(57)【要約】【課題】誘電体共振器の無負荷Ｑ（Ｑｕ）の悪化を防止し、スプリアス特性を改善し、さらに接着剤硬化時の気泡による問題を解消した誘電体共振器の実装構造、その構造を備えたフィルタ、デュプレクサ、発振器および通信機装置を提供する。【解決手段】線路導体２１ａ，２１ｂを形成した樹脂製回路基板２に、ＴＥ０１δモードで共振する誘電体共振器１を、回路基板２に形成した貫通孔２０を覆うように、樹脂系の接着剤を用いて接着固定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
線路導体を形成した樹脂製回路基板にＴＥ０１δモードで共振する誘電体共振器を接着固定した誘電体共振器の実装構造において、
回路基板の誘電体共振器実装個所に、該実装個所に対する誘電体共振器の接合面積、または前記実装個所に対する誘電体共振器の支持台の接合面積を、誘電体共振器底面積の１０％以上確保する内径を有し、且つ誘電体共振器の外径の５０％以上の内径を有する貫通孔が形成されていて、該貫通孔を覆うように前記誘電体共振器または支持台が樹脂系の接着剤で接着固定されていることを特徴とする誘電体共振器の実装構造。
【請求項２】
請求項１に記載の誘電体共振器の実装構造を備え、前記誘電体共振器と、該誘電体共振器に結合する入出力手段と、誘電体共振器および入出力手段を収納するキャビティと、を設けてなるフィルタ。
【請求項３】
請求項２に記載のフィルタを２組備え、一方を送信フィルタ、他方を受信フィルタとし、請求項２に記載の入出力手段を、送信フィルタを構成する誘電体共振器に結合する送信信号入力部、受信フィルタを構成する誘電体共振器に結合する受信信号出力部、および送信フィルタを構成する誘電体共振器と受信フィルタを構成する誘電体共振器にそれぞれ結合する送受信信号入出力部に設けてなるデュプレクサ。
【請求項４】
請求項１に記載の誘電体共振器の実装構造を備え、該誘電体共振器に結合する線路導体と、発振用能動素子と、誘電体共振器、線路導体および発振用能動素子を収納するキャビティと、を設けてなる発振器。
【請求項５】
請求項１に記載の誘電体共振器の実装構造、請求項２に記載のフィルタ、請求項３に記載のデュプレクサ、または請求項４に記載の発振器のいずれかを備えてなる通信機装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回路基板に対する誘電体共振器の実装構造、その実装構造を備えたフィルタ、デュプレクサ、発振器および通信機装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、基板上に形成した回路の一部として誘電体共振器を設ける場合、その基板に対して誘電体共振器を直接実装する構造が採られている。例えばマイクロ波帯の発振器を構成する場合、アルミナ基板上に円柱形状の誘電体共振器を実装し、その誘電体共振器を基板上のマイクロストリップラインに対して磁界結合させるように構成している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−３０８２０８号公報（図１，図２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
例えば低雑音で温度特性安定性に優れた発振器を構成する場合、無負荷Ｑ（Ｑｕ）の高いＴＥ０１δモードの誘電体共振器が用いられる。しかし、特許文献１に示されているように、アルミナ基板等のセラミック基板を用いると、回路基板自体が高価である。このような基板に代えて安価なガラスエポキシ等の樹脂基板を用い、その回路基板に誘電体共振器を接着固定すれば、低コスト化が図れる。
【０００５】
しかし樹脂製回路基板を用いた場合、その回路基板のｔａｎδが誘電体共振器のｔａｎδに比べて非常に大きく、回路基板への実装状態での誘電体共振器のＱｕを低下させてしまう。
【０００６】
また、回路基板に樹脂系の接着剤を用いて誘電体共振器を接着固定すれば、接着時の加熱の際に、回路基板と誘電体共振器との界面に存在していた空気が気泡となって膨張したり、接着剤層から何らかのガスの気泡が発生したりする。その結果、誘電体共振器の実装位置がずれたり、回路基板と誘電体共振器との界面に気泡が残留して、電気的特性がばらつくと言う問題が生じる。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、誘電体共振器のＱｕの悪化を防止し、スプリアス特性を改善し、さらに接着剤硬化時の気泡による問題を解消した誘電体共振器の実装構造を提供することにある。
【０００８】
またこの発明の目的は、上記誘電体共振器の実装構造を備えたフィルタ、デュプレクサ、発振器および通信機装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の誘電体共振器の実装構造は、線路導体を形成した樹脂製回路基板の誘電体共振器実装箇所に、該実装個所に対する誘電体共振器の接合面積、または前記実装個所に対する誘電体共振器の支持台の接合面積を、誘電体共振器底面積の１０％以上確保する内径を有し、且つ誘電体共振器の外径の５０％以上の内径を有する貫通孔を形成していて、該貫通孔を覆うように誘電体共振器または支持台を樹脂系の接着剤で接着固定したことを特徴としている。
【００１０】
このような構造により、回路基板部分が誘電体共振器に与える影響を小さくしてＱｕの悪化を防止し、スプリアスモードによる影響を抑制し、さらに接着剤層で生じる気泡の問題を解消する。
【００１１】
この貫通孔の内径を誘電体共振器の外径の５０％以上とするのは、後に示す実施形態で明らかとなるように、誘電体共振器のＱｕの改善効果およびスプリアスモードの改善効果を得るためである。また回路基板の実装個所に対する誘電体共振器または該誘電体共振器の支持台の接合面積を１０％以上確保するのは、後に示す実施形態で明らかとなるように、充分な接着強度を得るためである。
【００１２】
なお、特許文献１には、誘電体共振器が搭載される位置にトリミングによる共振周波数調整用の貫通孔が生じている例が示されているが、この特許文献１には貫通孔の内径についての言及がなく、図では貫通孔の内径は明らかに誘電体共振器の外径の５０％未満である。
【００１３】
また、この発明のフィルタは、上記誘電体共振器の実装構造を備え、誘電体共振器とそれに結合する入出力手段と、それらを収納するキャビティとを備えて構成する。
【００１４】
また、この発明のデュプレクサは、上記フィルタを２組備え、一方を送信フィルタ、他方を受信フィルタとし、送信フィルタを構成する誘電体共振器に結合する送信信号入力部、受信フィルタを構成する誘電体共振器に結合する受信信号出力部、および送信フィルタを構成する誘電体共振器と受信フィルタを構成する誘電体共振器にそれぞれ結合する送受信信号入出力部を設けて構成する。
【００１５】
また、この発明の発振器は、上記誘電体共振器の実装構造を備え、誘電体共振器に結合する線路導体と、発振用能動素子と、それらを収納するキャビティとから構成する。
【００１６】
また、この発明の通信機装置は、上記誘電体共振器の実装構造、フィルタ、デュプレクサまたは発振器のいずれかを備えて構成する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この発明の誘電体共振器の実装構造を備えたフィルタを第１の実施形態として、図１〜図５を参照して説明する。
図１は回路基板に誘電体共振器を実装した状態での断面図である。ここで１は円柱形状の誘電体共振器、２はガラスエポキシ系基板等の樹脂製回路基板である。回路基板２には、誘電体共振器１の実装箇所に貫通孔２０を設けている。この例では、誘電体共振器１と貫通孔２０のそれぞれの中心軸を等しくしている。この貫通孔２０の内径ｄを誘電体共振器１の外径Ｄの５０％以上９５％以下の関係としている。この貫通孔２０の内径ｄを誘電体共振器１の外径Ｄの９５％以下にする関係は、面積に換算して、実装個所に対する誘電体共振器の接合面積を、誘電体共振器底面積の１０％以上となるように貫通孔２０の内径ｄを定めていることと換言できる。この換算については後述する。
【００１８】
回路基板２の上面には、誘電体共振器１のＴＥ０１δモードの磁界に対して結合する線路導体２１ａ，２１ｂを設けている。また、図１では示していないが、回路基板２の上面に、誘電体共振器１および貫通孔２０と同心の、キャビティとしての円筒キャップ形状の金属ケースを被せることによって、その内部を共振空間とする。
【００１９】
図１において、誘電体共振器１の比誘電率εｒを３８、外径Ｄを５．３ｍｍ、高さ（厚み）を２．８ｍｍとし、回路基板２を厚み１ｍｍのガラスエポキシ基板とし、共振空間を決定する前記金属ケースの寸法および貫通孔２０の内径ｄを変化させた時の共振器の特性をシミュレーションした。その結果を図２に示す。図２においてΔＱｕは、貫通孔２０が存在しない時の共振器の無負荷Ｑ（Ｑｕ）を基準とした、そのＱｕの変化率を表している。また、ｆ０は利用するＴＥ０１δモードの共振周波数、ｆ２はスプリアスモードであるＴＭ０１０モードの共振周波数である。
【００２０】
図３は図２に示した結果のうち、特に誘電体共振器１の外径Ｄに対する貫通孔２０の内径ｄの比とΔＱｕとの関係を示している。この図３から明らかなように、キャビティ（金属ケース）のサイズに関わらず、誘電体共振器の外径Ｄに対する貫通孔の内径ｄの比（以下、「ｄ／Ｄ比」という。）が大きくなるほどＱｕは上昇することが分かる。例えばｄ／Ｄを５０％以上にすればＱｕが３％以上改善できることが分かる。
【００２１】
図４は、図２に求めた結果のうち、特にｄ／Ｄ比と共振周波数との関係を示している。このように貫通孔２０の内径ｄを変化させても、利用するＴＥ０１δモードの共振周波数ｆ０はほとんど一定であるのに対し、スプリアスモードであるＴＭ０１０モードの共振周波数ｆ２は、貫通孔２０の内径ｄが大きくなるほど上昇することがわかる。例えばｄ／Ｄ比を５０％にすると、ＴＭ０１０モードの共振周波数ｆ２は約２００ＭＨｚ上昇することが分かる。
【００２２】
ＴＭ０１０モードの共振周波数ｆ２がＴＥ０１δモードの共振周波数ｆ０に近い場合、不要な周波数成分が重畳された発振信号が出力される。しかし、このように貫通孔２０を設けたことにより、ＴＭ０１０モードの共振周波数ｆ２はＴＥ０１δモードの共振周波数ｆ０から大きく離れて、スプリアス特性が改善できる。
【００２３】
以上の結果から、Ｑｕの改善およびスプリアス特性の改善のためには、貫通孔２０の内径ｄを大きくするほどより大きな効果が得られる。しかしその分、誘電体共振器１と回路基板２との接着面積が減少するので、必要な接着強度を確保するために貫通孔２０の内径に上限を設ける。ここで、ｄ／Ｄ比と接着強度安全係数との関係を図５に示す。この「接着強度安全係数」は、所望の耐衝撃性を満たすための必要な接着強度に対する安全係数である。図によれば、ｄ／Ｄ比が９５％のとき接着強度の安全係数が約２であり、十分な接着強度が得られることがわかる。換言すると、面積に換算して、実装個所に対する誘電体共振器の接合面積を誘電体共振器底面積の１０％以上となるように貫通孔２０の内径ｄを定めれば、十分な接着強度が得られることがわかる。
【００２４】
ここで、
接合面積／誘電体共振器底面積
＝｛π（Ｄ／２）２  −π（ｄ／２）２  ｝／π（Ｄ／２）２  
＝１−（ｄ／Ｄ）２  
の関係にある。よって、ｄ／Ｄ比が９５％のとき接合面積／誘電体共振器底面積は１−（０．９５）２  ≒０．１である。したがって、実装個所に対する誘電体共振器の接合面積が、誘電体共振器底面積の１０％以上となるように貫通孔内径ｄの上限を定める。
【００２５】
さて、図１に示した回路基板１は、ガラスエポキシ系基板という樹脂製回路基板であるので、樹脂系の接着剤（例えばエポキシ系接着剤）を用い、例えば１５０℃等の高温で加熱して、回路基板２に誘電体共振器１を接着固定する。その際、回路基板２と誘電体共振器１の底面との界面は、広い範囲にわたって接着剤層が介在されず、貫通孔２０によって開放されるので、接着剤の加熱硬化時の熱で、回路基板と誘電体共振器との界面に存在していた空気や、接着剤層から発生したガスは貫通孔２０から速やかに開放される。その結果、誘電体共振器１の実装位置がずれたり、回路基板と誘電体共振器との界面に気泡が残留して、電気的特性がばらつくといった問題が回避できる。
【００２６】
次に、第２の実施形態に係る誘電体共振器の実装構造について、図６〜図８を参照して説明する。
これらの図はいずれも実装状態での断面図である。図６に示す例では、円柱形状の誘電体共振器１と回路基板２との間に円柱形状の支持台３を介在させている。また図７に示す例では、回路基板２と誘電体共振器１との間に円筒形状の支持台３を介在させている。図６および図７において、支持台３はフォルステライト等の低誘電率材料からなる。この図６，図７に示すように支持台３を設けた場合には、貫通孔の内径は、誘電体共振器の外径の５０％以上で、且つ回路基板への接合面積が、誘電体共振器底面積の１０％以上となるように貫通孔内径ｄの上限を定める。
【００２７】
図８に示す例では、全体に円柱形状を成す誘電体共振器１の底面部分に円錐台形状の窪みを設けて、その窪みが回路基板２に形成した貫通孔２０を覆うように誘電体共振器１を実装している。この図８に示すような構造の場合、貫通孔の内径は、誘電体共振器の外径の５０％以上で、且つ回路基板への接合面積が、誘電体共振器底面積の１０％以上となるように貫通孔内径ｄの上限を定める。なお、この図８に示す例では、ガス抜きの効果が大きい
図６〜図８の何れの場合も、ＴＥ０１δモードの電界は回路基板２からより離れた位置に集中するため、回路基板２の影響を受けにくいが、回路基板２に貫通孔２０を設けることによって、Ｑｕをさらに改善し、ＴＭ０１０モードの共振周波数を相対的にさらに上昇させることができる。
【００２８】
次に、第３の実施形態に係る発振器の構成について、図９および図１０を参照して説明する。
図９は図１に示した誘電体共振器の実装構造を備えた発振器の外観斜視図である。但し、キャビティとしての金属ケースを取り除いた状態で示している。ここで回路基板２の上面には線路導体（マイクロストリップライン）２１〜２４を形成している。また、回路基板２の上面には、発振用能動素子ＦＥＴ、チップ抵抗Ｒ１，Ｒ２、チップコンデンサＣ１をそれぞれ実装している。さらに、回路基板２の上面には誘電体共振器１を実装している。この回路基板２の全体の上部には、図外の、キャビティとしての金属キャップを被せる。
【００２９】
図１０は図９に示した発振器の回路図である。図１０中の符号は、図９中の符号に対応している。線路２１の端部は抵抗Ｒ１で終端していて、もう一方の端部にＦＥＴのゲートを接続している。ＦＥＴのドレインには、線路２２とコンデンサＣ１によるバイアス電圧印加回路を接続している。Ｖｂはバイアス電圧を示している。ＦＥＴのソースは、抵抗Ｒ２と線路２４を介して接地している。ＦＥＴのドレインには、スタブとしての線路２３を接続している。そして、ＦＥＴのソースからコンデンサＣ２を介して発振信号を取り出すようにしている。
【００３０】
誘電体共振器１は、線路２１の所定位置に結合させている。これにより、全体に帯域反射型発振回路を構成している。
【００３１】
次に、第４の実施形態に係るデュプレクサの構成を図１１に示す。
ここで、デュプレクサは送信フィルタと受信フィルタとから構成している。この送信フィルタと受信フィルタは、いずれも、前述した構成のフィルタである。
送信フィルタの出力ポートと受信フィルタの入力ポートとの間は、送信信号が受信フィルタ側へ回り込まないように位相調整を行っている。このデュプレクサの送信信号入力ポートには送信回路を、受信信号出力ポートには受信回路をそれぞれ接続している。また、アンテナポートにはアンテナを接続している。
【００３２】
次に、第５の実施形態に係る通信装置の構成例を図１２を参照して説明する。
図１２においてＡＮＴは送受信アンテナ、ＤＰＸはデュプレクサ、ＢＰＦａ，ＢＰＦｂはそれぞれ帯域通過フィルタ、ＡＭＰａ，ＡＭＰｂはそれぞれ増幅回路、ＭＩＸａ，ＭＩＸｂはそれぞれミキサ、ＯＳＣは発振器、ＳＹＮは周波数シンセサイザである。ここで、発振器ＯＳＣ部分に前記構成の発振器を用いる。
【００３３】
ＭＩＸａは送信中間周波信号ＩＦと、ＳＹＮから出力された信号とを混合し、ＢＰＦａはＭＩＸａからの混合出力信号のうち送信周波数帯域のみを通過させ、ＡＭＰａはこれを電力増幅してＤＰＸを介しＡＮＴより送信する。ＡＭＰｂはＤＰＸから取り出した受信信号を増幅する。ＢＰＦｂはＡＭＰｂから出力される受信信号のうち受信周波数帯域のみを通過させる。ＭＩＸｂは、ＳＹＮから出力された周波数信号と受信信号とをミキシングして受信中間周波信号ＩＦを出力する。
【００３４】
【発明の効果】
この発明によれば、線路導体を形成した樹脂製回路基板の誘電体共振器実装箇所に、該実装個所に対する誘電体共振器の接合面積、または前記実装個所に対する誘電体共振器の支持台の接合面積を、誘電体共振器底面積の１０％以上確保する内径を有し、且つ誘電体共振器の外径の５０％以上の内径を有する貫通孔を形成していて、該貫通孔を覆うように誘電体共振器または支持台を樹脂系の接着剤で接着固定したことにより、回路基板部分による誘電体共振器への影響が小さくなり、誘電体共振器を回路基板へ実装することによるＱｕの悪化を防止できる。
また、スプリアスモードによる影響が抑制できる。さらに誘電体共振器の十分な接着固定強度を維持しつつ接着剤層で生じる気泡の問題が解消できる。
【００３５】
また、この発明によれば、Ｑが高く、スプリアス特性に優れ、特性ばらつきの少ないフィルタおよびデュプレクサが得られる。
また、この発明によれば、Ｃ／Ｎ比が高く、温度安定性の高い発振器が得られる。
【００３６】
また、この発明によれば、耐衝撃性が高く、高Ｑ低スプリアス特性のフィルタやデュプレクサを用い、またＣ／Ｎ特性の優れた発振器を用いたことにより、高周波回路特性に優れた通信機装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る誘電体共振器の実装構造の断面図
【図２】金属ケースの寸法および回路基板に形成した貫通孔の大きさを変化させた時の共振器の特性変化の例を示す図
【図３】誘電体共振器の外径に対する貫通孔の内径比と、誘電体共振器のＱｕの改善効果との関係を示す図
【図４】誘電体共振器の外径に対する貫通孔の内径比と共振周波数との関係を示す図
【図５】誘電体共振器の外径に対する貫通孔の内径比と、誘電体共振器の接着強度安全係数との関係を示す図
【図６】第２の実施形態に係る誘電体共振器の実装構造の断面図
【図７】誘電体共振器の実装構造の他の例を示す断面図
【図８】さらに別の誘電体共振器の実装構造を示す断面図
【図９】第３の実施形態に係る発振器の外観斜視図
【図１０】同発振器の回路図
【図１１】第４の実施形態に係るデュプレクサのブロック図
【図１２】第５の実施形態に係る通信機装置のブロック図
【符号の説明】
１−誘電体共振器
２−回路基板
３−支持台
２０−貫通孔
２１−線路導体
【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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