(57)【要約】【課題】特に線膨張係数の小さな金属材料をキャビティに用いることなく、且つ温度補償用の誘電体部材を設けることによる無負荷Ｑの低下を抑えた温度安定性の高い共振器装置、フィルタ、フィルタ装置およびそれらを備えた通信装置を構成する。【解決手段】導電性を有するキャビティ本体１内部に、一端がキャビティに導通している中心導体４を設け、中心導体４の開放端付近に対向するキャビティの内面に周波数温度係数が正である温度補償用の誘電体部材１１を配置する。これにより誘電体部材１１およびその接着部の電界強度を比較的低くし、誘電体損失による共振器の無負荷Ｑの低下を抑える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有するキャビティ内に、一端が前記キャビティに導通している中心導体を設けてなる半同軸共振器において、
前記中心導体の開放端付近に対向する前記キャビティの内面に、周波数温度係数が正である誘電体部材を配置した共振器装置。
【請求項２】
前記中心導体の開放端付近に対向する前記キャビティの内面は、前記中心導体が導通する前記キャビティの内面に対して略平行な面である請求項１に記載の共振器装置。
【請求項３】
前記中心導体の開放端付近に対向する前記キャビティの内面は、前記中心導体が突出する方向に対して略平行な前記キャビティの内側面である請求項１に記載の共振器装置。
【請求項４】
前記誘電体部材は、酸化チタン、チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウムのうち、少なくとも１種を含むセラミックである請求項１、２または３に記載の共振器装置。
【請求項５】
前記キャビティ内に誘電体コアを配置して、該誘電体コアと前記キャビティによる共振モードと、前記中心導体と前記キャビティによる共振モードとを磁気的に結合させてなる請求項１〜４のいずれかに記載の共振器装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の共振器装置と、該共振器装置の共振器に結合して信号の入出力を行う入出力導体を設けて成るフィルタ。
【請求項７】
請求項６に記載のフィルタを複数組設けて成る複合フィルタ装置。
【請求項８】
請求項６に記載のフィルタまたは請求項７に記載の複合フィルタ装置を設けて成る通信装置。
【発明の詳細な説明】
この発明は、導電性を有するキャビティ内に一端をキャビティに導通させた中心導体を設けてなる半同軸共振器構造の共振器装置、その構造を含むフィルタ、複合フィルタ装置およびそれらを備えた通信装置に関するものである。
【０００１】
【従来の技術】
従来、金属製のキャビティ内に、一端をキャビティに導通させた中心導体を設けて構成した半同軸共振器が、比較的大電力を扱うマイクロ波帯等の高周波機器内で用いられている。
【０００２】
このような半同軸共振器は、比較的高い無負荷Ｑ（Ｑｏ）が得られるという特徴を備えているが、金属製キャビティの線膨張係数に応じてその共振周波数が温度特性を持つという欠点があった。すなわち半同軸共振器の温度が高くなるほどキャビティが膨張し、それに伴って共振周波数が低下する。線膨張係数の非常に小さな金属材料を用いてキャビティを作成すれば、温度変化に対する共振周波数変化が実用上問題の無い範囲に収めることができる。しかしそのような材料は高価であることから全体にコスト高になる問題があった。
【０００３】
そこで、中心導体の開放端に温度補償用の誘電体部材を取りつけた共振器装置が特許文献１に開示されている。すなわち特許文献１の第３図には温度補償用の誘電体部材を対向電極に設けた構造が示されている。ここでその部分について主要部を抜き出して図７に示す。但し、本発明の実施形態に合わせるために図７では、特許文献１の第３図に示されている各部の符号とは異なった符号を付している。
【０００４】
図７において、金属製キャビティ１の内部に中心導体４を設け、キャビティ蓋２側に、中心導体４の開放端に対向する対向電極６、その対向電極６に取りつけた温度補償用の誘電体部材１２およびそれらを上下動させる周波数調整ネジ７を設けている。この周波数調整用の誘電体部材１２は、温度変化に伴う中心導体４の開放端と対向電極６との間に生じる容量の変化が、キャビティ本体１、キャビティ蓋２、中心導体４等の温度変化による膨張・収縮に起因して生じる共振周波数の変化を打ち消す方向に作用させるように、その誘電体材料を定めている。
【０００５】
【特許文献１】
実開昭６２−５１８０４号マイクロフィルム
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、誘電体部材１２を対向電極６に取り付けるためには接着剤を用いることになるので、その接着剤による誘電体損失が生じる。特に、図７に示した中心導体４の開放端とそれに対向する対向電極６には電界が集中するため、その部分に接着剤等が介在していると、誘電体部材１２以外にも接着剤の誘電体損失によって共振器の無負荷Ｑが低下するという問題があった。
【０００７】
この発明の目的は、特に線膨張係数の小さな金属材料をキャビティに用いることなく、且つ上述の無負荷Ｑの低下を抑えた温度安定性の高い共振器装置、フィルタ、フィルタ装置およびそれらを備えた通信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】
この発明の共振器装置は、導電性を有するキャビティ内に、一端が前記キャビティに導通している中心導体を設けてなる半同軸共振器において、
前記中心導体の開放端付近に対向する前記キャビティの内面に、周波数温度係数が正である誘電体部材を配置したことを特徴としている。
【０００９】
例えば、中心導体が導通するキャビティの内面に対して略平行なキャビティの内面に誘電体部材を配置する。または、中心導体が突出する方向に対して略平行なキャビティの内側面に誘電体部材を配置する。
【００１０】
このように、中心導体の開放端やそれに対向する対向電極の表面より電界の集中しない箇所に温度補償用誘電体部材を配置することによってＱｏの低下を防止しつつ温度安定性に優れた共振器装置を得る。
【００１１】
また、この発明の共振器装置は、前記誘電体部材を、酸化チタン、チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウムのうち、少なくとも１種を含むセラミックとする。
【００１２】
また、この発明の共振器装置は、キャビティ内に誘電体コアを配置して、該誘電体コアとキャビティによる共振モードと、中心導体とキャビティによる共振モードとを磁気的に結合させたことを特徴としている。この構造により、キャビティ内に半同軸共振器と誘電体共振器を構成して、限られた容積内により多くの共振器を設ける。また、キャビティの内面に温度補償用の誘電体部材を配置するので、誘電体共振器に対しては殆ど影響を与えずに半同軸共振器の温度補償を行う。
【００１３】
この発明のフィルタは、上記構成の共振器装置に、その共振器に結合して信号の入出力を行う入出力導体を設けて構成する。
【００１４】
この発明の複合フィルタ装置は、上記フィルタを複数組設けて構成する。
【００１５】
この発明の通信装置は、上記フィルタまたは複合フィルタ装置を用いて構成する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係る共振器装置について図１・図２を基に説明する。
図１は共振器装置の縦断面図である。キャビティ本体１は上面を開口していて、その開口面を正方形板状のキャビティ蓋２で覆うことによって、このキャビティ本体１とキャビティ蓋２とで全体が六面体形状を成すキャビティを構成している。キャビティ本体１の内底面の中央にはキャビティ本体１の底面を除く四側面に平行な方向に中心導体４を突出させている。この中心導体４が導通する前記キャビティの内面（内底面）に対して略平行な面、すなわちキャビティ蓋２の内面には温度補償用の誘電体部材１１を取り付けている。この例では、キャビティ蓋２の中心導体４の開放端部が対向する位置に誘電体部材１１を取り付けている。
【００１７】
キャビティ本体１およびキャビティ蓋２はそれぞれアルミニウムのダイキャストにより成型したものであり、中心導体４はキャビティ本体１と一体に成型している。このキャビティ本体１、中心導体４およびキャビティ蓋２はアルミニウムの切削加工により作成してもよい。誘電体部材１１は、酸化チタン（ＴｉＯ２  ）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ２  ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３  ）のうち、少なくとも１種を含むセラミックとする。
【００１８】
このようにして中心導体４からキャビティの内壁面への放射方向に電界ベクトルが向き、中心導体４を中心としてその周回方向に磁界ベクトルがループを描く半同軸共振器を構成している。この半同軸共振器の共振モードを以下、単に「ＴＥＭモード」という。
【００１９】
このように温度補償用の誘電体部材１１を中心導体４が対向する対向電極に設けるのではなく、キャビティの内面（キャビティ蓋２の内面）に取り付けたことにより、中心導体４の開放端からそれに対向するキャビティ内面（キャビティ蓋２の内面）までの間で電気力線は広がり、誘電体部材１１の位置では電界強度が比較的低くなる。そのため、誘電体部材１１を有機系の接着剤を用いてキャビティ蓋２の内面に接着しても、その接着剤による誘電体損失の割合は小さく、共振器の無負荷Ｑの低下が抑えられる。
【００２０】
なお、誘電体部材１１のキャビティ蓋２に対する接着面側をメタライズし、半田付けによって取り付けてもよい。その場合には上記有機系の接着剤層が存在しないため、誘電体部材１１の誘電体損失が生じるだけであり、無負荷Ｑの低下はさらに抑えられる。
【００２１】
図２は図１に示した構造の共振器装置の共振周波数−温度特性を示している。この特性を得た図１各部の寸法等は次の通りである。
【００２２】
Ｈ１：２５［ｍｍ］
Ｈ４：２０［ｍｍ］
φ：１０［ｍｍ］
Ｗ：２５［ｍｍ］
誘電体部材１１は厚みが２．５［ｍｍ］、縦・横がいずれも１０［ｍｍ］の正方形板状の誘電体板であり、比誘電率１０４の酸化チタン（ＴｉＯ２  ）セラミック材料からなる。その周波数温度係数は４５０ｐｐｍ／℃である。この周波数温度係数が正であることは、この誘電体部材を共振空間に備える共振器の共振周波数は温度上昇によって上昇することを意味している。すなわち温度上昇に伴ってその比誘電率は低下する。
【００２３】
図２に示すように、温度補償用の誘電体部材を設けない場合には、温度が−３０℃〜＋９０℃の間で共振周波数が約２２０８．５［ＭＨｚ］〜２２０６．３［ＭＨｚ］まで変化しているので、その周波数温度係数は−８．３ｐｐｍ／℃である。これに対し、温度補償用の誘電体部材を設ければ共振周波数が２２０７．５ＭＨｚで安定化し、−３０℃から＋９０℃まで殆ど変化しない。
【００２４】
このようにキャビティはアルミニウム製であるので、その熱膨張係数は２０ｐｐｍ／℃程度である。この場合、その他のシミュレーションによって確認したところ、誘電体部材１１の周波数温度係数を＋３００ｐｐｍ／℃以上とすることにより、キャビティの膨張・収縮による半同軸共振器の共振周波数の変化を実用上補償できることが判った。上記酸化チタン（ＴｉＯ２  ）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ２  ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３  ）のうち、少なくとも１種を含むセラミックであれば、周波数温度係数が＋３００ｐｐｍ／℃以上の誘電体部材を作成することができる。
【００２５】
次に、第２の実施形態に係る共振器装置の構成を図３を基に説明する。
図３の（Ａ），（Ｂ）はいずれも共振周波数の周波数調整機構を備えた共振器装置の縦断面図である。キャビティ蓋２には、端部に中心導体４の開放端と対向する対向電極６を備えた周波数調整ネジ７を螺合支持している。この周波数調整ネジ７の旋回によって、中心導体４の開放端と対向電極６との間隙を定め、その間に生じる容量の変化によって共振周波数を定める。
【００２６】
（Ａ）に示す例では、中心導体４が突出する方向に対して略平行なキャビティ本体１の内側面で、中心導体４の開放端付近に対向する位置に温度補償用の誘電体部材１１を配置している。（Ｂ）に示す例では、キャビティ蓋２側に温度補償用の誘電体部材１１ａ，１１ｂを取り付けている。いずれの場合も、この誘電体部材１１は中心導体４の開放端とキャビティ本体１の内面との間に生じる電界に影響を与えるので、周波数温度係数が正である誘電体部材１１を用いることにより、共振器の周波数−温度特性の補償を行うことができる。
【００２７】
図４は第３の実施形態に係る共振器装置の構成を示している。図４の（Ａ）はキャビティ蓋を取り除いた状態での上面図、（Ｂ）は共振器装置の中央縦断面図である。キャビティ本体１の内部には挿通孔を設けた誘電体コア３を、その孔に中心導体４を挿通させた状態で所定高さに支持している。支持台５は誘電体コア３より低誘電率の材料からなり、誘電体コア３をキャビティ本体１とキャビティ蓋２とからなるキャビティ内の略中央に支持している。
【００２８】
誘電体コア３には図における左右方向に（長手方向）電界が集中し、この誘電体コア３とキャビティとによってＴＭモードの誘電体共振器として作用する。但し、誘電体コア３には中心導体４が挿通しているので、ＴＭ０１δモードに準じたモードとなる。
【００２９】
また、半同軸共振器の共振モードは通常のＴＥＭモードとは異なり、キャビティ内に誘電体コア３が装荷されているので、また中心導体４の開放端とキャビティの天面との間のギャップが存在するため準ＴＥＭモードとなる。
【００３０】
誘電体コア３には中心導体４が挿通する孔とは別の孔ｈを設けている。これにより、誘電体コア３の長手方向に向くＴＭモードの電界ベクトルと、上記準ＴＥＭモードの電界ベクトルとの対称性を崩し、そのことにより両モードを結合させている。
【００３１】
このようにして１つのキャビティ内に半同軸共振器と誘電体共振器を含む多重化した共振器装置を構成する。その際、半同軸共振器の温度補償用の誘電体部材１１は誘電体共振器の電界強度の比較的低い部分に存在するので、誘電体部材１１は誘電体共振器の共振モードに影響を与えることがなく、誘電体共振器の共振周波数−温度特性は誘電体コア３の周波数温度係数のみにより定まる。したがって周波数温度係数の小さな誘電体材料からなる誘電体コア３を用いることにより、誘電体共振器の周波数−温度特性は安定化させることができる。
【００３２】
次に、第４の実施形態に係るフィルタの例を図５を基に説明する。
ここでは、キャビティを二点鎖線で表している。中心導体４ａ，４ｂの開放端はキャビティの内壁面から離間させている。中心導体４ａ，４ｂの開放端付近に対向するキャビティの内面には温度補償用の誘電体部材１１ａ，１１ｂをそれぞれ配置している。この例では、中心導体４が導通するキャビティの内底面に対して略平行な面と、中心導体４が突出する方向に対して略平行なキャビティの内側面とにそれぞれ接するように誘電体部材１１ａ，１１ｂをそれぞれ配置している。
【００３３】
この構造により、中心導体４ａとその周囲のキャビティとで準ＴＥＭモードの共振器として作用し、誘電体コア３ａと周囲のキャビティとによってＴＭモードの共振器として作用する。同様に中心導体４ｂとその周囲のキャビティとによって準ＴＥＭモードの共振器として作用し、誘電体コア３ｂと周囲のキャビティとによってＴＭモードの共振器として作用する。８ａ，８ｂはそれぞれ同軸コネクタであり、それらの中心導体とキャビティの内面との間を結合ループ９ａ，９ｂで接続している。これらの結合ループ９ａ，９ｂは、それらのループ面に上記ＴＭモードの磁界が鎖交し、且つ準ＴＥＭモードの磁界が殆ど鎖交しないように配置している。したがって、これらの結合ループ９ａ，９ｂは上記ＴＭモードと磁界結合する。
【００３４】
ｈａ，ｈｂは第１の実施形態において図４に示したｈに相当する結合調整用孔であり、これによりＴＭモードと準ＴＥＭモードとを結合させている。更に隣接する２つのキャビティの壁面に窓を設けて、その窓を跨ぐように結合ループ１０を設けている。この結合ループ１０のループ面は、ＴＭモードの磁界が鎖交せず、準ＴＥＭモードの磁界が鎖交する向きに配置しているので、二つのキャビティ内に生じる準ＴＥＭモードにそれぞれ磁界結合する。したがって、同軸コネクタ８ａから８ｂにかけて、ＴＭモード→準ＴＥＭモード→準ＴＥＭモード→ＴＭモードの順に結合して、全体として４段の共振器から成る帯域通過特性を有するフィルタとして作用する。
【００３５】
なお、図５に示した例では２つの共振器装置を組み合わせて４段の共振器を含むフィルタを構成したが、同様にして、複数の共振器装置を組み合わせ、送信フィルタと受信フィルタを備えるとともに、送信信号の出力ポートと受信信号の入力ポートとを共用する入出力ポートを設ければ、デュプレクサを構成できる。
【００３６】
次に、第５の実施形態として通信装置の構成を図６に示す。ここで、デュプレクサは上述の構成からなり、受信フィルタは受信信号の周波数を、送信フィルタは送信信号の周波数をそれぞれ通過させる。受信フィルタの出力ポートには受信回路を、送信フィルタの入力ポートには送信回路を、デュプレクサの入出力ポートにはアンテナをそれぞれ接続している。このことによって通信装置の高周波部を構成している。なお、通信装置の高周波部に単体のフィルタを用いる場合には図５に示した構成のフィルタを用いることができる。
【００３７】
【発明の効果】
この発明によれば、中心導体の開放端やそれに対向する対向電極の表面より電界の集中しない箇所に温度補償用誘電体部材を配置することによって、Ｑｏの低下を防止しつつ温度安定性に優れた共振器装置を得ることができる。
【００３８】
特に、中心導体が導通するキャビティの内面に対して略平行なキャビティの内面に誘電体部材を配置することにより、比較的電界強度の高い領域に誘電体部材を配置することになり、比較的小体積の誘電体部材を用いて温度補償することができる。また、この誘電体部材を接合するキャビティの内面は中心導体を設けるキャビティ本体とは別体で構成できるので、誘電体部材の接合が容易となる。
【００３９】
また、中心導体が突出する方向に対して略平行なキャビティの内側面に誘電体部材を配置することにより、電界強度のより低い領域に誘電体部材を配置することとなり、Ｑｏの低下を十分に防止することができる。
【００４０】
また、この発明によれば、温度補償用の誘電体部材を、酸化チタン、チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウムのうち、少なくとも１種を含むセラミックとすることにより、温度補償に適した周波数温度係数の誘電体部材を作成することができる。
【００４１】
また、この発明によれば、キャビティ内に誘電体コアを配置して、該誘電体コアとキャビティによる共振モードと、中心導体とキャビティによる共振モードとを磁気的に結合させたことにより、キャビティ内に半同軸共振器と誘電体共振器を構成して、限られた容積内により多くの共振器を設けることができる。また、キャビティの内面に温度補償用の誘電体部材を配置するので、誘電体共振器に対しては殆ど影響を与えずに半同軸共振器の温度補償を行うことができる。
【００４２】
また、発明によれば、上記構成の共振器装置を備えたフィルタ・複合フィルタ装置を構成することにより、小型軽量で段数の多いフィルタ・複合フィルタ装置が得られる。
また、この発明によれば、小型・軽量の通信装置が構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る共振器装置の構成を示す図
【図２】同共振器装置の周波数−温度特性の例を示す図
【図３】第２の実施形態に係る２つの共振器装置の構成を示す図
【図４】第３の実施形態に係る共振器装置の構成を示す図
【図５】第４の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図６】第５の実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図
【図７】従来の共振器装置の構成を示す図
【符号の説明】
１−キャビティ本体
２−キャビティ蓋
３−誘電体コア
４−中心導体
５−支持台
６−対向電極
７−周波数調整ネジ
８−同軸コネクタ
９，１０−結合ループ
１１，１２−誘電体部材
【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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