォトリソグラフィー法によりエッチングすることに形成することが好ましい。
【００３７】
このようにして、パターン２３が形成された主基板３１を複数枚作製し、図４に示すように、これら主基板３１を積層し接着する。そして、図５に示すように、積層された主基板３１のうちパターン２３が形成されている部分を切断し、複数の共振器１０を取り出す。これにより、一度に複数の共振器１０を作製することができる。このような方法によれば、誘電体ブロックからなる一般的な共振器のように焼成工程が不要であることから、スプリアス特性の優れた共振器１０を非常に安価に作製することが可能となる。
【００３８】
一方、誘電体基板２１として焼結材料を用いる場合、まず、セラミックグリーンシート等からなる主基板３１を用意し、図３に示すように、その表面に多数の金属ワイヤ２２からなるパターン２３を複数形成する。このようなパターン２３の形成方法としては特に限定されないが、スクリーン印刷法等により主基板３１上に直接パターン２３を形成することが好ましい。
【００３９】
このようにして、パターン２３が形成された主基板３１を複数枚作製し、図４に示すように、これら主基板３１を積層する。そして、図５に示すように、積層された主基板３１のうちパターン２３が形成されている部分を切断し、その後、これを焼成することにより、複数の共振器１０を作製する。このような方法によれば、スプリアス特性に優れ、且つ、非常に小型である共振器１０を作製することができる。
【００４０】
次に、本発明の好ましい他の実施態様について説明する。
【００４１】
図６は、本発明の好ましい他の実施態様にかかる共振器４０の構成を示す斜視図である。
【００４２】
本実施態様にかかる共振器４０は、ＥＨ０１δモードの共振の選択性が高められた共振器であり、円板形の誘電体ブロックの内部に図１（ｂ）に示した電気力線に沿った多数の金属ワイヤが配置されてなる。より詳細には、本実施態様にかかる共振器４０は、いずれも円板形である複数の誘電体基板４１と、これら誘電体基板４１の表面に図１（ｂ）に示す電気力線に沿って配置された多数の金属ワイヤ４２からなり、これら誘電体基板４１が積層されて構成されている。
【００４３】
このような共振器４０においても、目的とする共振モード（ＥＨ０１δモード）における周波数の選択性が飛躍的に高まるとともに、電気力線に沿った方向における電界に対しては誘電体ブロックの見かけ上の誘電率が大幅に高まることから、ガラスエポキシ等、比誘電率の比較的低い材料を用いることが可能となる。尚、かかる共振器４０の製造方法としては、図３乃至図５を用いて説明した共振器２０の製造方法と同じ方法を用いることができる。
【００４４】
次に、本発明の好ましいさらに他の実施態様について説明する。
【００４５】
図７は、本発明の好ましいさらに他の実施態様にかかる人工誘電体５０の構成を示す透過斜視図である。
【００４６】
本実施態様にかかる人工誘電体５０は、円偏波に対して選択性を有する誘電体であり、所望の形状を有する誘電体ブロック５１と、その内部に埋設された複数の金属コイル５２からなる。
【００４７】
誘電体ブロック５１の材料としては特に制限されず、樹脂や発泡スチロール等を用いることができる。また、誘電体ブロック５１の内部に埋設された複数の金属コイル５２としては、その巻回方向が互いに同じものが用いられる。金属コイル５２の材料としては特に限定されないが、損失の増大を抑制するためには、銅のように導電性が高い材料を用いることが好ましい。
【００４８】
このような構成からなる人工誘電体５０においては、一方の回転方向の円偏波に対する誘電率と他方の回転方向の円偏波に対する誘電率とが大きく相違するという特性を有している。例えば、埋設された金属コイル５２の巻回方向が全て右回転であれば、右回転の円偏波に対する誘電率が左回転の円偏波に対する誘電率よりも大きなる。したがって、かかる性質を利用すれば、いずれか一方の円偏波を選択することが可能となる。
【００４９】
また、図７に示す人工誘電体においては、埋設された金属コイル５２の向きがまちまちであることから、あらゆる方向からの円偏波に対して選択性を有しているが、図８に示すように、金属コイルの向きを一方向に揃えれば、当該方向からの円偏波に対してより強い選択性を持たせることが可能となる。
【００５０】
【実施例】
まず、厚さが０．８ｍｍであるポリテトラフルオロエチレン基板６０（εｒ＝２．６８）を７枚用意し、これらポリテトラフルオロエチレン基板６０の一方の面の全面に銅箔を形成した。次に、フォトリソグラフィー法により、これら銅箔をエッチングし、各基板６０に第１及び第２のパターンを形成した。
【００５１】
図９は、各基板６０に形成した第１のパターン６１及び第２のパターン６２を示す平面図である。
【００５２】
図９に示すように、第１のパターン６１及び第２のパターン６２とも、ＴＥ０１δモード共振にて発生する電気力線に沿って形成された複数の金属ワイヤ６３からなる。各金属ワイヤ６３のサイズは、長さが３ｍｍ、幅が０．５ｍｍであり、第１のパターン６１及び第２のパターン６２の外径はいずれも約２０ｍｍである。また、第１のパターン６１は８６本の金属ワイヤ６３からなり、第２のパターン６２は１０４本の金属ワイヤ６３からなる。これにより、図９に示すように、隣接する金属ワイヤ６３間の間隔は、第１のパターン６１よりも第２のパターン６２の方が密となっている。
【００５３】
次に、これら７枚のポリテトラフルオロエチレン基板を、第１のパターン６１及び第２のパターン６２が重なるように積層し、接着した。このようにして形成された積層体のうち、第１のパターン６１が形成されている部分、第２のパターン６２が形成されている部分、並びに、いずれのパターンも形成されていない部分を２０ｍｍの直径で切り出し、それぞれ共振器Ａ、共振器Ｂ、共振器Ｃとした。
【００５４】
そして、このようにして作製された共振器Ａ、共振器Ｂ、共振器Ｃを、図１０に示すように、５０Ωマイクロストリップ線路が形成された測定基板に順次載置し、その反射特性をネットワークアナライザで測定した。ここで、５０Ωマイクロストリップ線路の幅は２．１７９ｍｍであり、その長さは５０ｍｍである。また、５０Ωマイクロストリップ線路が形成されている測定基板の厚みは０．８ｍｍであり、その裏面の全面には導体層が形成されている。
【００５５】
図１１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ共振器Ａ、共振器Ｂ、共振器Ｃを載置した状態における反射特性を示し、図１１（ｄ）は、共振器を載置していない状態における反射特性を示す。
【００５６】
図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、共振器Ａをマイクロストリップ線路に載置した場合、約１２ＧＨｚ近辺に共振周波数が現れ、共振器Ｂをマイクロストリップ線路に載置した場合、約１１ＧＨｚ近辺に共振周波数が現れた。一方、図１１（ｃ）に示すように、共振器Ｃをマイクロストリップ線路に載置した場合、このような共振は現れず、図１１（ｄ）に示す共振器が存在しない場合の特性とほぼ同様の特性となっていることから、図１１（ａ）、（ｂ）において現れた共振が、誘電体材料による共振ではなく、金属ワイヤ６３を配置したことによるものであることが確認できた。
【００５７】
以上説明したように、本実施態様においては、誘電体ブロックの内部に電気力線に沿った複数の金属ワイヤを配置していることから、周波数の選択性が高まり、共振器としての特性を大幅に向上させること可能となる。また、電気力線に沿った方向における見かけ上の誘電率が大幅に高まることから、比誘電率の低い安価な誘電体材料を用いることができる一方、セラミック等の高誘電体材料を用いれば全体のサイズを大幅に縮小することが可能となる。
【００５８】
本発明は、以上の実施態様に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００５９】
例えば、上記実施態様においては、単一のモードでの共振を考慮して金属ワイヤを配置しているが、本発明がこれに限定されるものではなく、一つの共振器において複数の共振を利用する、いわゆる多重モードの共振器に適用することも可能である。この場合、各共振モードの電気力線に対応する金属ワイヤを誘電体ブロックの内部及び／又は表面に配置すればよい。
【００６０】
また、上記実施態様においては、誘電体ブロックの内部及び表面に金属ワイヤを配置しているが、本発明においてこれが金属である必要はなく、線状導体である限り、超伝導物質等、金属以外の材料を用いても構わない。線状導体として超伝導物質を用いれば、Ｑ値を高めることが可能となる。
【００６１】
さらに、上記実施態様においては、本発明を円板形の誘電体共振器に応用した例について説明したが、本発明は、円板形の誘電体共振器のみならず、円柱状や角柱状等、その他の形状を有する誘電体共振器に適用することも可能である。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、周波数の選択性が非常に高くスプリアス特性に優れた共振器を提供することが可能となる。したがって、本発明による共振器を複数個用いて帯域通過フィルタやデュプレクサを作製すれば、帯域外に不要な通過帯域を持たない優れた特性を持たせることが可能となる。また、本発明による人工誘電体は、円偏波に対する選択性を有しているので、いずれか一方の円偏波を選択することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、円板形の誘電体ブロックを用いた通常の共振器１０の構成とＴＥ０１δモード共振の電気力線を示す図であり、図１（ｂ）は、円板形の誘電体ブロックを用いた通常の共振器１０の構成とＥＨ０１δモード共振の電気力線を示す図である。
【図２】図２は、本発明の好ましい実施態様にかかる共振器２０の構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明の好ましい実施態様にかかる共振器２０の製造工程の一つを示す工程図である。
【図４】図４は、図３に示す工程に続く工程を示す工程図である。
【図５】図５は、図４に示す工程に続く工程を示す工程図である。
【図６】図６は、本発明の好ましい他の実施態様にかかる共振器４０の構成を示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の好ましいさらに他の実施態様にかかる人工誘電体５０の構成を示す透過斜視図である。
【図８】図８は、人工誘電体５０において金属コイル５２の向きを一方向に揃えた例を示す透過斜視図である。
【図９】図９は、実施例において、各ポリテトラフルオロエチレン基板６０に形成した第１のパターン６１及び第２のパターン６２を示す平面図である。
【図１０】図１０は、５０Ωマイクロストリップ線路が形成された測定基板を示す斜視図である。
【図１１】図１１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ共振器Ａ、共振器Ｂ、共振器Ｃを載置した状態における反射特性を示し、図１１（ｄ）は、共振器を載置していない状態における反射特性を示す。
【符号の説明】
１０，２０，４０  共振器
２１，４１  誘電体基板
２２，４２  金属ワイヤ
２３  パターン
３１  主基板
５０  人工誘電体
５１  誘電体ブロック
５２  金属コイル
６０  ポリテトラフルオロエチレン基板
６１  第１のパターン
６２  第２のパターン
６３  金属ワイヤ
【図１】
0003607886.tif 000003
【図２】
0003607886.tif 000004
【図３】
0003607886.tif 000005
【図４】
0003607886.tif 000006
【図５】
0003607886.tif 000007
【図６】
0003607886.tif 000008
【図７】
0003607886.tif 000009
【図８】
0003607886.tif 000010
【図９】
0003607886.tif 000011
【図１０】
0003607886.tif 000012
【図１１】
0003607886.tif 000013