(57)【要約】  本発明は、温度補償機能を持つ空洞共振器(20)に関し、この空洞共振器は、空洞共振体積(V)を一緒になって取り囲むポット(21)と蓋(22)を備える。ポット(21)は、第１熱膨張率(a1)をもつ第１材料からなり、蓋(22)は、第２熱膨張率(a2)をもつ第２材料からなる。第２膨張率(a2)は、第１膨張率(a1)よりも大きく、昇温した場合、ポット(21)が膨張し、蓋(22)が変形し、両者が別々または一緒になって空洞共振体積(V)を増加させるとともに、共振周波数を本質的に一定に維持する。
2008502179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一緒に空洞共振体積(V)を取り囲むポット(21;41;51;61;71)と蓋(22;41;52.1,52.2;62;
72)を備えた温度補償機能をもつ空洞共振器(20;40;80;70)において、
上記ポット(21;41;51;61;71)は、第１熱膨張率(a1)をもつ第１材料からなり、
上記蓋(22;41;52.1,52.2;62;72)は、第２熱膨張率(a2)をもつ第２材料からなり、
上記第２熱膨張率(a2)は、上記第１熱膨張率(a1)よりも大きく、温度が上昇したとき、上記ポット(21;41;51;61;71)の膨張と上記蓋(22;41;52.1,52.2;62;72)の変形が、別々および一緒に上記空洞共振体積(V)を増加させることを特徴とする空洞共振器。
【請求項２】
請求項１に記載の空洞共振器(20;40;80;70)において、上記空洞共振器(20;40;80;70)は、動作時に共振周波数(fR)を有し、温度上昇時の上記空洞共振体積(V)は、上記共振周波数(fR)が予め定めた範囲内に安定して収まり、あるいは上記共振周波数(fR)が予め定めた零でない温度係数をもつように増加することを特徴とする空洞共振器。
【請求項３】
請求項２に記載の空洞共振器(20;40;80;70)において、少なくとも１つの共振モードの上記共振周波数(fR)が、安定していることを特徴とする空洞共振器。
【請求項４】
請求項１または２に記載の空洞共振器(20;40;80;70)において、上記蓋(22;41;52.1,
52.2;62;72)の変形によって、上記空洞共振体積中で電界強度(E)の局所低下が生じることを特徴とする空洞共振器。
【請求項５】
請求項１または２に記載の空洞共振器(20;40;80;70)において、上記蓋(22;41;52.1,
52.2;62;72)の変形によって、空洞共振器(20;40;80;70)の容量負荷が減少することを特徴とする空洞共振器。
【請求項６】
請求項２に記載の空洞共振器(20;40;80;70)において、上記蓋(22;41;52.1,52.2;62;72)が蓋の変形によって外方へ膨出して、上記共振周波数(fR)の増加が生じ、加えて、上記ポット(21;41;51;61;71)の膨張によって、ポット(21;41;51;61;71)の半径が増加して、共振周波数(fR)の減少が生じ、上記共振周波数(fR)の増加と減少が均衡して、共振周波数(fR)が或る温度範囲において本質的に安定することを特徴とする空洞共振器。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の空洞共振器(20;40;80;70)において、上記蓋(22;41;52.1,52.2;62;72)は、キューポラまたは円錐の形状であり、上記ポット(21;41;
51;61;71)の方向から見て空洞を形成していることを特徴とする空洞共振器。
【請求項８】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の空洞共振器(20;40;80;70)において、上記空洞共振器(20;40;80;70)は、セラミック基板(54;74)を載せる金属のベースプレート、好ましくは多層のＬＴＣＣ(低温同時焼成セラミックス)からなるベースプレートに一体化するのに適していることを特徴とする空洞共振器。
【請求項９】
請求項８に記載の空洞共振器(20;40;80;70)において、上記第１材料は、上記ベースプレートの熱膨張率(a1)が上記セラミック基板(54;74)の熱膨張率(a3)に適合するように選択されていることを特徴とする空洞共振器。
【請求項１０】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の空洞共振器(20;40;80;70)において、上記空洞共振器(20;40;80;70)は、上記ポット(21;41;51;61;71)の高さ(H)によって本質的に決まる性質係数(Q)を有することを特徴とする空洞共振器。
【請求項１１】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の空洞共振器(20;40;80;70)において、上記ポット(21;41;51;61;71)は、好ましくは銅-タングステン(ＣuＷ)合金である銅合金からなり、上記蓋(22;41;52.1,52.2;62;72)は、好ましくは銅-ベリリウム(ＣuＢe)合金である他の銅合金からなることを特徴とする空洞共振器。
【請求項１２】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の空洞共振器(20;40;80;70)において、上記第２熱膨張率(a2)は、上記第１熱膨張率(a1)の１.１〜５倍であることを特徴とする空洞共振器。
【請求項１３】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の空洞共振器(20;40;80;70)において、上記ポット(21;41;51;61;71)は、内側が、表面粗さが小さく、好ましくは金および銀の少なくともいずれかでめっきされていることを特徴とする空洞共振器。
【請求項１４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の空洞共振器(20;40;80;70)において、好ましくは上記空洞共振体積中に部分的に突出し、空洞共振体積の実効誘電率を変化させる共振周波数に影響を与える手段(73)を備えることを特徴とする空洞共振器。
【請求項１５】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の空洞共振器(20;40;80;70)において、好ましくはカップリングおよびディカップリングのために夫々設けられた穴である電磁波をカップリングおよびディカップリングする手段(55,56;65,66)を備えたことを特徴とする空洞共振器。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか１つに記載の空洞共振器(20;40;80;70)をマイクロ波システム(50;60)に使用する方法であって、上記空洞共振器(20;40;80;70)が、発振回路の一部であることを特徴とする空洞共振器の使用方法。
【請求項１７】
請求項１乃至１５のいずれか１つに記載の空洞共振器(20;40;80;70)が発振回路(50;60)の一部であることを特徴とする発振回路(50;60)。
【請求項１８】
請求項１７に記載の発振回路(50;60)において、上記発振回路(50;60)が、好ましくは多層ＬＴＣＣ(低温同時焼成セラミックス)であるセラミック基板(54;74)の上または中に一体化されていることを特徴とする発振回路。
【請求項１９】
請求項１８に記載の発振回路(50;60)において、上記発振回路(50;60)の一部が上記セラミック基板(54;74)の一方側に、上記空洞共振器(20;40;80;70)が上記セラミック基板(54;
74)の他方側に配置されていることを特徴とする発振回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空洞共振器に関し、特に空洞共振器の共振回路への使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
共振器は、種々の分野に適用できる重要な構成部材である。例えば、マイクロ波システムは、フィルタや共振回路に用いられる高品質の共振器を必要とする。空洞共振器または誘電体共振器を選択しなければならず、共振器の寸法、重さ、価格および他の態様が選択の際に役に立つ。
【０００３】
従来の種々の空洞共振器は、温度が変化した場合、共振周波数が変化し、これは殆どの適用にとって望ましくない。温度変化は、周囲温度の変化、共振器集積回路の温度変化または共振空洞内で生じる損失によって起こる。温度変化によって生じる共振器の寸法変化は、上記共振周波数の変化をもたらす。
【０００４】
共振器への温度の影響を減らすため、種々の試みがなされている。例えば、空洞内に誘電体部材を挿入して、温度変化で生じる共振周波数の変化を減らすことができ、この誘電体部材は、温度に対する適切な誘電率変化係数を有さなければならない。
【０００５】
他の可能性は、異なる熱膨張率をもつ種々の材料で空洞を作ることである。この方法は、周知で「同軸リエントラント空洞」共振器に用いられている。このような共振器の例は、1977年6月23日に発行された特開昭52-075154号公報に記載されている。図１Ａ,図１Ｂは、この日本国特許による共振器１０を非常に簡素化して表している。図から分かるように、共振器１０の空洞１１に同軸に突出したロッド１２がある。低温Ｔにおける状態が図１Ａに示されている。温度がＴ'に上昇すると、空洞１１は、図１Ｂの外周の矢印で示すように膨張する。ロッド１２は、昇温で伸びる。空洞１１およびロッド１２の材料が、ロッドの伸びがより小さくなるように選ばれていると、ロッドの下端と空洞１１の底壁の間の容量間隙(領域１３)は、大きくなる。この領域１３における容量間隙の変化(昇温による容量負荷の減少)の結果、共振器１０の共振周波数は、所定温度範囲内で比較的一定に維持される。しかし、このようなリエントラント空洞共振器１０の欠点は、性質係数Ｑが比較的低いということである。特に、１０ＧＨz以上の周波数では、容量間隙およびその近傍での高い電界集中により、性質係数Ｑが極端に低下する。
【０００６】
温度の影響を補償する手段を備えた他の共振器がある。この種の共振器は、「クランプト空洞」共振器と呼ばれている。この共振器の例は、米国特許第2,528,387号から借用できる。この方法では、共振器の空洞が、温度変化によって生じる形状変化が場所的に限定されあるいは抑制されるように設計されている。これは、断面積の拡大を長さの減少で相殺することにより、共振器の体積を一定に維持できるような適切な材料および措置を選ぶことによって行われる。同様の例は、米国特許第4,706,053号および第6,529,104号から借用でき、これらの文献も、温度変化に際して共振器の体積を略一定に維持する手段を提案している。
【０００７】
他の共振器は、低い熱膨張係数をもつインバー(登録商標)またはこれと同様の材料で作られる。しかし、インバーは高価なうえ、処理が難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
冒頭に述べた従来技術から出発して、本発明の目的は、温度変化があっても共振周波数の変化をなくし、あるいは減じる共振器を提供することである。加えて、本発明は、費用効率の良い共振器を提供することを企図する。
【０００９】
本発明の更なる目的は、このような温度補償機能をもつ新規な共振器の種々の可能な用途および対応する共振回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、温度が上昇した場合に体積が増加し、温度が下降した場合に体積が減少すると同時に、共振周波数が大きく変化しない空洞共振器が提供される。このような空洞共振器は、熱膨張率の異なる材料から作られるポットと少なくとも１つの蓋からなり、少なくとも１つの蓋は、ポットよりも熱膨張率が大きい。空洞共振器の両部材、つまりポットと蓋は、昇温した場合に空洞体積を増加するのに寄与するが、蓋が適切な形状により外方へ湾曲していて、蓋の領域で弱電界域を形成するので、共振周波数は、基本的に一定に維持される。
【００１１】
先に述べた目的を達成すべく、請求項１の特徴をもつ空洞共振器、請求項１６の特徴をもつ空洞共振器の用途、請求項１７の特徴をもつ共振回路が夫々提供される。
【００１２】
本発明による空洞共振器の更なる実施形態は、従属請求項２〜１５に記載され、本発明による共振回路の更なる実施形態は、従属請求項１８,１９に記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を図示の実施形態により詳細に説明する。
【００１４】
この実施形態および請求項に複数回出てくる用語を、まず説明し、定義する。
【００１５】
空洞共振器は、例えばマイクロ波の帯域など予め定められた波長範囲で振動する構成部材である。「空洞共振器」という概念は、壁が空洞を基本的に取り囲む本体であるような空洞を有する共振器を指す。上記本体とは、その実際の形状の如何によらずポットを指す。このような空洞は、例えば円筒形、三角柱、または球であり、壁は、非常に高い導電性の金属からなるか、金属層を有する。金属の一例を挙げれば、銅、(ＣuＷなどの)銅合金、金、または銀、あるいは超伝導材料が特に適している。
【００１６】
従来公知の手法と対照的に、本発明によれば、昇温した場合に体積が増加し、降温した場合に体積が減少すると同時に、共振周波数が大きく変化しない空洞共振器が提供される。次に、実施形態について説明し、この実施形態に基づき動作態様を説明する。
【００１７】
本発明の第１実施形態を図２に示す。図２には、空洞共振器２０の概略が示されている。空洞共振器２０は、底部２１.１をもつ円筒形のポット２１と蓋２２を有し、このポットと蓋が、空洞共振体積Ｖを取り囲んでいる。空洞共振器２０は、ポット２１が、第１熱膨張率a1をもつ第１(金属)材料からなることを特徴とする。これに対して、蓋２２は、第２熱膨張率a2をもつ第２(金属)材料からなる。本発明によれば、第２熱膨張率a2は、第１熱膨張率a1よりも大きい(a2＞a1)。その結果、従来例とは対照的に、昇温した場合、ポット２１が膨張し、蓋２２が変形し、蓋２２が外方へ膨出すると(外方への膨出は上記条件下で昇温した場合強められる)、空洞共振体積Ｖが増加する。
【００１８】
図示の実施形態では、ポット２１が、半径Ｒで(共振器)高さＨの円筒形をなす。蓋２２として、高さΔＨ,長さＰをもつキューポラ(丸屋根)状要素が用いられる。ポット２１と蓋２２は、軸２３の周りに回転対称に配置されている。この回転対称は、加工工程(旋盤上の回転)に有利であるが、本発明による補償動作原理にとっては、本質的でない。
【００１９】
複数の円筒形空洞をもつ空洞共振器におけるＴＭ010モードの共振周波数ｆＲは、ポットの高さＨの関数ではなく、次式で与えられる。
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【００２０】
ここで、ｃは光速、Ｒはポットの半径である。今の場合(0＜ΔＨ≪Ｈ)、電界の分布はＴＭ010モードのそれと類似である。この場合、上記数式が近似的に適用でき、設計過程でこの数式を良好な第１評価として用いることができる。共振周波数がＨに無関係であるという事実は、ΔＨ＝０の場合のみに適用でき、他の場合は、共振周波数の高さＨに対する僅かな(桁数の多い)依存性がある。ＴＭ010と同様にこのモードでも、ポット２１が熱膨張率a1をもつ金属で作られていると、共振周波数の温度係数は、-a1である。本発明によれば、蓋２２の熱膨張率a2は、ポット２１の熱膨張率a1よりも大きい。その結果、昇温すると、蓋は外方へ膨出する。蓋２２が図２に示すようにキューポラ状であると、「キューポラ」はより尖って、空洞の全体積Ｖ'は、元の体積Ｖよりも大きくなる(ポットとキューポラの体積が共に増加する)。
【００２１】
体積のＶからＶ'への増加に加えて、蓋２２の領域で幾何学的関係に変化が起きる。体積および幾何学的関係の変化が共振器２０の電気的特性に及ぼす影響について、図３Ａ,図３Ｂに基づいて次に説明する。第１の温度Ｔでの電界強度Ｅの分布を図３Ａに示す。蓋２２は、図２に示すように、長さＰと高さΔＨを有する。温度がＴからＴ'に上昇すると、図３Ｂに示すように、蓋２２が幾分上方へ膨出した状態になる。長さＰはＰ'になり、傾斜角βはβ'になり、Ｐ＜Ｐ',ΔＨ＜ΔＨ',β＜β'である。近似的に、Ｐは熱膨張率a2で増加し、ΔＨは梃子の作用によりより大きく増加する。図３Ｂから、電界強度が、外方へ更に膨出した蓋２２の領域で低下していることが分かる。電界の分布が蓋２２に沿って外方へ移動したので、図示の例では弱電界域２４が蓋頂部の領域に生じる。電界強度の低下は、共振器２０の容量負荷の減少に対応し、この減少が共振周波数ｆＲの増加をもたらす。図示の例では、図３Ａで比Ｐ/Ｒ＝1.01、図３Ｂで比Ｐ'/Ｒ'＝1.02である。この種の蓋の領域での幾何学的変化は小さいが、共振周波数に与える温度の影響を減じ、さらには逆転させる(過補償)のに十分である。
【００２２】
この局所電界強度低下の効果を利用し尽くすためには、既に述べたように、蓋２２の熱膨張率a2が、ポット２１の熱膨張率a1よりも大きくなければならない。そうすれば、温度がＴからＴ'に上昇したとき、ポット２１の半径が増加し、キューポラ状の蓋２２が更に外側へ膨出する。増加した半径Ｒによって、共振周波数ｆＲが増加し、より強く膨出した蓋によって、共振周波数fＲが増加する。
【００２３】
本発明によれば、種々の実施形態において、昇温した場合に空洞の全体積を増加することに寄与する蓋の変形による追加の体積が形成される。当業者の予想に反して、この体積の増加は、既に述べたように、蓋の領域で幾何学的変化が生じて、ここに弱電界強度域が形成されたので、共振周波数の減少という結果にならない。
【００２４】
本発明の原理を、図４Ａ〜図４Ｄに基づいて次に説明するが、この図と説明は、実際の状態を極めて簡素化して表したものである。この簡素化された表現において、空洞共振は、応答周波数をｆＲとして、次式で表されるように、キャパシタンスＣとインダクタンスＬの組み合わせと見ることができると仮定する。
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【００２５】
図４Ａは、全方向が閉じられたポット３１を有する従来の空洞共振器３０を示している。この空洞共振器３０は、温度Ｔで体積Ｖ,キャパシタンスＣ,インダクタンスＬを持つ。温度がＴからＴ'に上昇すると、図４Ｂに示す状態になる。仮に、共振器のポット３１の高さＨのみが変化するなら、ＴＭ010モードの特性、即ちキャパシタンスは減少し(Ｃ'＜Ｃ),インダクタンスは増加する(Ｌ'＞Ｌ)のでｆＲ＝ｆ'Ｒによって、共振周波数ｆＲは一定に維持されるであろう。しかし、昇温でポット３１の半径Ｒも増加し、これがインダクタンス(Ｌ'＞Ｌ)およびキャパシタンス(Ｃ'＞Ｃ)の両方を増加させる。既に述べたように、高さＨおよび半径Ｒの変化により、体積ＶはＶ'に増加し、キャパシタンスはＣ'に変化し(Ｃ'≠Ｃ)、インダクタンスは増加した(Ｌ'＞Ｌ)。インダクタンスとキャパシタンスの積は、高さＨが変化する場合は、一定に維持されるが、半径Ｒが増加する場合は、増加し(Ｌ'Ｃ'＞ＬＣ)、共振周波数ｆＲの望ましくない減少が生じる。従って、温度補償を達成することができない。
【００２６】
本発明による共振器の動作を図４Ｃ,図４Ｄに示す。共振器４０は、図中で下方に膨出した円錐領域をもつ蓋４２を有する。この空洞共振器４０は、温度Ｔで体積Ｖ,キャパシタンスＣ1,インダクタンスＬ1をもつ。インダクタンスＬ1は、図４ＡのインダクタンスＬと略同じである。なぜなら、膨出した蓋の追加は、高さＨによる著しい電界変化をもたらさず、著しいインダクタンスの変化がないからである。しかし、キャパシタンスＣ1は、蓋４２が尖っていて、電界Ｅを弱めるので、キャパシタンスＣよりも小さい。
【００２７】
温度がＴからＴ'に上昇すると、共振器４０の寸法変化を意図的に誇張して示した図４Ｄのようになる。体積Ｖ1はＶ1'に増加し、キャパシタンスはＣ1'に減少し(Ｃ1'＜Ｃ1)、インダクタンスは増加する(Ｌ1'＞Ｌ1)。Ｌ1'は、共振器３０(図４Ｂ参照)のＬ'と略同じ大きさである。キャパシタンスが減少し、インダクタンスが増加したので、共振周波数の温度依存性は、望ましい影響を受ける。温度に関係するＬとＣの変化は、共振器３０の構造によって、互いに別々に影響を受けるということが重要である。
【００２８】
本発明による空洞共振器は、次のような寸法を持つ。第１段階において、材料が選ばれ、共振周波数ｆＲが予め決められる。例えば、ポットはＣuＷで、蓋はＣuＢeで作られる。次に、ポットの寸法(ＨとＲ)と蓋の寸法(ＰとΔＨ)が決定される。そして、共鳴周波数ｆＲが、与えられた幾何学形状に対するマックスウェルの微分方程式の固有値問題を解く市販のシミュレーションプログラムを用いて計算される。精密なシミュレーション結果を短時間に得ることができる回転対称の幾何学形状が用いられる。計算された共振周波数ｆＲが予め与えた条件に合わない場合は、初期変数(例えば、Ｈ,Ｒ,ΔＨ)を変更して、計算を繰り返す。次の段階で、温度変化(昇温または降温)がポットおよび蓋の形状に及ぼす影響が調べられる。これは、この機械的問題を解くための市販のシミュレーションプログラムを用いて、あるいは実験によって行われる。加えて、ポットおよび蓋の少なくともいずれかの機械的張力が、計算またはシミュレートされる。機械的張力が大きすぎる場合は、初期変数(例えば、Ｈ,Ｒ,ΔＨ)を再度変更して、計算を繰り返す。この計算には、機械的許容誤差の設定値を含めることができる。共振周波数ｆＲの温度依存性が予め定めた範囲内であれば、計算を終了し、そうでなければ、初期変数(例えば、Ｈ,Ｒ,ΔＨ)を再度変更して、計算を繰り返す。
【００２９】
本発明の種々の実施形態におけるポットと蓋の幾何学形状および材料の適切な選択によって、共振周波数ｆＲの温度依存性を、少なくとも予め定められた温度範囲(例えば使用温度±50Ｋ)において、低減し、または完全に補償し、更には逆転させる(過補償)ことができる。
【００３０】
本発明は、ブロードバンド通信用の高出力信号を処理するために設計された回路に用いれば、特に好適である。
【００３１】
本発明による共振器は、フィードバック回路にこの共振器をもつ発振器からなるフィルタ回路の構成要素にできる。この種の構成は、単一周波数のみを通過させる。
【００３２】
本発明によれば、上記フィルタ回路は、多層ＬＴＣＣ(低温同時焼成セラミックス)基板などのセラミック基板上に作ることができる。このような基板は、本発明の共振器を搭載したベースプレート上に載せることができる。セラミック基板とベースプレートは、安定した接合が形成できるように、適合した(即ち、僅かに異なる)熱膨張率を有する。
【００３３】
共振器のポット５１が回路のベースプレート５３内に形成された図５に示すような回路５０の実施形態が、好ましい。ベースプレート５３は、基板５４に接合され、例えば、基板５４と反対側に載せられた電子部品のためのヒートシンクなどのヒートシンクとして用いられる。回路５０の構成要素(図示せず)は、基板５４内または基板５４上に一体化される。ポット５１は、図示の例では円筒形である。導電面５７は、ポットの底部に設けられ、図５で厚い金属層として示されている。蓋５２は、ポット５１の底部と反対側に設けられ、導電面５７と概ね平行な外周領域５２.１を有する。蓋５２.２は、円筒軸５８の周りの領域に円錐状に下方へ膨出している。電磁波とカップリングするためのカップリング穴５５と、電磁波をディカップリングするためのディカップリング穴５６が設けられている。これと択一的に、カップリング穴とディカップリング穴は、同じカップリング穴とすることもできる。電磁波をカップリング穴５５に伝え、これを受けて他の側５６へ中継するには、基板５４上に設けたストライプ状の導電体が適している。ストライプ状の導電体は、図５には示されていない。
【００３４】
本発明の回路において、第１の材料は、ベースプレートの熱膨張率a1が基板の熱膨張率a3に対して調整されているように選ばれるのが好ましい。
【００３５】
本発明による更なる回路６０は、図６にブロック図として示されている。これは、ポット６１と蓋６２をもつ本発明の共振器８０を有する発振回路６０である。カップリング点６６とディカップリング点６５は、ポット６１の底部に設けられている。ディカップリングされた信号は、信号を増幅する増幅器(低雑音増幅器)６３へ導くラインに接続される。２つのＰＩＮダイオードをもつオプションの減衰要素６４が、図示の実施形態に設けられ、この減衰要素は、「クリッピング」によって出力を制限する。位相位置を静的に設定できるように位相設定要素６７が設けられる。この位相設定要素６７も、オプションである。十分大きい出力信号を発生できるように、出力側に更に増幅器６８が設けられる。この第２の増幅器６８は、廃熱の良好な放出を必要とするが、それは、この構成(熱を良好に伝える図５の嵩張ったベースプレート５３)によって保証される。発振回路の出力(OUT)は、増幅器６８の出力側にある。発振回路６０の出力は、この出力端子から取り出される。出力の小部分は、カップリング点６６を経て共振器８０に伝えられる。従って、共振器８０は、発振回路６０の帰還路中にある。
【００３６】
発振回路６０の構成要素によって生じる発信周波数の温度シフトを補償できるようにすべく、共振器８０の温度補償は、共振器８０自体が不足または過剰な補償を行えるように設計されている。
【００３７】
図６に示す好ましい実施形態では、発振回路６０は、出力を制限する電子部品６４を備えている。従って、安定した発振状態が達成できる。出力は、発振回路６０の(OUTで示す)適切な点からディカップリングでき、ディカップリングは、キャパシタンス,インダクタンスを介して、または直接行うことができる。発振回路６０の増幅合計が十分で、かつ、発振が始まって安定して発振するように位相位置が調整されることが重要である。
【００３８】
本発明による空洞共振器７０の更なる実施形態を図７に示す。共振器７０は、本発明の温度補償ができるように設計された円筒状ポット７１と蓋７２を有する。ポット７１の壁７１.１とベースプレート７４(例えば、片側を金属でめっきされたセラミック板の形態)と蓋７２が、空洞共振体積を取り囲んでいる。ポット７１は、好ましくは４ppm/K〜１０ppm/Kである第１の熱膨張率a1を持つ(金属または金属めっきの)第１材料からなる。蓋７２は、好ましくは１０ppm/K〜２０ppm/Kである第２の熱膨張率a2を持つ(金属または金属めっきの)第２材料からなる。従って、第２の熱膨張率a2は、第１の熱膨張率a1よりも大きい。温度が上昇すると、外方へ向かう矢印７６で示すようなポット７１の膨張と、矢印７５,７７で示すような蓋７２の変形が生じる。この膨張と変形の２つが、別々および一緒になって、空洞共振体積の増加をもたらし、共振周波数は、予め定められた(許容誤差)範囲内に維持される。
【００３９】
共振器７０に関して、次に更に説明する。ポット７１の半径Ｒは、典型的には２.５mm〜１０mmであり、図示の例では４mmである。高さＨは、典型的には２mm〜２０mmであり、図示の例での全長(＝Ｈ＋ΔＨ)は、略４mmである。蓋７２は、ポット７１の壁７１.１に連結するための外周カラー７２.１を有する。この目的のため、ポット７１は、上部が下部よりも大きい半径を持ち、蓋７２を載せる内周段部７１.２が形成されている。蓋７２は、図示の例では中央に厚肉部７２.２を有し、この肉厚部７２.２に軸方向に延びる貫通穴が設けられている。この貫通穴を経て、誘電体ロッド７３が共振器７０の空洞に差し込まれている。ロッド７３は、空洞内の位置に応じて実効誘電率を変化させるので、オプションであるこのロッド７３を用いて、共振周波数が所定範囲内で調整される。
【００４０】
共振器のポットは、本発明によって、穿孔,フライス加工,旋盤加工,鋳造,深絞りまたは他の方法で加工される。ポットの内面は、表面粗さの小さい面にするため仕上加工されるのが好ましい。仕上加工には、特に転造,研削,研磨,めっきが好適である。
【００４１】
ポットの内壁が、表面粗さが小さく、好ましくは金および銀の少なくともいずれかでめっきされた実施形態が特に有利である。
【００４２】
特に有利な実施形態では、特別な措置によって、蓋とポットが互いに電気的に接続されることが保証される。電気的接続は、蓋の全周または外周の本質的部分に設けることができる。蓋は、ろう接または溶接によってポットに電気的かつ機械的に接続されるのが好ましい。
【００４３】
更なる実施形態は、単一の蓋に代えて、両側に蓋を持つ(例えば、角柱管または円管から作られる)ポットを用いることを特徴とする。この場合、両蓋が補償のための既述の動作原理に寄与する。
【００４４】
ＴＭ010モードが用いられる場合、ポットの高さＨを自由に選べるというのが本発明の利点である。共振器の高さが波長の半分(または整数倍)であることが必要な従来の(導波共振のモードで動作する)導波共振器と異なり、この条件を満たす必要がない。これとは逆に、ＴＭ010モードにおける電磁界は、本発明による共振器におけると同様、遮断周波数での導波断面における電磁界に相当しなければならない。従って、共振周波数は、共振器の高さに近似的に依存しない。その結果、本発明では、共振器の寸法を決める際に付加的な自由度が得られる。(共振器の)高さは、例えば大きい性質係数Ｑが得られるように選ぶことができる。本発明によれば、(室温においてｆＲ〜３０ＧＨz,ポットと蓋の表面に金めっき)Ｑ＝３０００の性質係数が達成できる。
【００４５】
本発明による蓋は、キューポラ状,ドーム状,円錐などの形状が好ましく、ポットの方向から見て空洞を形成しているのが好ましいが、他の形状も考えられる。
【００４６】
本発明は、冒頭で「クランプト空洞」共振器と呼んだ共振器の典型的代替品と見ることができる。本発明は、図１Ａ,図１Ｂに関して述べたリエントラント手法の典型的な改善であるということが重要である。リエントラント共振器の利点は、性質係数が非常に大きいことである。「クランプト空洞」共振器の利点は、リエントラント共振器と同様、材料および形状を選択する際の自由度が高く、簡単な実装が可能なことに加えて、製造での許容誤差に対する感受性が低いことである。
【００４７】
本発明の実施形態に応じて、共振周波数が−１０ppm/K〜＋１０ppm/Kの範囲で温度に依存する共振器を実現することができる。適用例に応じた共振周波数ｆＲの温度依存性の所定範囲を決め、この所定範囲に収まるように共振器を適切に設計すればよい。
【００４８】
本発明で達成できる補償効果は、材料および幾何学形状の選択によって量的に決めることができる。熱膨張率a1が４ppm/K〜１０ppm/Kの材料(a1=6.1 ppm/Kの銅-タングステン合金,ＣuＷなど)は、ポットに用いるのが好ましい。これに対して、熱膨張率a2が１０ppm/K〜２０ppm/Kの材料(a2=17.0 ppm/Kの銅-ベリリウム合金,ＣuＢeなど)は、蓋に用いられる。第２熱膨張率a2が第１熱膨張率a1の１.１〜５倍である実施形態が、特に有利である。
【００４９】
本発明による共振器は、性質係数Ｑが、例えば「リエントランス共振器」における場合のように温度補償措置によって弱められることがないという利点を有する。
【００５０】
本発明は、高い性質係数Ｑと低い損失を持つ共振器を提供することができる。この種の共振器は、低ノイズの発振回路に特に良好に適している。(複数の共振器から組み立てられた)フィルタ回路において、高い性質係数の共振器は、急峻な側面をもつ、つまり特に周波数選択性の高いフィルタおよび送信周波数帯域において特に低い挿入減衰をもつフィルタの少なくともいずれかの実現を可能にする。
【００５１】
本発明の更なる利点は、矩形空洞におけるＴＥm0nモードや円形空洞におけるＴＭ0n0モード(m,n:整数>0)など他のモードにも適用できることである。このような共振モードは、結果として許容誤差に対してより感受性の高いより大きくより機械的に複雑な構造になる。しかし、上述したように、より高い性質係数(低い損失)を達成することができるというのが本発明の利点なのである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１Ａ】図１Ａは、温度Ｔにおける従来のリエントラント空洞共振器の概略断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、温度Ｔ'における従来のリエントラント空洞共振器の概略断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態の空洞共振器の概略図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の空洞共振器の温度Ｔにおける電界強度分布を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の空洞共振器の温度Ｔ'における電界強度分布を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、従来の空洞共振器の温度Ｔにおける概略断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、従来の空洞共振器の温度Ｔ'における概略断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の空洞共振器の温度Ｔにおける概略断面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明の空洞共振器の温度Ｔ'における概略断面図である。
【図５】図５は、本発明の更なる実施形態による空洞共振器をもつ回路の概略断面図である。
【図６】図６は、本発明の更なる実施形態による空洞共振器をもつ回路の概略ブロック図である。
【図７】図７は、本発明の更なる実施形態による空洞共振器の概略断面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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