JP4205654B2

JP4205654B2 - 帯域通過フィルタ

Info

Publication number: JP4205654B2
Application number: JP2004307672A
Authority: JP
Inventors: 貴裕宮本
Original assignee: NEC Engineering Ltd
Current assignee: NEC Engineering Ltd
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2024-10-22
Also published as: JP2006121463A

Description

本発明は、帯域通過フィルタに関し、特に、方形導波管と誘電体とを組み合わせた高周波用の帯域通過フィルタに関する。

一般に、誘電体を装荷しないＥ面平行金属板による導波管帯域通過フィルタにおいて、その中心周波数を変更するには、フィルタを構成する金属板を他の金属板に交換しなければならない。その理由は、梯子状に配置された金属板の形状（板の厚さ、金属フィンの幅・間隔）が、帯域通過フィルタに必要な結合係数を構成しているためである。従って、中心周波数や通過帯域幅を変更するには、新規に金属板を設計する必要がある。

また、中心周波数を変更可能な帯域通過フィルタとして、例えば、特許文献１には、外部に磁気回路を配置し、導波管内にフェライトを備えることで中心周波数を迅速に切り換えることのできるフィルタが提案されている。

この帯域通過フィルタは、図７に示すように、フェライト共振器１８を有するアジル型の帯域通過フィルタ３であって、外部に配置された磁気回路による印加磁界を変化させることで中心周波数を変更している。この磁界は、外部磁気回路によって発生する。磁界は、軟鉄製磁気回路１９と、可調整直流電流が流れる励起コイル２０とを含む電磁石２１の２つの磁極部材２２及び２３の間で、フェライトバー１８と同軸的に発生する。コイル２０に流れる励起電流を変化させることにより、磁界Ｈの値が変化し、その結果、フェライトバー１８の共振周波数が変化し、帯域通過フィルタ３の中心周波数が変化する。

特開平５−３７２０２号公報

しかし、上記特許文献１に記載の帯域通過フィルタ３は、フィルタを接続したまま中心周波数を変化させることができるという利点はあるが、磁界を印加するために外部回路を設ける必要がある。そのため、回路全体が大きくなり、高周波フィルタを扱うに当たって小型化が困難になるという問題があった。

そこで、本発明は、上記従来の帯域通過フィルタにおける問題点に鑑みてなされたものであって、磁界を印加するための外部回路が不要で、通過帯域幅を変えることなく中心周波数を変化させることができ、高周波用として小型化が可能な帯域通過フィルタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、帯域通過フィルタであって、導波管のＥ面に平行に設けた金属板と、該金属板の上下左右に位置するＨ面の少なくとも一辺に平行に設けた、比誘電率１．０以上の板状の誘電体とを備えることを特徴とする。

そして、本発明によれば、板状の誘電体の厚さ、高さ、比誘電率を変化させることにより、通過帯域幅を変化させることなく中心周波数を可変とすることができるため、磁界を印加するための外部回路が不要で、高周波用として小型化が可能な帯域通過フィルタを提供することが可能となる。

前記帯域通過フィルタを、前記導波管をＨ面の中央で２分割し、該２分割した導波管によって前記金属板を挟み込むことによって構成することができる。

以上のように、本発明によれば、磁界を印加するための外部回路が不要で、通過帯域幅をほとんど変えることなく中心周波数を変化させることができ、高周波用として小型化が可能な帯域通過フィルタを提供することができる。

図１乃至図３は、本発明にかかる帯域通過フィルタの第１の実施の形態を示し、この帯域通過フィルタ１は、導波管１１、１２をＨ面中央で２分割し、所定の周波数で通過帯域を有するように設計された金属板１３を挟み込み、導波管１１にＨ面と平行な誘電体１４を配置した構成となっている。

導波管１１、１２の寸法は、幅広面（Ｈ面）、幅狭面（Ｅ面）の長さを各々、ａ、ｂとし、誘電体１４は、Ｈ面に平行な長さとして幅ｈ、厚さｔFreq、伝搬方向の長さは、フィルタを構成する金属板１３の初段から終段までの長さ（図３参照）、もしくは、それ以上であれば良い。

次に、上記構成を有する帯域通過フィルタ１の動作について、図１及び図２を参照しながら説明する。

まず、周波数シフトの動作の一例を示す。本帯域通過フィルタ１は、ＴＥ１０ｓモード（ｓ＝１，２，３，・・）を用いるため、共振周波数は、Ｈ面と伝搬方向の長さによって決定される。そこで、Ｈ面に平行に板状の誘電体１４を装荷することで、Ｈ面方向の電気長を可変とし、共振周波数を制御している。

具体的事例を以下に示す。１３ＧＨｚ帯の導波管を用いた５段Ｅ面フィルタについて考える。図１及び図２に示すように、Ｈ面に平行に誘電体１４（比誘電率２．６）を装荷する。この誘電体１４は、周波数シフトのためのものであるから、比誘電率εｒが１．０以上であれば良い。この誘電体１４の厚さｔFreqを可変とすることで、図５に示すように、通過帯域の幅を一定としたまま、中心周波数を変化させることが可能である。尚、同図には、誘電体が存在しない場合と、誘電体の厚さを１０％、３０％と変化させた場合を示している。

誘電体１４を装荷することは、等価的に導波管の幅広面（Ｈ面）の長さを長くする効果があり、誘電体１４の厚さを厚くすることにより、上述のように、フィルタの共振周波数は、低い方へ移行していく。ここで、幅広面の長さと共振周波数が変化したときのフィルタの結合係数の関係は、ほとんど変化がないため、通過帯域幅を一定としたまま中心周波数を変化させることが可能となる。

誘電体１４を装荷することによる効果は、幅広面を等価的に大きくすることである。そのため、低い周波数への移行のみ可能である。高い周波数側へも調整可能な帯域通過フィルタを設計するには、予め誘電体１４を装荷した状態で中心周波数を設計した帯域通過フィルタを用い、装荷する誘電体１４の厚さｔFreq、長さｈを減らせば良い。

次に、中心周波数を変化させるための誘電体１４の設置場所について説明する。Ｅ面の端に誘電体１４を置いた場合には、Ｅ面の端には、ほとんどＴＥ１０ｓモードが生じないために影響しない。また、Ｅ面に平行、かつ、金属板１３に近接して設置した場合には、電界が集中するため、中心周波数の変化量も大きくなるが、誘電体１４の寸法（厚さなど）や比誘電率に非常に敏感となってしまうので、寸法精度の観点から再現が難しく、現実的ではない。

以上の点を踏まえると、Ｈ面に平行に誘電体１４を装荷することは、周波数調整感度の点からも都合が良い。具体的には、図５において、誘電体１４の規格化厚さ１．０％当たり約２６ＭＨｚの変化量となり、現実的な寸法精度を得る。

次に、本発明にかかる帯域通過フィルタの第２の実施形態として、周波数シフトと温度補償を同時に行う場合について、図４を参照しながら説明する。

この帯域通過フィルタ２において、誘電体１５、１６は、Ｈ面に平行であれば上下左右のいずれの面に装荷しても良い。周波数シフトのために用いる誘電体１５と、温度補償のために用いる誘電体１６は、同じ構成で用いられるが、その設計と効果は各々分けることができる。

周波数シフト用の誘電体１５は、所定の周波数で設計されたフィルタに対して装荷することで、中心周波数を低い方へ移行させるように機能し、上述のように、その周波数の変化量は、厚さｔFreqで調整できる。また、温度補償機能を有する帯域通過フィルタは、予め、厚さｔTempの温度補償用の誘電体１６が装荷されたフィルタを設計することにより、所定の中心周波数において温度変動を補償するように機能する。温度補償用の誘電体１６は、負の比誘電率温度特性を持つものでなければならない。

周波数シフト用の誘電体１５であっても、負の誘電率温度特性を有していれば、その時の温度による周波数変動を補償する方向に機能する。

一例を示すと、アルミニウムは冷却すると収縮するため、導波管の口径は小さくなる。すなわち、帯域通過フィルタを構成している共振器は小さくなり、共振周波数は高い方へと移行する。一方、装荷された誘電体１５は、冷却すると比誘電率が大きくなるので、導波管のＨ面方向の電気長は、アルミニウムと誘電体の効果の足し合わせによって、温度変動を小さく抑えることができる。従って、導波管に用いる材料と、誘電体に用いる材料の組み合わせを選択することで、温度による周波数変動を小さく抑えることができる。誘電体１５は、厚さｔＦreqやＨ面方向の長さｈを調整することで、その効果を調整することができる。

例えば、図５に示す規格化厚さ３０％の誘電体を装荷した場合の温度特性は、図６に示すように、装荷する誘電体の規格化厚さ３０％の時の周波数変動と同じとなる。すなわち、規格化厚さ３０％の誘電体を装荷することで、８２０ＭＨｚの周波数シフトとともに、約１４ＭＨｚ（３８％）の温度補償を実現している。

本発明にかかる帯域通過フィルタの第１の実施形態を示す分解斜視図である。図１の帯域通過フィルタを正面から見た断面図である。図１の帯域通過フィルタを側面（上側）から見た断面図である。本発明にかかる帯域通過フィルタの第２の実施形態を正面から見た断面図である。本発明にかかる帯域通過フィルタの第１の実施形態の構造に類似する帯域通過フィルタの誘電体を装荷した場合の通過特性を示す実測グラフである。本発明にかかる帯域通過フィルタの第２の実施形態の構造に類似する帯域通過フィルタの誘電体（εｒ＝２．６）を装荷した場合の温度変化に対する周波数変動特性を示した実測グラフである。従来の帯域通過フィルタの一例を示す概略外観図である。

符号の説明

１帯域通過フィルタ
２帯域通過フィルタ
３帯域通過フィルタ
１１導波管
１２導波管
１３金属板
１４誘電体
１５周波数シフト用の誘電体
１６温度補償用の誘電体
１７同軸ケーブル
１８フェライトバー
１９軟鉄製磁気回路
２０コイル
２１電磁石
２２磁極部材
２３磁極部材
２４導波管
２５同軸アンテナ
２６金属製端部プレート
２７同軸ケーブル
２８同軸アンテナ
２９金属製端部プレート

Claims

導波管のＥ面に平行に設けた金属板と、
該金属板の上下左右に位置するＨ面の少なくとも一辺に平行に設けた、比誘電率１．０以上の板状の誘電体とを備えることを特徴とする帯域通過フィルタ。
前記導波管をＨ面の中央で２分割し、該２分割した導波管によって前記金属板を挟み込むことを特徴とする請求項１に記載の帯域通過フィルタ。