(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビティ内に複数のモードで共振する誘電体コアと、前記複数のモードのうち２つ以上のモードの電磁界を通過させるスリットを形成した導体板と、前記スリットを通過した電磁界の全てのモードに並列結合する単モードの結合用共振器と、前記結合用共振器を励振する外部結合手段とを設けたことを特徴とする誘電体共振器装置。
【請求項２】
前記結合用共振器は、線状または棒状の導体と前記キャビティとにより構成した同軸共振器である請求項１に記載の誘電体共振器装置。
【請求項３】
前記結合用共振器は、柱状の誘電体と前記キャビティとにより構成したＴＭモードの誘電体共振器である請求項１に記載の誘電体共振器装置。
【請求項４】
前記スリットは互いに異なるモードの電磁界を通過させる複数のスリットから成り、これら複数のスリットにより前記誘電体コアと前記キャビティとの共振による全てのモードの電磁界を通過させるようにした請求項１、２または３に記載の誘電体共振器装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれかに記載の誘電体共振器装置により送信フィルタと受信フィルタを構成し、入力ポートと入出力ポートとの間に前記送信フィルタを設け、前記入出力ポートと出力ポートとの間に前記受信フィルタを設けて成る送受共用装置。
【請求項６】
請求項１〜４のうちいずれかに記載の誘電体共振器装置または前記送受共用装置を高周波回路部に設けて成る通信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、多重モードの誘電体共振器を備えた誘電体共振器装置と、それを用いた送受共用装置および通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
誘電体内の電磁波が誘電体と空気との境界で全反射を繰り返しながら、元の位置に同位相で戻ってくることにより共振する誘電体共振器は、小型で無負荷Ｑ（Ｑｏ）の高い共振器として用いられる。そのモードには、断面が円形や矩形の誘電体棒を、その誘電体棒を伝搬するＴＥモードやＴＭモードのｓ・λｇ／２（λｇは管内波長、ｓは整数）の長さで切断した時に得られるＴＥモードやＴＭモードがある。そして、断面のモードがＴＭ０１モードで上記ｓ＝１の場合、ＴＭ０１δモードの共振器が得られ、断面のモードがＴＥ０１モードでｓ＝１の場合、ＴＥ０１δモードの誘電体共振器が得られる。
【０００３】
これらの誘電体共振器は図１７に示すように、誘電体共振器の共振周波数を遮断する円形導波管または矩形導波管をキャビティとして、その中に円柱形状のＴＭ０１δモードの誘電体コアまたはＴＥ０１δモードの誘電体コアが配置される。
【０００４】
図１８は上記２つのモードの誘電体共振器における電磁界分布を示す図である。ここで実線は電界、破線は磁界をそれぞれ示している。
【０００５】
このような誘電体コアを用いた誘電体共振器によって複数段の誘電体共振器装置を構成する場合、キャビィティ内に複数の誘電体コアを配列することになる。図１７に示した例では、（Ａ）のＴＭ０１δモードの誘電体コアをその軸方向に配列するか、（Ｂ）のＴＥ０１δモードの誘電体コアを同一平面に沿って配置することになる。
【０００６】
このような誘電体共振器装置において、外部結合をとる場合は、ループやアンテナ等のプローブを共振器（共振系）内に挿入して、磁界結合または電界結合させるようにしていた。
【０００７】
ところがループやアンテナを用いた外部結合では、共振系に導体（金属）が挿入されるため、電磁界分布に摂動が加わり、モード間の不要な結合が生じたり共振周波数が変動してしまう。またループやアンテナを共振器内部に挿入することにより、電流の経路が摂動を受け、無負荷Ｑが劣化する。また一つのキャビティ内に入出力結合用のループまたはアンテナが存在するので、ループ間またはアンテナ間での不要な結合が生じやすい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一方、上述の問題を解消するものとして、誘電体共振器に結合するＴＥＭモードまたは準ＴＥＭモードの共振器を設けて、その共振器によって外部結合をとるようにしたものが特開昭６３−２３２６０２号、実公平６−６５６１号、および実開平６−４４２０１号が示されている。
【０００９】
しかしながらこのような従来の誘電体共振器装置においては、外部結合用のＴＥＭモードまたは準ＴＥＭモードの共振器を設ける分大型化し、フィルタを構成する場合に、使用する共振器の段数の増加にともなって装置全体が更に大型化するという問題があった。
【００１０】
一方、複数の共振器から成る装置を小型化する技術の一つとして、誘電体共振器の多重モードを利用する方法がある。すなわちキャビティ内に多重モードで共振する誘電体コアを配置し、それらのモードのうち所定のモードを利用して、複数の共振器を等価的に従属接続した共振器装置を構成することができる。ところが、このような多重モードの誘電体共振器に対して上記ＴＥＭモードや準ＴＥＭモードの外部結合用の共振器を組み合わせる場合に、多重モードの誘電体共振器の各モードのうち所定のモードにのみ外部結合用の共振器を結合させることは設計上困難である。
【００１１】
この発明の目的は、小型で且つ複数の共振器から成る誘電体共振器装置を提供すること、および無負荷Ｑの高い共振器を備えた誘電体共振器装置を提供することにある。
【００１２】
また、この発明の他の目的は、上記誘電体共振器装置を用いた送受共用装置および通信装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明の誘電体共振器は、請求項１に記載のとおり、キャビティ内に複数のモードで共振する誘電体コアと、前記複数のモードのうち２つ以上のモードの電磁界を通過させるスリットを形成した導体板と、前記スリットを通過した電磁界の全てのモードに並列結合する単モードの結合用共振器と、前記結合用共振器を励振する外部結合手段とを設ける。この構造により、誘電体コアによる複数の共振モードの共振器が結合用共振器に並列結合された誘電体共振器装置が得られる。
【００１４】
前記結合用共振器としては、請求項２に記載のとおり、線状または棒状の導体とキャビティとによって同軸共振器を構成する。また請求項３に記載のとおり、結合用共振器として、柱状の誘電体とキャビティとによってＴＭモードの誘電体共振器を構成する。
【００１５】
これらの結合用共振器は、誘電体コアの複数の共振モードのうち単一のモードに選択的に結合するのではなく、複数の共振モードにそれぞれ結合させるものであるため設計が容易となる。
【００１６】
また、請求項４に記載のとおり、前記スリットは互いに異なるモードの電磁界を通過させる複数のスリットから成り、これら複数のスリットにより前記誘電体コアと前記キャビティとの共振による全てのモードの電磁界を通過させるようにした。これにより、結合用共振器は上記スリットを通過する誘電体コアの全ての共振モードに結合する。
【００１７】
また、この発明は、請求項５に記載のとおり、上記誘電体共振器装置により送信フィルタと受信フィルタを構成し、入力ポートと入出力ポートとの間に送信フィルタを設け、入出力ポートと出力ポートとの間に受信フィルタを設けることによって送受共用装置を構成する。また請求項６に記載のとおり上記誘電体共振器装置または送受共用装置を高周波回路部に設けて通信装置を構成する。
【００１８】
【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８を参照して説明する。
【００１９】
図１は誘電体共振器部分の斜視図である。同図において１は略直方体形状の誘電体コア、２は角筒形状のキャビティ、３は誘電体コア１をキャビティ２の略中央部に支持するための支持体である。キャビティ２の外周面には導電体膜を形成していて、２つの開口面には導電体膜を形成した誘電体板または金属板を配置して略直方体形状のシールド空間を構成する。後に示すように、キャビティ２の開口面に他のキャビティの開口面を対向させ、所定の共振モードの電磁界を結合させる。
【００２０】
図１に示した支持体３は、通常、誘電体コア１より低誘電率のセラミック材料を用い、誘電体コア１とキャビティ２の内壁面との間にそれぞれ配置して焼成一体化する。
【００２１】
図２〜４は図１に示した誘電体コア１による共振モードを示している。これらの図においてｘ，ｙ，ｚは図１に示した３次元方向の座標軸であり、図２〜図４では２次元の各面における断面図をそれぞれ示している。図２〜図４における実線の矢印は電界ベクトル、破線の矢印は磁界ベクトル、“・”記号および“×”記号は電界または磁界の方向を示している。なお、図２〜図４ではｘ，ｙ，ｚの３方向のＴＭ０１δモード、同じく３方向のＴＥ０１δモードの合計６つの共振モードについてのみ示している。実際にはこれらの高次の共振モードも存在するが、通常はこれらの基本モードを用いる。
【００２２】
図５は上記６重モードの誘電体共振器を用いた誘電体フィルタの構成を示す斜視図である。誘電体コア１は図１に示したものと同様であり、この誘電体コア１をキャビティ２の中央部分に設けて６重モードの誘電体共振器を構成する。６ａ，６ｂは同軸共振器用の導体であり、それぞれの一端をキャビティ２に接続（短絡）するとともにそれぞれの他端を開放端としている。これらの同軸共振器用導体６ａ，６ｂとキャビティ２とによって、同軸共振器用導体６ａ，６ｂを内導体、キャビティ２を外導体とする同軸共振器を構成する。また、これらの同軸共振器用導体６ａ，６ｂは図に示すようにｙ−ｚ平面に平行で且つｘ−ｚ平面に対して４５度に傾けて配置している。７ａ，７ｂはそれぞれ信号入出力用の同軸コネクタであり、それぞれの中心導体を同軸共振器用導体６ａ，６ｂの所定位置に接続している。これにより同軸コネクタからの入力信号は同軸共振器を励振し、また、同軸共振器の励振信号を外部へ出力する。
【００２３】
上記誘電体コア１と同軸共振器用導体６ａ，６ｂとの間にはそれぞれ結合板５ａ，５ｂを設けている。後述するようにこれらの結合板５ａ，５ｂには同軸共振器と誘電体コア１の６重モードのそれぞれの共振器との結合量を調整するためのスリットを形成している。
【００２４】
図６は上記結合板５ａ，５ｂ上での６つの共振モードの電流分布を示している。この結合板に、電流の向きを遮る方向に（電流の向きに直交する方向に）延びるスリットを設けると、その共振モードの磁界がスリットから漏れて結合板を挟む双方の共振器が磁界結合することになる。
【００２５】
図７は上記結合板に形成するスリットの例を示している。図６に示した電流分布と対比すれば明らかなように、スリットＳ１はＴＭ０１δ-xモードを除く他の５つのモードの電流を遮る（電流経路を遠回りさせる）向きに形成している。またスリットＳ２はＴＥ０１δ-xモード以外の５つのモードの電流を遮る向きに形成している。従ってこの２つのスリットＳ１，Ｓ２によって、６つの全てのモードの磁界が漏れることになる。一方、図７の（Ｂ）に示すように、同軸共振器用導体６ａ，６ｂをスリットに対して垂直となるように、ｘ−ｚ面に対して４５度に傾けているので、同軸共振器はスリットＳ１，Ｓ２から漏れる磁界に結合する。結局、同軸共振器は誘電体共振器の６つの全てのモードと磁界結合することになる。なお、このように結合用共振器として同軸共振器を用いれば、結合用共振器を設けることによる新たなスプリアスも殆ど生じることがない。
【００２６】
図８は上記誘電体フィルタの等価回路図である。同図において準ＴＥＭモードの共振器は上記同軸共振器である。このように同軸共振器が誘電体コアによる６重モードの各モードの共振器と同時に並列結合した誘電体フィルタが構成される。各モードの共振周波数は誘電体コアの所定箇所に周波数調整用の孔や溝を形成することによって定める。また同軸共振器と各共振モードとの結合量は結合板に形成するスリットの寸法、位置、向きまたは形状によって定める。
【００２７】
なお、図５において同軸コネクタ７ａ，７ｂの中心導体は誘電体コア１による多重モードの誘電体共振器の共振系に入らないので、その電磁界分布に摂動を与えることがなく、モード間の不要な結合が発生したり共振周波数が変動することはない。また入出力の結合ループ間で不要な結合も生じない。
【００２８】
上記の例では、同軸共振器用導体に同軸コネクタの中心導体を直接接続したが、同軸共振器に磁界結合する結合ループを設けてもよい。
【００２９】
次に第２の実施形態に係る誘電体フィルタの構成を図９〜図１２を参照して説明する。
第１の実施形態では６つの共振モードをそれぞれ１段の独立した共振器として用いたが、この第２の実施形態ではいくつかの共振モード同士の結合も利用する。
【００３０】
図９は１段目の共振器をＴＭ０１δ-y、２段目の共振器をＴＥ０１δ-z、３段目の共振器をＴＭ０１δ-xとする場合の各モードの電磁界分布を示している。（Ｂ）は結合すべき２つの共振モードの結合関係を示す図である。（Ｂ）の左側に示す図は１段目のＴＭ０１δ-yモードと２段目のＴＥ０１δ-zモードの電界分布を重ねて表したものである。ここでａ点とｂ点での電界の強さのバランスを崩すことによって、ＴＭ０１δ-yモードからＴＥ０１δ-zモードへエネルギーが移る。従って同図の（Ｃ）の左側に示すように、例えば結合調整用孔Ｈａの内径を広げて結合調整用孔Ｈｂとの大きさに差をもたせることによって、１段目のＴＭ０１δ-yモードの共振器と、２段目のＴＥ０１δ-zモードの共振器との結合の強さを定める。
【００３１】
同様に（Ｂ）の右側に示す図は、２段目のＴＥ０１δ-zモードと３段目のＴＭ０１δ-xモードの電界分布を重ねて表したものである。ここでｃ点とｄ点での電界の強さのバランスを崩すことによって、ＴＥ０１δ-zモードからＴＭ０１δ-xモードへエネルギーが移る。従って同図の（Ｃ）の右側に示すように、例えば結合調整用孔Ｈｃの内径を広げて結合調整用孔Ｈｄとの大きさに差をもたせることによって、２段目のＴＥ０１δ-zモードの共振器と、３段目のＴＭ０１δ-xモードの共振器との結合の強さを定める。
【００３２】
図１０は１段目の共振器をＴＥ０１δ-x、２段目の共振器をＴＭ０１δ-z、３段目の共振器をＴＥ０１δ-yとする場合の各モードの電磁界分布を示している。（Ｂ）は結合すべき２つの共振モードの結合関係を示す図である。（Ｂ）の左側に示す図は１段目のＴＥ０１δ-xモードと２段目のＴＭ０１δ-zモードの電界分布を重ねて表したものである。ここでｅ点とｆ点での電界の強さのバランスを崩すことによって、ＴＥ０１δ-xモードからＴＭ０１δ-zモードへエネルギーが移る。従って同図の（Ｃ）の左側に示すように、例えば結合調整用孔Ｈｅの内径を広げて結合調整用孔Ｈｆとの大きさに差をもたせることによって、１段目のＴＥ０１δ-xモードの共振器と、２段目のＴＭ０１δ-zモードの共振器との結合の強さを定める。
【００３３】
同様に（Ｂ）の右側に示す図は、２段目のＴＭ０１δ-zモードと３段目のＴＥ０１δ-yモードの電界分布を重ねて表したものである。ここでｇ点とｈ点での電界の強さのバランスを崩すことによって、ＴＭ０１δ-zモードからＴＥ０１δ-yモードへエネルギーが移る。従って同図の（Ｃ）の右側に示すように、例えば結合調整用孔Ｈｇの内径を広げて結合調整用孔Ｈｈとの大きさに差をもたせることによって、２段目のＴＭ０１δ-zモードの共振器と、３段目のＴＥ０１δ-yモードの共振器との結合の強さを定める。
【００３４】
図１１は上記合計６つのモードを用いた誘電体フィルタの構成を示す斜視図である。第１の実施形態の場合と異なり、ここでは８ａ，８ｂで示す誘電体柱をキャビティ２の内部に設けてＴＭ１０１モードの共振器とＴＭ０１１モードの共振器を構成し、これらを結合用共振器としている。また、キャビティ２に同軸コネクタ７ａ，７ｂを設け、それらの中心導体を結合ループ４ａ，４ｂに接続している。結合ループ４ａは誘電体柱８ａによる共振器と磁界結合し、結合ループ４ｄは誘電体柱８ｂによる共振器と磁界結合する。
【００３５】
図１１において誘電体柱８ａによるＴＭ１０１モードは誘電体コア１によるＴＭ０１δ-yモードおよびＴＥ０１δ-xモードにそれぞれ磁界結合する。また誘電体柱８ｂによるＴＭ０１１モードは誘電体コア１によるＴＭ０１δ-xモードおよびＴＥ０１δ-yモードにそれぞれ磁界結合する。
【００３６】
結合板５ａ，５ｂには誘電体柱８ａ，８ｂによる共振モードの磁界が通る方向にスリットＳａ，Ｓｂを設けている。これらの誘電体柱８ａ，８ｂによる結合用共振器は、誘電体コアの複数の共振モードのうち唯一のモードに選択的に結合させるのではなく、この例では２つの共振モードにそれぞれ結合させるものであるため、その分設計が容易となる。たとえばＴＭ０１δ-xモードとＴＥ０１δ-yモードのいずれか一方にのみ結合用共振器を結合させるといった難易度の高い設計が要求されるようなことがない。
【００３７】
図１２は上記誘電体フィルタの等価回路図である。このように３段の共振器が従属接続された共振器回路をＴＭモードの結合用共振器に対してそれぞれ並列結合させた回路が構成される。
【００３８】
なお、図１１において同軸コネクタ７ａ，７ｂに設けた結合ループ４ａ，４ｄは誘電体コア１による多重モードの誘電体共振器の共振系に入らないので、その電磁界分布に摂動を与えることがなく、モード間の不要な結合が発生したり共振周波数が変動することはない。また入出力の結合ループ間で不要な結合も生じない。
また、このように結合用共振器としてＴＭシングルモードの誘電体共振器を用いれば、結合用共振器による無負荷Ｑの低下も殆どない。
【００３９】
図１３は第３の実施形態に係る誘電体フィルタの構成を示す斜視図である。図１１に示した例と異なり、結合板５ａ，５ｂの一部を切り欠くとともに、結合ループ４ｂ，４ｃを設けている。結合ループ４ｂは誘電体柱８ａによるＴＭ１０１モードと磁界結合し、誘電体コア１によるＴＭ０１δ-yモードと磁界結合する。また結合ループ４ｃは誘電体柱８ｂによるＴＭ０１１モードと磁界結合し、誘電体コア１によるＴＭ０１δ-xモードと磁界結合する。その他の構成は第２の実施形態の場合と同様である。従って全体の等価回路は図１４に示すようになる。このようにＴＭ０１δ-yモードの磁界強度の強い箇所に結合ループ４ｂを設けたことによりＴＭ１０１モードとＴＭ０１δ-yモードとの結合が強くなる。同様に、ＴＭ０１δ-xモードの磁界強度の強い箇所に結合ループ４ｃを設けたことによりＴＭ０１１モードとＴＭ０１δ-xモードとの結合が強くなる。
【００４０】
このようにして並列結合させる２組の共振器回路を所定のバランス状態にして、所定のフィルタ特性を得る。なお、結合ループ４ｂ，４ｃは補助的に使用するだけであるので、これによる無負荷Ｑの低下は少ない。
【００４１】
次に、送受共用装置の構成例を図１５に示す。ここで送信フィルタと受信フィルタは上記の各実施形態に示した構成から成る誘電体フィルタである。送信フィルタは送信信号の周波数を通過させて受信信号の周波数を阻止し、受信フィルタは受信信号の周波数を通過させて、送信信号の周波数を阻止する。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接続位置は、その接続点から、送信フィルタの最終段の共振器の等価的な短絡面までの電気長が、受信信号の周波数の波長で１／４波長の奇数倍となり、且つ上記接続点から、受信フィルタの初段の共振器の等価的な短絡面までの電気長が、送信信号の周波数の波長で１／４波長の奇数倍となる関係としている。これにより、送信信号と受信信号とを確実に分岐させる。
【００４２】
このように、共通に用いるポートと個別のポートとの間に複数の誘電体フィルタを設けることによって、同様にしてダイプレクサやマルチプレクサを構成することができる。
【００４３】
図１６は上記送受共用器（デュプレクサ）を用いた通信装置の構成を示すブロック図である。このように、送信フィルタの入力ポートに送信回路、受信フィルタの出力ポートに受信回路をそれぞれ接続し、デュプレクサの入出力ポートにアンテナを接続することによって、通信装置の高周波部を構成する。
【００４４】
なお、その他に上記ダイプレクサやマルチプレクサ等を多重モード誘電体共振器で構成し、これらの回路素子を用いて通信装置を構成することにより、小型で高効率な通信装置を得ることができる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１〜４に係る発明によれば、外部結合のためのループやアンテナ等のプローブが複数のモードで共振する誘電体共振器の共振系に挿入されないので、電磁界分布への摂動が低減され、モード間の不要な結合や入出力のプローブ間の不要な結合が発生しにくくなり、プローブによる無負荷Ｑの低下も低減される。しかも結合用共振器は、誘電体コアの複数の共振モードのうち単一のモードに選択的に結合するのではなく、複数の共振モードにそれぞれ結合させるものであるため設計が容易となる。
【００４６】
また、請求項４に係る発明によれば、誘電体コアによる複数の共振モードのうち所定のモードに結合用共振器を選択的に容易に結合させることができる。
【００４７】
また、請求項５に係るに発明によれば、Ｑの高いフィルタ特性を有し且つ小型の送受共用装置を構成することができる。
【００４８】
また、請求項６に係る発明によれば、小型で高効率な通信装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る誘電体フィルタに用いる多重モード誘電体共振器の構成を示す斜視図
【図２】同誘電体共振器の各モードにおける電磁界分布を示す断面図
【図３】同誘電体共振器の各モードにおける電磁界分布を示す断面図
【図４】同誘電体共振器の各モードにおける電磁界分布を示す断面図
【図５】誘電体フィルタの全体の構成を示す斜視図
【図６】同誘電体フィルタにおける結合板上での各モードの電流分布を示す図
【図７】同結合板に対するスリットの形成例を示す図
【図８】誘電体フィルタの等価回路図
【図９】第２の実施形態に係る誘電体フィルタに用いる多重モード誘電体共振器の順次結合する各モードの電磁界分布および結合調整用孔の構成を示す図
【図１０】第２の実施形態に係る誘電体フィルタに用いる多重モード誘電体共振器の順次結合する各モードの電磁界分布および結合調整用孔の構成を示す図
【図１１】第２の実施形態に係る誘電体フィルタの全体の構成を示す斜視図
【図１２】同誘電体フィルタの等価回路図
【図１３】第３の実施形態に係る誘電体フィルタの全体の構成を示す斜視図
【図１４】同誘電体フィルタの等価回路図
【図１５】送受共用装置の構成を示す図
【図１６】通信装置の構成を示す図
【図１７】従来の誘電体共振器装置の構成を示す一部破断斜視図
【図１８】従来のシングルモードの誘電体共振器における電磁界分布の例を示す図
【符号の説明】
１−誘電体コア
２−キャビティ
３−支持体
４−結合ループ
５−結合板
６−同軸共振器用導体
７−同軸コネクタ
８−誘電体柱
Ｈ−結合調整用孔
Ｓ−スリット
【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】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0003788055.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
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