(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状に成形された導波管を有しており、
前記導波管の外周に沿って、前記導波管を形成する材料よりも線膨張係数が小さい材料により形成された帯状部材が装着されている、
高周波部品。
【請求項２】
前記帯状部材は、前記導波管内に発生する電界が最も大きな部分に装着される、
請求項１記載の高周波部品。
【請求項３】
前記帯状部材を貫通して前記導波管に少なくとも一部が挿入される金属製のポストが設けられており、
前記ポストが前記導波管内に発生する電界の方向と同じ方向に移動可能になっており、前記導波管に挿入される量により共振周波数が決まるようになっている、
請求項１記載の高周波部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波帯ないしミリ波帯で動作する高周波無線通信装置等に用いられる高周波部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波帯以上の高周波帯で使用される従来の代表的な円形導波管型のＴＥ１１１モードの共振器の動作原理を、図１０を参照して説明する。
この種のＴＥ１１１モードの共振器は、その両端が端板で閉じられた金属製の円筒キャビティ１０と、それぞれ基本モードがＴＥ１０の方形導波管である入力導波管１１及び出力導波管１２とを備えている。円筒キャビティ１０の両端の端板には、入力用導波管１１のＴＥ１０モードを円形導波管のＴＥ１１モードに変換するための結合孔１３と、円形導波管のＴＥ１１モードを出力用導波管１１のＴＥ１０モードに変換するための結合孔１４とが形成されている。各結合孔１３、１４では、それぞれ結合度Ｋで、円形導波管ＴＥ１１モードの主電界１５と結合する。なお、図１０は、共振次数が「１」の場合の例であり、主電界１５は単一方向となる。
【０００３】
入力導波管１１に導かれたＴＥ１０モードの電磁波は、結合孔１３により、結合度ＫでＴＥ１１モードに変換され、円筒キャビティ１０に導かれる。また、円筒キャビティ１０におけるＴＥ１０モードの電磁波は、結合度Ｋで出力側の結合孔１４に導かれるが、結合孔１４の位置を、共振器の軸長が所望の共振周波数の半波長になる位置とすることで、全体として、ＴＥ１１１モードの共振器として動作するようになっている。
ＴＥ１１１モードで動作するときの共振器の等価回路図を図１１に示す。図中、Ｋは、それぞれ結合孔１３、１４の結合度を示している。図１１に示すように、円筒キャビティ１０は、ＬＣ共振回路となる。図１２は、円形導波管のＴＥ１１モードの電磁界分布である。実線は電界分布、破線は磁界分布を示している。
【０００４】
円筒キャビティ１０には、共振周波数を可変する目的で、円筒キャビティ１０内にその先端が挿入される金属ポスト等を設ける場合がある。図１３は、図１０に示したＴＥ１１１モードの共振器の円筒キャビティ１０を、便宜上、部分的に示した図である。図示の例では、金属ポスト２１、２２が、円筒キャビティ１０のほぼ中央部であって、その先端が主電界１５の方向と同じ方向に移動可能に挿入される。図１４は、図１３のように金属ポスト２１、２２が配置された円筒キャビティ１０の断面図である。図示されるように、金属ポスト２１、２２がＴＥ１１１モードの主電界１５の方向と同じ方向に移動可能に挿入されることで、ＬＣ共振回路のうちＣの部分、つまり容量性リアクタンスが変化し、共振周波数が変動する。一般に、挿入量が多くなると容量性リアクタンスが大きくなり、共振周波数が低下する。これが、一般的なＴＥ１１１モードの共振器の動作原理である。
【０００５】
なお、金属ポスト２１、２２を円筒キャビティ１０のほぼ中央部に配置するのは、容量性リアクタンスの変化を大きくするための一手法にすぎない。金属ポスト２１、２２の配置位置は、所望の変化量に応じて決めればよい。
図１０に示した共振器における共振次数を「２」にしたときの電界分布を図１５に示す。この図１５から判るように、共振次数が「２」になると、主磁界１６の方向は２方向となる。共振次数は、「３」以上になることもあるが、共振次数は、所望の要求性能にしたがって決めれば良いことなので、ここでは、「３」以上の場合については省略する。
【０００６】
ＴＥ１１１モードの共振器には、種々の変形例がある。
図１６は、変形例の一つであり、円形導波管型の２重ＴＥ１１１モードの共振器を示す図である。便宜上、図１０に示した共振器と同じ構成要素については、同じ符号を付してある。図１０との相違点は、共振器内の２つの直交する電界を結合させて、いわゆる２重ＴＥ１１モードにした点にある。
「２重ＴＥ１１モード」とは、一つの共振器で、円形導波管における水平偏波ＴＥ１１モードと垂直偏波ＴＥ１１モードとを互いに直交させるモードを指し、単一のＴＥ１１モードを縦続に２個接続したことと等価となる。
【０００７】
図１７は、図１６に示した共振器の円筒キャビティ１０のみを示す図である。この円筒キャビティ１０には、共振周波数を可変にするために、ほぼ中央部に金属ポスト２３、２４が配置されている。金属ポスト２３は、その先端が垂直偏波の主電界１５１の方向と同じ方向に移動可能に挿入される。金属ポスト２４は、その先端が水平偏波の主電界１５２の方向と同じ方向に移動可能に挿入される。図１８は、この円筒キャビティ１０の中央付近の断面図である。金属ポスト２３、２４が共振モードＴＥ１１１の垂直／水平の主電界１５１、１５２に対して同じ方向に挿入されるので、共振器の容量性リアクタンスが増加して、共振周波数が変動する。金属ポスト２３、２４を共振器の中央付近に配置するのは、容量性リアクタンスの変化を大きくするためであり、所望の変化量に応じて配置位置が決められる。
【０００８】
図１９は、従来の円形導波管型の２重ＴＥ１１１モードの共振器を縦続接続して構成した導波管帯域通過フィルタを示す図である。図２０は、この帯域通過フィルタの等価回路図である。Ｋ１は、結合孔１３、１４の結合度であり、Ｋ２は、２つの直交する電界１５１、１５２間の結合度であり、Ｋ３は、円筒キャビティ１０内の結合孔１６の結合度である。
【０００９】
以上のような従来技術において問題になるのが、温度変化に伴う共振周波数の変動である。通常、円形導波管型の共振器は、金属を加工して製作するが、湿度を一定に保ったときに共振周波数が温度変化により変動する理由は主に２つある。
第１の理由は、温度変化により、共振器材料の線膨張係数に依存する円形導波管の直径が変動することにある。
第２の理由は、温度変化により、共振器材料の線膨張係数に依存する円筒共振器の軸長が変動することである。
【００１０】
円形導波管型のＴＥ１１ｎモードの共振器の共振周波数ｆ0は、式（１）で表される。
ｆ0＝ｃ√（（Ｘ／π）２＋（ｎＤ／２Ｌ）２）／Ｄ  …（１）
Ｄ：円形導波管の直径、Ｌ：共振軸長、ｎ：共振次数、ＴＥ１１１モードの場合「１」、Ｘ：ＴＥ１１モードの場合、１．８４１
【００１１】
円形導波管型の共振器の温度変化を考慮した物理寸法は、共振器を構成している部材の線膨張係数αによって、式（２）、（３）のように表される。
Ｄ＝Ｄ＋α・Δｔ・Ｄ  …（２）
Ｌ＝Ｌ＋α・Δｔ・Ｌ  …（３）
【００１２】
共振器の直径Ｄおよび高さＬは、温度が上昇するにつれて膨張して大きくなる。例えば、７[GHz］帯の共振器において、温度変化により共振周波数は、共振器部材の線膨張係数がα１またはα２（α１＞α２）のとき、図２１の実線および破線のように変動する。
【００１３】
図２１より明らかなように、共振周波数の温度依存性は負の傾きを持ち、変動率は、共振器の線膨張係数に依存する。従来、円形導波管型のＴＥ１１ｎモードの共振器を単体で使う場合も、或いは帯域通過フィルタを構成して使う場合でも、共振周波数の温度変動は好ましくないので、温度変動を抑止するために、共振器の材料として線膨張係数が極めて小さいものを選んでいる。
【００１４】
例えば線膨張係数が１２×１０−６／Ｋの鉄により形成された共振器の共振周波数は、この線膨張係数に応じた温度変動率であるが、鉄とニッケルの合金であるインパーを使った場合には温度変動率がその１０分の１に改善される。
しかし、共振周波数の温度変化による変動を抑止するために線膨張係数の極めて小さい金属材料を採用せざるを得ないことは、コスト高につながり、また、このような金属材料は入手が困難である。
【００１５】
特許文献１には、ＴＥ１０共振器の膨張、収縮による共振周波数の変動を、共振器に駆動機構を設けて周波数調整ねじの挿入量を変化させることで相殺する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平９−２７５３０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、高価で入手性の悪い金属材料を使うことなく、共振周波数の温度による変動を抑止する高周波部品を提供することを主たる課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決する本発明の高周波部品は、筒状に成形された導波管を有しており、前記導波管の外周に沿って、前記導波管を形成する材料よりも線膨張係数が小さい材料により形成された帯状部材が装着されている。
このような構成の高周波部品は、帯状部材を備えることで導波管の径方向の温度変化に起因する寸法の変化が抑制される。そのために、式（１）で示したような導波管のサイズの温度変化に伴う共振周波数の変動が抑止される。
【００１８】
前記帯状部材は、例えば、前記導波管内に発生する電界が最も大きな部分に装着されると、共振周波数の温度変化に伴う変動を抑止する効果が高くなる。
なお、このような高周波部品には、前記帯状部材を貫通して前記導波管に少なくとも一部が挿入される金属製のポストを設けてもよい。この場合、前記ポストが前記導波管内に発生する電界の方向と同じ方向に移動可能になっており、前記導波管に挿入される量により共振周波数が決まるようになる。
【００１９】
本発明の高周波部品は、筒状に成形された導波管と、前記導波管の外周から導波管内に少なくとも一部が挿入されており、前記導波管を形成する材料よりも線膨張係数が小さい材料により形成された調整用ポストと、を備えている。前記ポストが前記導波管内に発生する電界の方向と同じ方向に移動可能になっており、前記導波管に挿入される量により共振周波数が決まるようになっている。
【００２０】
調整用ポストは、高周波部品を共振器として用いた場合に容量性リアクタンスを生成する。調整用ポストが移動可能、つまり導波管内への挿入量が可変なので、共振周波数が可変になる。この調整用ポストの温度変化に対する寸法の変動は、線膨張係数の関係で導波管よりも小さい。そのために、共振周波数の温度変化に伴う変動を抑止できる。調整用ポストの材料は金属に限定する必要がなく、低線膨張係数が容易に得られるセラミックなども用いることができる。
前記調整用ポストは、例えば、前記導波管内に発生する電界が最も大きな部分に装着されることで、共振周波数の温度変化に伴う変動を抑止する効果が高くなる。
【発明の効果】
【００２１】
上記のような本発明により、高価で入手性の悪い金属材料の使用量を減らして、共振周波数の温度による変動を抑止する安価な高周波部品を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る円形導波管型のＴＥ１１１モードの共振器を示す図である。
図１０に示す従来の共振器との相違点は、円筒キャビティ１０に用いる材料よりも線膨張係数が低い材料により、円筒キャビティ１０の外周に沿って帯状部材２０を設けた点である。帯状部材２０は、円筒キャビティ１０に、例えば蝋付けにより接合されている。なお、図１では、共振周波数を調整可能にするために、図１３に示すような金属ポスト１０、１１を、帯状部材２０を貫通して円筒キャビティ１０に挿入している。第１実施形態では、円筒キャビティ１０の材料が線膨張係数１２×１０−６／Ｋの鉄であり、帯状部材２０の材料が線膨張係数１．２×１０−６／Ｋのインバーである。
【００２３】
円筒キャビティ１０と帯状部材２０とを同じ材料で作成した場合、線膨張係数が同じなので、温度変化に対する共振周波数の変動率は従来と変わらない。しかし、帯状部材２０の線膨張係数を円筒キャビティ１０の線膨張係数よりも低くすると、帯状部材２０の温度による形状の変化が円筒キャビティ１０の温度による形状の変化よりも小さいので、温度の変化により円筒キャビティ１０が直径方向に変形しようとしても、帯状部材２０がそれを妨げるようになる。そのために、円筒キャビティ１０の温度変化による共振周波数の変動が抑えられる。特に、図１では帯状部材２０を円筒キャビティ２０の中央に設けているために、円筒キャビティ２０の中央に電界が最も大きな部分があるＴＥ１１１モードの共振器の温度変化による共振周波数の変化を抑止する効果が大きい。
【００２４】
なお、この実施形態では帯状部材２０が円筒キャビティ１０を完全に囲うリング状になっているが、リング状でなく一部が欠けた形状であっても、同様の効果が得られることはいうまでもない。また、帯状部材２０にインバーを用いるが、全体をインバーで構成するよりもはるかに低コストに抑えることができる。
【００２５】
［第２実施形態］
図２は、第２実施形態に係る円形導波管型のＴＥ１１２モードの共振器を示す図である。第１実施形態の共振器との相違点は、共振次数が「２」のため、共振器の内部で電界が最も大きくなる部分が２箇所発生するので、この場所に合わせて２つの帯状部材２０１、２０２を配置した点である。帯状部材２０１、２０２にも、共振周波数を調整するための金属ポスト２１Ａ、Ｂ、２２Ａ、Ｂが設けられている。
第２実施形態の共振器は、上記のような第１実施形態の共振器との相違点を有するが、帯状部材２０１、２０２による温度変化に対する共振周波数の変動の抑止については、第１実施形態と同じである。
【００２６】
［第３実施形態］
図３は、第３実施形態に係る円形導波管型の２重ＴＥ１１１モードの共振器を示す図である。第１実施形態との相違点は、２重ＴＥ１１モードの共振周波数を調整するための金属ポスト２３、２４が垂直偏波と水平偏波の主電界１５１、１５２に対応して、設置されている点である。金属ポスト２３は垂直偏波の主電界１５１の方向と同じ方向に移動可能に挿入される。金属ポスト２４は水平偏波の主電界１５２の方向と同じ方向に移動可能に挿入される。
第３実施形態の共振器は、上記のような第１実施形態の共振器との相違点を有するが、帯状部材２０による温度変化に対する共振周波数の抑止については、第１実施形態と同じである。
【００２７】
［第４実施形態］
図４は、第４実施形態に係る円形導波管型の２重ＴＥ１１２モードの共振器を示す図である。第２実施形態との相違点は、２重ＴＥ１１モードの共振周波数を調整するための金属ポスト２３Ａ、Ｂ、２４Ａ、Ｂが垂直偏波と水平偏波の主電界１５１、１５２に対応して、設置されている点である。金属ポスト２３Ａ、Ｂは垂直偏波の主電界１５１に対応しており、金属ポスト２４Ａ、Ｂは水平偏波の主電界１５２に対応している。
第４実施形態の共振器の帯状部材２０１、２０２による温度変化に対する共振周波数の抑止については、第１実施形態と同じである。
【００２８】
以上の各実施形態では、線膨張係数の小さい帯状部材をＴＥ１１共振器の電界が集中する部分に巻き付けることで、共振器本体の膨張を抑制し、共振周波数の変動を抑えている。また、ＴＥ１１共振器の２重モードでは、第１のモードの共振周波数変動と第２のモードの共振周波数変動の両方に効果がある。
金属ポストの膨張は従来通りであり、特許文献１のように、共振器膨張時に金属ポスト（ねじ）が抜ける方向に動く場合に対しては、共振器周波数の変動が大きい可能性がある。しかし、帯状部材を共振器に巻くことで、特許文献１の駆動機構を設ける場合よりも簡単な構造で効果が得られる。
【００２９】
［第５実施形態］
図５は、第５実施形態に係る円形導波管型のＴＥ１１１モードの共振器を示す図である。図１３に示す従来の共振器との相違点は、共振周波数を調整するための調整用ポスト２７、２８の材料に、円筒キャビティ１０に用いる材料よりも線膨張係数の小さい素材を用いる点である。この実施形態では、調整用ポスト２７、２８の材料に、線膨張係数が約２．０×１０−６／Ｋのセラミックスを用いており、円筒キャビティ１０の材料は、線膨張係数が１２×１０−６／Ｋの鉄を用いている。
【００３０】
円筒キャビティ１０内部の電界が調整用ポスト２７、２８に作用する原理を図６を参照して説明する。
調整用ポスト２７、２８は、少なくとも共振器の内部に挿入される部分がセラミックスである。共振器内の電界は、調整用ポスト２７、２８に集中しており、等価回路としては、容量性リアクタンスが増加したことになる。共振器として動作するときは、この容量性リアクタンスも含んで共振周波数が決まる。
【００３１】
従来のように調整用ポスト２７、２８の材料として共振器と同じ鉄を用いると、温度が上昇した場合、調整用ポスト２７、２８が、１２×１０−６／Ｋの線膨張係数で、挿入長と直径を増大させ、共振周波数を低域側に変化させる。一方、円筒キャビティ１０は、同様に１２×１０−６／Ｋの線膨張係数で円筒キャビティ１０の直径と円筒軸長を増大させ、共振周波数を低域側に変化させる。このように、円筒キャビティ１０及び調整用ポスト２７、２８の共振周波数に対する作用は、いずれも低域側に変化させることになる。そのために、もし調整用ポスト２１、２２の材料に線膨張係数の大きな黄銅（１８×１０−６／Ｋ）などを使った場合、共振周波数の温度変動はさらに大きくなる。
【００３２】
調整用ポスト２７、２８に線膨張係数が円筒キャビティ１０よりも小さい場合には、温度が変化した場合に、調整用ポスト２７、２８がその線膨張係数に従って挿入長とポスト径が変化する。しかし、この変化量は小さいので共振周波数は円筒キャビティ１０による温度変動に支配される。この実施形態では、調整用ポスト２７、２８の材料として線膨張係数が約２．０×１０−６／Ｋのセラミックスを用いたが、入手製性に問題が無ければ、インバーのような線膨張係数が小さい金属（１．２×１０−６／Ｋ）でも良い。
【００３３】
この実施形態では、共振器の共振次数が「１」であるために、調整用ポスト２７、２８が円筒キャビティ１０のほぼ中央に設けられる。共振次数が「２」の場合には、第２実施形態の帯状部材２０１、２０２と同様に、共振器の内部で電界が最も大きくなる部分が２箇所発生するので、この場所に合わせて調整用ポストが配置される。
【００３４】
［第６実施形態］
図７は、第６実施形態に係る円形導波管型の２重ＴＥ１１１モードの共振器を示す図である。温度変化に対する共振周波数の抑止については、第５実施形態と同じであるの説明を省略する。
共振器内部の調整用ポスト２７〜３０と２重ＴＥ１１モードの主電界１５１、１５２の関係を図８、図９に示す。調整用ポスト２７〜３０が、垂直偏波と水平偏波の主電界１５１、１５２に対応して設置されている。調整用ポスト２７、２９は、垂直偏波の主電界１５１の方向と同じ方向に移動可能に挿入される。調整用ポスト２８、３０は、水平偏波の主電界１５２の方向と同じ方向に移動可能に挿入される。そのために、共振器の容量性リアクタンスが増加して共振周波数が変動する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る円形導波管型の共振器を示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る円形導波管型の共振器を示す図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る円形導波管型の共振器を示す図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る円形導波管型の共振器を示す図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る円形導波管型の共振器を示す図である。
【図６】円筒キャビティ内部の電界が調整用ポスに作用する原理を説明するための図である。
【図７】本発明の第６実施形態に係る円形導波管型の共振器を示す図である。
【図８】共振器内部の調整用ポストと主電界の関係を示す図である。
【図９】共振器内部の調整用ポストと主電界の関係を示す図である。
【図１０】従来の円形導波管型の共振器を示す図である。
【図１１】図１０の共振器の等価回路図である。
【図１２】円形導波管のＴＥ１１モードの電磁界分布を示す図である。
【図１３】図１０に示した共振器の円筒キャビティのみを示した図である。
【図１４】金属ポストが配置された円筒キャビティの断面図である。
【図１５】共振次数が「２」の共振器の電界分布を示す図である。
【図１６】従来の円形導波管型の２重ＴＥ１１１モードの共振器を示す図である。
【図１７】図１６に示した共振器の円筒キャビティのみを示す図である。
【図１８】金属ポストが配置された円筒キャビティの断面図である。
【図１９】従来の円形導波管型の２重ＴＥ１１１モードの共振器を縦続接続して構成した導波管帯域通過フィルタを示す図である。
【図２０】図１９の帯域通過フィルタの等価回路図である。
【図２１】温度変化による共振周波数の変動を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  円筒キャビティ
１１  入力導波管
１２  出力導波管
１３、１４、１６  結合孔
１５、１５１、１５２  主電界
２０、２０１、２０２  帯状部材
２１〜２６、２１Ａ、Ｂ、２２Ａ、Ｂ、２３Ａ、Ｂ、２４Ａ、Ｂ  金属ポスト
２７〜３０  調整用ポスト
【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】
0004571202.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0004571202.tif 000017
【図１７】
0004571202.tif 000018
【図１８】
0004571202.tif 000019
【図１９】
0004571202.tif 000020
【図２０】
0004571202.tif 000021
【図２１】
0004571202.tif 000022