(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体板の両主面のそれぞれに、互いに対向する開口部を有する電極を設けた誘電体共振器と、前記誘電体板の両主面からそれぞれ隔てられた２つの導体面とを備えてなる誘電体共振器装置において、
前記開口部を、前記誘電体板の少なくとも一方の端面にまで延ばして形成し、前記誘電体板の少なくとも一方の端面で開口するスロット状とすることを特徴とする誘電体共振器装置。
【請求項２】
前記開口部が延びる誘電体板の端面同士を対向させ、前記誘電体共振器を複数個配置して、当該複数の誘電体共振器を結合させたことを特徴とする請求項１に記載の誘電体共振器装置。
【請求項３】
前記開口部が延びる誘電体板の端面同士の対向位置に誘電体部材を介在させたことを特徴とする請求項２に記載の誘電体共振器装置。
【請求項４】
前記誘電体板の両主面と前記２つの導体面との間隔をそれぞれほぼ同一とし、前記誘電体共振器と電磁界結合する励振手段を、前記２つの導体面間のほぼ中央位置を中心とする対称構造としたことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれかに記載の誘電体共振器装置。
【請求項５】
前記励振手段を、誘電体板に形成したストリップ線路によるプローブとしたことを特徴とする請求項４に記載の誘電体共振器装置。
【請求項６】
前記励振手段を、前記２つの導体面の間に誘電体ストリップを配して成る非放射性誘電体線路としたことを特徴とする請求項４に記載の誘電体共振器装置。
【請求項７】
請求項４〜６のうちいずれかに記載の励振手段を、複数の前記誘電体共振器のうち所定の誘電体共振器にそれぞれ結合する位置に設けて、信号の入力部、出力部および入出力部をそれぞれ構成したことを特徴とする入出力共用器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ波帯やミリ波帯で用いられる誘電体共振器装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、誘電体フィルタなどの誘電体共振器装置の小型化の要請に伴い、たとえば１９９６年電子情報通信学会総合大会Ｃ−１２１「平面回路型誘電体共振器を用いた準ミリ波バンドパスフィルタ」や、特願平９−１０１４５８号「平面回路型誘電体共振器装置」のような平面回路型の誘電体共振器装置が開発されている。
【０００３】
上記平面回路型誘電体共振器は、誘電体板の両主面のそれぞれに、互いに対向する円形の開口部を有する電極を設けたものであり、これを２つの導体面間に配置するとともにプローブを設けて誘電体共振器装置を構成している。
【０００４】
上記電極開口部で挟まれる誘電体板の一部が誘電体共振器として作用し、隣接する誘電体共振器間が結合するとともに、それぞれの誘電体共振器がプローブと結合する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の平面回路型の誘電体共振器装置においては、電極開口部付近に磁界が集中するため、その部分で電流集中が生じ、Ｑｏ（無負荷Ｑ）の低下要因の１つとなっていた。また、共振器を構成した誘電体板の下部の空気層部分に励振プローブを配置しているため、誘電体板を中心とする上下の構造が非対称となって不要な共振モードが発生する要因ともなっていた。
【０００６】
この発明の目的は、共振器のＱｏを高めた誘電体共振器装置を提供することにある。
【０００７】
またこの発明の他の目的は、不要モードの発生を抑えた平面回路型誘電体共振器を用いた誘電体共振器装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、共振器のＱｏを高めるために、請求項１に記載のとおり、誘電体板の両主面のそれぞれに、互いに対向する開口部を有する電極を設けた誘電体共振器と、前記誘電体板の両主面からそれぞれ隔てられた２つの導体面とを備えてなる誘電体共振器装置において、前記開口部を、前記誘電体板の少なくとも一方の端面にまで延ばして形成し、前記誘電体板の少なくとも一方の端面で開口するスロット状とする。
【０００９】
この構造によれば、磁界の集中する部分に電極が殆どなく、電極の表面電流の集中する箇所が大幅に少なくなる。その結果、全体の電流損が抑えられ、共振器のＱｏの低下が抑えられる。
【００１０】
上記の複数の誘電体共振器を結合させる場合、請求項２に記載のとおり、前記開口部が延びる誘電体板の端面同士を対向させて、誘電体共振器を複数個配置する。このように複数の誘電体共振器を結合させることによって、複数段の共振器が順次結合された、例えば帯域通過フィルタを構成することができる。
【００１１】
また、請求項３に記載のように、上記の開口部が延びる誘電体板の端面同士の対向位置に誘電体部材を介在させれば、この誘電体部材の実効誘電率によってその誘電体部材を挟む２つの誘電体共振器間の結合度が変化するため、誘電体部材を部分的に穿設することによって結合度を設定できるようになる。
【００１２】
また、この発明は、誘電体共振器を構成した誘電体板上下の導体面と誘電体共振器と結合するプローブなどの励振手段の位置関係による不要な共振モードの発生を抑えるために、請求項４に記載のとおり、前記誘電体板の両主面と前記２つの導体面との間隔をそれぞれほぼ同一とし、前記誘電体共振器と電磁界結合する励振手段を、前記２つの導体面間のほぼ中央位置を中心とする対称構造とする。この構造によって２つの導体面間に電界分布が向く不要な共振モードの伝搬が、その対称性により打ち消される。
【００１３】
ここで、上記不要な共振モードの抑圧について説明する。図１３は、励振方法として同軸プローブを選び、励振位置の異なる２つの例を示している。（Ａ）は励振位置を誘電体板１の中央の高さに選んだ場合、（Ｂ）は励振位置を誘電体板１の中央の高さからずれた位置に選んだ場合である。（Ａ）の場合、励振プローブと誘電体板上の上下の電極間に、同図に示すような電界が発生する。この電界は２つの導体面間に電界分布が向く不要な共振モードと容易に結合する。しかし誘電体板の中央に励振プローブを配置した場合、励振プローブと上面の電極２との間に発生する電界ａと、下面の電極３との間に発生する電界ｂとは、互いに逆位相で大きさが等しいため相殺して、不要な共振モードが抑圧される。これによりスプリアスの少ない誘電体共振器装置が得られる。一方、図１３の（Ｂ）の場合、発生する電界ａ′とｂ′は大きさが異なるため、あまり相殺されずに、不要モードとなって伝搬していくことになる。
【００１４】
上記の励振手段としては、請求項５に記載のように、ストリップ線路によるプローブにより構成できる。また請求項６に記載のように、２つの導体面の間に誘電体ストリップを配して非放射性誘電体線路として設けてもよい。
【００１５】
また、個々の誘電体共振器を別々の誘電体板に構成することができるので、請求項７に記載のとおり、複数の前記誘電体共振器のうち所定の誘電体共振器にそれぞれ結合する位置に励振手段を設けて、信号の入力部、出力部および入出力部とすることによって、例えばアンテナデュプレクサのような入出力共用器が構成できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態に係る誘電体フィルタの構成を図１〜図４を参照して説明する。
【００１７】
図１の（Ａ）は誘電体フィルタの斜視図、（Ｂ）はその断面図である。この図において１が誘電体板であり、その両主面に、互いに対向するスロット状の開口部４，５を有する電極２，３を形成している。この構造により、スロット状の開口部４，５の対向する誘電体板の一部が誘電体共振器として作用する。９，１０は誘電体板１と略同一高さに設けたプローブであり、例えば同軸コネクタの中心導体から突出させたものである。誘電体板１の図における上下面には、誘電体板１からそれぞれ等しく隔てた２つの導体面６，７を設けている。
【００１８】
この導体面６，７と誘電体板１表面の電極２，３との間隔ｔａは、誘電体共振器の共振周波数信号を減衰させるに要する間隔としている。すなわち遮断周波数が誘電体共振器の共振周波数より高くなるようにしている。したがって、この導体面６，７と電極２，３により挟まれる空間では電磁波が伝搬されず、電極開口部４，５部分にエネルギーが閉じ込められる。その結果、放射損が抑えられ、Ｑｏの低下が抑えられる。
【００１９】
図２は図１に示した誘電体フィルタのスロット状開口部のスロットの延びる方向での断面における電磁界分布を示す図である。同図において実線は電界、破線は磁界の分布をそれぞれ示している。このように誘電体共振器は、スロット状開口部のスロットの延びる方向に磁界ループの面が生じ、プローブ９，１０とそれぞれ磁界結合することになる。図２において共振空間を領域Ａと領域Ｂとに分けて考えた場合、電磁界エネルギーは領域Ｂにも存在する。従って誘電体板１の電極の存在する領域に磁界が集中することがなく、その部分での導体損は生じない。そのために共振器のＱｏが低下することがない。
【００２０】
図３は図１および図２に示した構造の誘電体フィルタのより具体的な構造の例を示す断面図である。１１，１２は誘電体板１を所定位置に保持する導電体ケースであり、それぞれの内面が誘電体共振器に対向する導体面として作用する。この構造によって誘電体板を上下２つの導体面の中央位置に配置することができる。また図１に示したプローブ９，１０は、励振プローブを突出させた同軸コネクタを、導電体ケース内の高さ方向の中央にプローブが位置するように、導電体ケース１２の側面に取り付ければよい。
【００２１】
次に、誘電体フィルタの全長と無負荷Ｑ（Ｑｏ）との関係、および誘電体板長と誘電体フィルタの全長との関係を図４に示す。ここでは、誘電体共振器の共振周波数を３０ＧＨｚ、誘電体板の比誘電率を２４とし、図１に示した各部の寸法をｔｄ＝１．０ｍｍ、ｔａ＝０．８ｍｍ、ｗ＝０．８ｍｍとしている。なお、電極２，３はＡｕ電極としている。
【００２２】
図４において、図１に示した誘電体フィルタを「両端開放型」として示している。また、比較のために、誘電体板の両主面のそれぞれに互いに対向する矩形の開口部を有する電極を設けた誘電体共振器を、「両端短絡型」として示している。ここで、全長と誘電体板長は図１に示したＬ１とＬ０にそれぞれ対応する。
【００２３】
無負荷Ｑの低下要因としては、主に導体損、誘電体損、放射損がある。このうち本願のような平面誘電体線路型共振器においては導体損が支配的である。導体損はジュール損に比例し、ジュール損は電流の２乗に比例するため、電極部分を流れる総電流量が同じであっても、電流集中が生じると、その分ジュール損が増し、無負荷Ｑの低下につながる。両端開放型の場合、誘電体フィルタの全長Ｌを大きくする程、磁界の集中が緩和されるため、図４の（Ａ）に示すように、無負荷Ｑが増大する。一方、両端短絡型の場合には、殆どその短絡部分での導体損によって無負荷Ｑが決定され、全長を長くしても高い無負荷Ｑが得られない。
【００２４】
また全長を同一とすれば、両端開放型の方が両端短絡型より誘電体板長を短くすることができる。この理由を次に説明する。
【００２５】
まず、両端短絡型の誘電体共振器の電磁界分布の例を図１２に示す。図１２において共振空間を領域Ａと領域Ｂとに分けて考えた場合、電磁界エネルギーは領域Ｂには殆ど存在しない。これに対して、図２に示した両端開放型の誘電体共振器の場合、電磁界エネルギーは領域Ｂにも存在する。特に、この共振器の領域Ｂへの漏洩エネルギーは磁界エネルギーが支配的である。共振周波数は電界エネルギーと磁界エネルギーによって決まり、摂動理論によれば磁界エネルギーの減少は共振周波数の低下につながることが知られている。そのため、両端開放型共振器を同じ長さをもつ両端短絡型共振器に比較した場合、エネルギーがほぼ完全に閉じ込められる両端短絡型よりも両端開放型の方が磁界が漏洩する分だけ共振周波数は低くなる。周波数が低くなった分は誘電体板の長さを短くすることで補正できるので、両端開放型と両端短絡型とで共振周波数が等しくなるように誘電体板の長さを選んだとすれば、その長さは当然に両端開放型の方が短くなる。
【００２６】
次に、第２の実施形態に係る誘電体フィルタの構成を図５に示す。ここでは、それぞれに誘電体共振器を設けた３つの誘電体板を用いる。同図において８ａ，８ｂ，８ｃがそれぞれ誘電体共振器であり、誘電体板の両主面にそれぞれ互いに対向するスロット状開口部を設けた電極を形成している。４は上面のスロット状開口部である。そして、隣接する誘電体板を、スロット状開口部が延びる誘電体板の端面同士を対向させて配置するとともに、その対向位置に誘電体部材からなるスペーサ（以下「誘電体スペーサ」という。）１３を介在させている。そして、両側の誘電体共振器８ａ，８ｃにそれぞれ結合するプローブ９，１０を設けている。
【００２７】
図５の（Ｂ）は誘電体共振器同士の結合の様子を示す図であり、破線は磁界分布を示している。このように隣接する誘電体共振器同士が磁界結合するが、途中に誘電体スペーサ１３を設けているので、この誘電体スペーサ１３に結合調整用穴１４を穿設することによって、誘電体スペーサ１３の実効誘電率を調節すれば、隣接する誘電体共振器同士の結合度を設定できるようになる。
【００２８】
図６は第３の実施形態に係る誘電体フィルタの構成を示す一部破断概略斜視図である。同図において１５，１７はそれぞれ誘電体板であり、その一方の主面にストリップ導体１６，１８をそれぞれ形成していて、これらのストリップ導体１６，１７が上下の導体面の間の中央位置となるように配置している。これらのストリップ導体１６，１７、誘電体板１５，１７、および上下の導体面によって、それぞれサスペンデッドラインによるプローブを構成する。誘電体共振器８の構成は第１・第２の実施形態のものと同様であり、上下の導体面間の中央位置に配置している。したがって、上記プローブは誘電体共振器８と磁界結合することになる。
【００２９】
図７は第４の実施形態に係る誘電体フィルタの構成を示す一部破断概略斜視図である。図６の場合とは異なり、ここではストリップ導体１６，１８をそれぞれ設けた誘電体板１５，１７を誘電体共振器８の誘電体板上に積層している。このような場合でも誘電体板１５，１７の厚みを薄くすることによって上下の導体面間の中央にストリップ導体１６，１８を配置することができ、不要モードの発生が抑制される。
【００３０】
図８の（Ａ）は第５の実施形態に係る誘電体フィルタの構成を示す一部破断概略斜視図であり、（Ｂ）はそのスロット状の電極開口部を通る断面図である。この例では、誘電体板１の両主面のそれぞれに、互いに対向するスロット状の開口部４，５を有する電極２，３を設けている。スロット状の開口部４，５は誘電体板１の一方の端面にのみ延びていて、その端面に対向する他方の端面は上下の電極２，３を連続する電極を形成していて短絡面としている。このような一方開放型の誘電体共振器の場合、同図の（Ｂ）に示すように磁界が分布する。したがって、スロット状開口部が延びる誘電体板の端面に対向する位置にプローブ９等の励振手段を設けて誘電体共振器との結合をとる。この誘電体フィルタは、たとえば誘電体共振器の共振周波数を減衰させるトラップとして用いることができる。
【００３１】
図９は第６の実施形態に係る誘電体フィルタの構成を示す図であり、（Ａ）は一部破断概略斜視図、（Ｂ）は（Ａ）における長軸方向で且つ誘電体板に垂直な面での断面図である。この例では、単一の誘電体板１の両主面のそれぞれに、互いに対向するスロット状の開口部４ａ，５ａ、４ｂ，５ｂ、４ｃ，５ｃをそれぞれ設けて３つの誘電体共振器を構成している。それぞれの共振器の磁界分布は同図の（Ｂ）に示すとおりであり、隣接する共振器同士が磁界結合し、両側の共振器がプローブ９，１０にそれぞれ磁界結合する。この構造によって、単一の誘電体板を用いながら、３段の共振器からなる帯域通過フィルタが得られる。
【００３２】
図１０は第７の実施形態に係る誘電体フィルタの構成を示す図であり、（Ａ）はその主要部の一部破断概略斜視図、（Ｂ）はその断面図である。１９，２０はそれぞれ上下の導体面６，７を成す導体板の間に配置した誘電体ストリップであり、これらの誘電体ストリップ１９，２０と上下の導体面６，７とによって非放射性誘電体線路（ＮＲＤガイド）を構成している。そして、誘電体ストリップ１９，２０のそれぞれの端面に挟まれる位置に誘電体共振器８を配置している。この誘電体共振器８は誘電体板の両主面のそれぞれに互いに対向するスロット状の開口部を有する電極を設けた両端開放型の誘電体共振器であり、上下の導体面６，７間の略中央位置に導体面６，７に対して平行に配置している。誘電体共振器とＮＲＤガイドの電磁界分布は同図の（Ｂ）に示すようになり、ＮＲＤガイドと誘電体共振器とは磁界結合する。この構造によって、誘電体共振器８はＮＲＤガイドの途中に挿入された帯域通過フィルタとして作用する。
【００３３】
図１１は第８の実施形態に係る誘電体共振器装置の構成を示す一部破断概略斜視図である。図１０の例ではＮＲＤガイドを伝送路および誘電体共振器の入出力部として用いたが、この図１１に示す例では、平面誘電体線路（いわゆるＰＤＴＬ）を伝送路および誘電体共振器の入出力部として用いている。（本願出願人はＰＤＴＬに関し特願平７−６９８６７号を出願している。）すなわち誘電体板２１，２２の両主面のそれぞれに、互いに対向するスロット状の開口部を有する電極を設けて平面誘電体線路（ＰＤＴＬ）を構成している。そして、２つのＰＤＴＬで挟まれる位置に誘電体共振器８を配置している。ＰＤＴＬおよび誘電体共振器８は上下の導体面間の略中央位置に導体面に対し平行に配置している。この構造によってＰＤＴＬと誘電体共振器はやはり磁界結合し、ＰＤＴＬの途中にフィルタとしての誘電体共振器を挿入した構造の誘電体共振器装置が得られる。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、電極開口部が誘電体板の少なくとも一方の端面にまで延びるスロット状であるため、磁界の集中する部分に電極が殆どなく、電極の表面電流の集中する箇所が大幅に少なくなる。その結果、全体の電流損が抑えられ、共振器のＱｏの低下が抑えられる。
【００３５】
請求項２に係る発明によれば、複数段の共振器が順次結合された、例えば帯域通過フィルタ等を容易に構成することができる。
【００３６】
請求項３に係る発明によれば、誘電体部材を部分的に穿設することによって結合度を容易に設定できるようになる。
【００３７】
請求項４に係る発明によれば、２つの導体面間の不要な共振モードの伝搬が、打ち消され、スプリアスの少ない誘電体共振器が得られる。
【００３８】
請求項５に係る発明によれば、誘電体板上の線路によって励振手段を構成できるため、誘電体共振器とともに、導電体ケース内に容易に設けられる。
【００３９】
請求項６に係る発明によれば、非放射性誘電体線路を用いた高周波回路に誘電体フィルタを容易に設けられる。
【００４０】
請求項７に係る発明によれば、例えばアンテナデュプレクサのような入出力共用器が容易に構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る誘電体フィルタの構成を示す概略斜視図および断面図
【図２】同誘電体フィルタの電磁界分布の例を示す図
【図３】誘電体フィルタ全体の具体的構成例を示す断面図
【図４】第１の実施形態に係る誘電体フィルタの寸法と無負荷Ｑ等との関係を示す図
【図５】第２の実施形態に係る誘電体フィルタの一部破断概略斜視図および断面図
【図６】第３の実施形態に係る誘電体フィルタの一部破断概略斜視図
【図７】第４の実施形態に係る誘電体フィルタの一部破断概略斜視図
【図８】第５の実施形態に係る誘電体フィルタの一部破断概略斜視図および断面図
【図９】第６の実施形態に係る誘電体フィルタの一部破断概略斜視図および断面図
【図１０】第７の実施形態に係る誘電体フィルタの一部破断概略斜視図および断面図
【図１１】第８の実施形態に係る誘電体フィルタの一部破断概略斜視図
【図１２】両端短絡型誘電体共振器を用いた誘電体フィルタの電磁界分布の例を示す図
【図１３】励振手段としてのプローブと誘電体共振器との位置関係、および不要モードとの関係を示す図
【符号の説明】
１−誘電体板
２，３−電極
４，５−スロット状開口部
６，７−導体面
８−誘電体共振器
９，１０−プローブ
１１，１２−ケース
１３−誘電体スペーサ
１４−結合調整用穴
１５，１７−誘電体板
１６，１８−ストリップ導体
１９，２０−誘電体ストリップ
２１，２２−誘電体板
２３，２４−電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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