JP2004120516A - 誘電体共振器、フィルタ、デュプレクサおよび高周波回路装置 - Google Patents
誘電体共振器、フィルタ、デュプレクサおよび高周波回路装置 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】導体薄膜21,23,31,33と誘電体薄膜22,32を交互に積層した薄膜多層電極2,3を誘電体ユニットの1の上下面に設けてTM010モード等の誘電体共振器を構成する場合、各層の導体薄膜に流入する変位電流が略等量となるように、各導体薄膜の面積を上層から下層にかけて順に小さくする。これにより、全体の導体損失を効果的に抑制するための、薄膜多層電極の誘電体薄膜の設計条件が広がる。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、無線通信や電磁波の送受信に利用される、たとえばマイクロ波帯やミリ波帯における誘電体共振器、フィルタ、デュプレクサ、および高周波回路装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、薄膜多層電極を形成した誘電体共振器等に関して特許文献1が開示されている。
この薄膜多層電極は、導体薄膜と誘電体薄膜とを交互に積層したものであり、高周波において低損失な電極として作用する。特許文献1に開示されている設計方法では、導体薄膜の膜厚および誘電体薄膜の膜厚に、導電率と誘電率に応じて定まる膜厚の最適値が存在する。この導体薄膜と誘電体薄膜のそれぞれの膜厚を最適値にすれば、電流が各導体薄膜の層にバランス良く配分されるため、表皮効果が緩和され、単層電極を用いた場合に比べて低損失に動作する。
【0003】
また、特願2002−238451では、共振モードに応じた誘電体ユニットの各面に形成する薄膜多層電極の構成を定めることによって全体の導体損失を低減した共振器等について出願されている。
【0004】
ここで、従来の薄膜多層電極を備えた誘電体共振器の構成例を断面図として図10に示す。図10において23,33は最下層の導体薄膜、21,31は最上層の導体薄膜、22,32は導体薄膜23,33と21,31との間にそれぞれ設けた誘電体薄膜である。このように導体薄膜23、誘電体薄膜22、導体薄膜21によって一方の薄膜多層電極2を構成し、導体薄膜33、誘電体薄膜32、導体薄膜31によって他方の薄膜多層電極3を構成している。
【0005】
【特許文献1】
国際公開第95/06336号パンフレット
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献1および上記特願2002−238451の従来技術として示されているような、側面を開放した誘電体ユニットの上下面に薄膜多層電極を設けてなる誘電体共振器においては、導体損失の低減のための誘電体薄膜の誘電率と膜厚の設計条件は狭い範囲となる。
この発明の目的は、側面を開放した誘電体ユニットの上下面に薄膜多層電極を設けてなる誘電体共振器において、薄膜多層電極の誘電体薄膜の設計条件を広げることと、その誘電体共振器を備えたフィルタ、デュプレクサおよび高周波回路装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この発明は、導体薄膜と誘電体薄膜とを交互に積層した薄膜多層電極を、側面を開放した誘電体ユニットの上下面に設けてなる誘電体共振器において、
前記誘電体薄膜の誘電率を前記誘電体ユニットの誘電率より小さくし、且つ、前記導体薄膜の各層に流入する変位電流が略等量となるように、各導体薄膜の面積を上層より下層にかけて順に小さくしたことを特徴としている。
【0008】
側面を開放した誘電体ユニットの上下面に薄膜多層電極を設けてなる誘電体共振器においては、誘電体薄膜の誘電率が誘電体ユニットの誘電率より小さい場合、各導体薄膜のうち誘電体ユニット側に露出している部分から流入する変位電流量と、その導体薄膜に流れる実電流の量は等しくなる。したがって、各導体薄膜の面積を上層より下層にかけて順に小さくして、導体薄膜の各層に流入する変位電流が略等量となるようにすることによって、各導体薄膜に流れる実電流が略等しくなり、導体損失が最も抑えられる。
【0009】
また、この発明は、上記誘電体共振器に信号入出力部を設けてフィルタを構成する。
【0010】
また、この発明は、上記フィルタを2組設けるとともに、その信号入出力部として、送信信号入力端子、送受信共用入出力端子、および受信信号出力端子を設けてデュプレクサを構成する。
【0011】
また、この発明は、上記誘電体共振器、フィルタ、またはデュプレクサを備えて高周波回路装置を構成する。
【0012】
【発明の実施の形態】
第1の実施形態に係る誘電体共振器について、図1〜図5を参照して説明する。
図1の(A)は誘電体共振器の上面図、(B)はその中央縦断面図である。ここで、1は円柱形状の誘電体ユニットである。2,3はこの誘電体ユニットの上下面に設けた薄膜多層電極ある。ここで破線で示す矢印のループは磁界のベクトル、白抜きの矢印は電界のベクトルを示している。このように円柱形状の誘電体ユニットの同心円状に磁界が回り、薄膜多層電極2,3に対して垂直な方向に電界ベクトルが向くTM010モードの共振器として作用する。
【0013】
図2は薄膜多層電極部分の厚みを誇張して表した誘電体共振器の断面図である。ここで、23は薄膜多層電極2における最下層の導体薄膜、21は最上層の導体薄膜である。22は導体薄膜23と21との間に設けた誘電体薄膜である。導体薄膜23および誘電体薄膜22は、平面パターンとしてはそれぞれ所定幅のリング形状を成している。このようにして導体薄膜23、誘電体薄膜22、導体薄膜21の順に積層された薄膜多層電極2を構成している。
【0014】
同様に33は薄膜多層電極3における最下層の導体薄膜、31は最上層の導体薄膜である。32は導体薄膜33と31との間に設けた誘電体薄膜である。導体薄膜33および誘電体薄膜32は、平面パターンとしてはそれぞれ所定幅のリング形状を成している。このようにして導体薄膜33、誘電体薄膜32、導体薄膜31の順に積層された薄膜多層電極3を構成している。
【0015】
後述するように、下層の導体薄膜23,33を上層の導体薄膜21,31よりその面積を小さくしたことにより、各層の導体薄膜に流れる実電流を略等しくしている。
【0016】
各導体薄膜に流れる電流量は、
[各導体薄膜に流入する変位電流の量] − [流出する変位電流量]
に等しい。電束をD、時間をtとすると、変位電流は(∂D/∂t)である。
【0017】
ここで、誘電体薄膜の誘電率を誘電体ユニットの誘電率より下げ、導体薄膜間での変位電流交換を抑えると、誘電体ユニット側に露出している導体薄膜の一部分から流入する変位電流量と、その導体薄膜に流れる実電流の量は等しくなる。
【0018】
図4の(A)は、誘電体薄膜の誘電率を変化させたときの共振器のQの変化を示している。ここで、横軸は誘電体ユニットの誘電率に対する誘電体薄膜の誘電率の比、縦軸は単層電極に比べてのQの向上比を示している。このように、誘電体薄膜の誘電率が小さい程、Qは向上する。
【0019】
図5は、誘電体ユニットの中心からの半径r方向の位置と、その位置での電束Dとの関係を示している。関数Jo(r)は円柱関数であり、TM010モードの電束分布はこの円柱関数Jo(r)に比例する。TM010モードの電束は、中央で正の最大、周辺部で負の最大となる。ここで、中央位置をr0、電束が0となる位置をr2、周辺位置をr4とし、導体薄膜23,33の内周位置をr1、外周位置をr3とすれば、r0〜r1部分の電束と、r3〜r4部分の電束による変位電流が導体薄膜21,31に流入し、r1〜r3部分の電束による変位電流が導体薄膜23,33に流入する。したがって、次の関係で、r1,r3を求めれば、導体薄膜23,33に流入する変位電流と、導体薄膜21,31に流入する変位電流とが略等しくなる。
先ず、
【0020】
【数1】
【0021】
の関係が成り立つようにr1を求める。
また、
【0022】
【数2】
【0023】
の関係が成り立つようにr3を求める。
このとき理論上導体損失は最小となり、Qは最大となる。
【0024】
次に、図1・図2に示した誘電体共振器の特性をシミュレーションした結果を示す。図3は上記誘電体共振器のシミュレーション用のモデルの断面図である。ここで誘電体ユニット1の上下面のうち一方の電極を薄膜多層電極2とし、他方の電極を完全導体電極3′としている。このようなモデルで各部の寸法を次のように定めた。
【0025】
導体薄膜21の厚み 8.25μm
導体薄膜23の厚み 1μm
誘電体薄膜22の厚み 0.75μm
誘電体薄膜22の誘電率 誘電体ユニットの誘電率の0.01倍の値(比誘電率1400))
誘電体ユニット1の厚み(導体薄膜23と完全導体電極3′との間の距離) 0.2mm
誘電体ユニット1の直径 0.5mm
誘電体ユニット1の比誘電率 140000
誘電体ユニット1の誘電体損 0(無損失)
導体薄膜22,23の導電率 53MS
なお、誘電体ユニット1の側面は磁気壁とした。
【0026】
図4の(B)はその結果を示している。ここで、横軸は上層の導体薄膜21に対する下層の導体薄膜23の径方向の長さ比、縦軸は単層電極に比べてのQの向上比を示している。このように上層の導体薄膜に対する下層の導体薄膜の径方向寸法比を0.55付近(面積比で0.5付近)にしたときQは最も向上する。図中の「理論値」は、上述の〔数1〕および〔数2〕を満足するときの、上層電極に対する下層電極の径方向の長さ比である。
【0027】
次に、第2の実施形態に係る誘電体共振器の構成を断面図として図6に示す。この例では、下層の導体薄膜23,33で挟まれる部分の誘電体部分12と、それ以外の誘電体部分11とで比誘電率を異ならせている。このような構造であっても、各導体薄膜に流入する変位電流が略等量となるように各導体薄膜の面積を定めれば、全体として最適な低損失動作が可能となる。
【0028】
なお、第1・第2の実施形態では、2層の導体薄膜とその間に設けた1層の誘電体薄膜とによって3層構造の薄膜多層電極を設けたが、3層以上の導体薄膜を設けたものにも当然に適用できる。例えば、3層の導体薄膜と2層の誘電体薄膜とを交互に積層した5層構造の薄膜多層電極を構成する場合でも、各導体薄膜に流入する変位電流が略等量となるように、各導体薄膜の面積を上層から下層にかけて順に小さくすればよい。
【0029】
また、第1・第2の実施形態では、円柱形状の誘電体ユニットを用いたが、誘電体ユニットの形状は円柱形状に限らず、四角柱(直方体)形状や多角柱形状であってもよい。
【0030】
次に、第3の実施形態に係るフィルタの構成を図7を基に説明する。
図7において3つの共振器は、第1・第2の実施形態で示したいずれかの共振器であり、これらの共振器間を、図中のコンデンサの記号で表した結合容量で結合させ、さらに、初段および終段の共振器と入出力端子との間を結合容量で結合させることにより、3段の共振器からなる帯域通過フィルタ特性を有するフィルタを構成する。
【0031】
次に、第4の実施形態としてデュプレクサの構成例を図8を参照して説明する。
ここで、送信フィルタと受信フィルタは、いずれも、図7等に示した構造のフィルタである。但し、送信フィルタは送信帯域を通過させ、受信フィルタは受信帯域を通過させるように、それぞれのフィルタ特性を定めておく。
【0032】
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、また、受信信号が送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。
【0033】
次に、第5の実施形態に係る通信装置の構成を図9に示す。
ここで、デュプレクサは、図8に示した構成のデュプレクサである。このデュプレクサの送信端子には送信回路を、受信端子には受信回路をそれぞれ接続している。また、アンテナ端子にはアンテナを接続している。
【0034】
【発明の効果】
この発明によれば、導体薄膜と誘電体薄膜とを交互に積層した薄膜多層電極のうち導体薄膜の各層に略等量の電流が流れるため、電流集中が緩和され全体の導体損失を効果的に抑制することができる。しかも、導体薄膜の面積(寸法と形成位置)によって導体損失を最も効果的に抑えるようにしたので、薄膜多層電極の誘電体薄膜部分の設計条件が広がる。
【0035】
また、この発明によれば、上記共振器に信号入出力部を設けてフィルタを構成することにより、小型で低挿入損失なフィルタが得られる。
【0036】
また、この発明によれば、上記フィルタを2組備えるとともに、その信号入出力部として、送信信号入力端子、共用入出力端子、および受信信号出力端子を設けてデュプレクサを構成することにより、小型で低挿入損失なデュプレクサが得られる。
【0037】
この発明によれば、上記誘電体共振器、フィルタ、またはデュプレクサを備えて高周波回路装置を構成することにより、小型で低損失な高周波回路が構成でき、それを用いた通信装置の雑音特性および伝送速度などの通信品質を向上させることができる。
【0038】
【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構成を示す図
【図2】同誘電体共振器の断面図
【図3】同誘電体共振器の特性シミュレーション用モデルの断面図
【図4】同誘電体共振器の誘電体薄膜の誘電率を変化させたときのQ変化の例、および各層の導体薄膜の面積を変化させた時のQ変化の例を示す図
【図5】TM010モードの電束分布と導体薄膜の形成位置との関係を示す図
【図6】第2の実施形態に係る誘電体共振器の断面図
【図7】第3の実施形態に係るフィルタの構成を示す等価回路図
【図8】第4の実施形態に係るデュプレクサの構成を示すブロック図
【図9】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10】従来の誘電体共振器の構成を示す断面図
【符号の説明】
1−誘電体ユニット
2,3−薄膜多層電極
3′−完全導体電極
11,12−誘電体
21,23,31,33−導体薄膜
22,32−誘電体薄膜
Claims (4)
- 導体薄膜と誘電体薄膜とを交互に積層した薄膜多層電極を、側面を開放した誘電体ユニットの上下面に設けてなる誘電体共振器において、
前記誘電体薄膜の誘電率を前記誘電体ユニットの誘電率より小さくし、且つ、前記導体薄膜の各層に流入する変位電流が略等量となるように、各導体薄膜の面積を上層より下層にかけて順に小さくしたことを特徴とする誘電体共振器。 - 請求項1に記載の誘電体共振器に信号入出力部を設けたフィルタ。
- 請求項2に記載のフィルタを2組備えるとともに、前記信号入出力部として、送信信号入力端子、送受信共用入出力端子、および受信信号出力端子を設けて成るデュプレクサ。
- 請求項1に記載の共振器、請求項2に記載のフィルタ、もしくは請求項3に記載のデュプレクサを備えた高周波回路装置。
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JP2002282978A JP3928531B2 (ja) | 2002-09-27 | 2002-09-27 | 誘電体共振器、フィルタ、デュプレクサおよび高周波回路装置 |
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JP2007005614A (ja) * | 2005-06-24 | 2007-01-11 | Mitsubishi Electric Corp | 電波遮蔽装置 |
WO2008015772A1 (fr) * | 2006-07-31 | 2008-02-07 | Kyoto University | Guide d'ondes et résonateur pouvant supprimer les pertes dues à l'effet pelliculaire |
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- 2002-09-27 JP JP2002282978A patent/JP3928531B2/ja not_active Expired - Lifetime
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WO2008015772A1 (fr) * | 2006-07-31 | 2008-02-07 | Kyoto University | Guide d'ondes et résonateur pouvant supprimer les pertes dues à l'effet pelliculaire |
JP5062576B2 (ja) * | 2006-07-31 | 2012-10-31 | 国立大学法人京都大学 | 表皮効果に起因する損失を抑制可能な導波管及び共振器 |
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