JP5409305B2

JP5409305B2 - 空洞共振器、高周波フィルタおよび高周波発振器

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Publication number: JP5409305B2
Application number: JP2009273209A
Authority: JP
Inventors: 哲大和田; 尚史米田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-12-01
Also published as: JP2011119821A

Description

この発明は、例えばフィルタや発振器に適用され、マイクロ波帯やミリ波帯で動作する空洞共振器に関する。

遮蔽された金属筐体内の空間に電磁界を閉じ込めて共振させる空洞共振器は、マイクロ波帯やミリ波帯において、低損失な共振器として広く用いられている。空洞共振器には、金属筐体内が中空のものや、金属筐体内に誘電体が支持されたものがあり、何れも内部損失の少ない高性能な共振器として扱われる。

これらの高性能な共振器は、帯域幅の狭いフィルタや発振器に用いられることから、電磁界の共振周波数の変動が小さいことが求められる。しかしながら、空洞を構成する金属筐体は、周囲の温度変化により膨張または収縮する。これにより、電磁界の分布する領域の体積（空洞の容積）が変化するので、共振器の電気的な大きさが変化して電磁界の共振周波数が変動する。

そこで、従来、空洞共振器について、温度変化による電磁界の共振周波数の変動を抑制する方法、いわゆる共振周波数の温度補償法が提案されている。空洞共振器における共振周波数の温度補償法の１つとして、円筒形空洞を形成する金属筐体の一方の端部壁を、線膨張係数の互いに異なる異種金属を抱き合わせた部材で構成し、この端部壁のたわみの温度変化を利用して、温度変化による空洞の容積の変化を低減する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３３０８１５号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に示した空洞共振器を含めて、共振周波数の温度補償機能を備えた空洞共振器は、使用される材料の線膨張係数に基づいて、その構造が設計される。このとき、材料の線膨張係数には、ばらつきがあるので、見込み通りの共振周波数の温度補償効果が得られないことが少なくないという問題がある。
特に、低線膨張係数で知られるＦｅ−Ｎｉ合金（インバー）については、製造メーカや製造方法等により、線膨張係数が０．１〜１ｐｐｍ／℃程度と、きわめて広い範囲の値をとることや、製造のたびに線膨張係数が微妙に異なる値をとること等が知られている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、使用される材料の線膨張係数のばらつきに柔軟に対応して高い共振周波数の温度補償効果を得られるとともに、所望の周波数で電磁界を共振させることができる空洞共振器を得ることを目的とする。

この発明に係る空洞共振器は、第１の線膨張係数を有する材料で構成され、電磁界が共振する空洞が形成された筐体と、筐体に設けられ、温度変化による電磁界の共振周波数の変動を抑制する周波数変動抑制手段とを備え、周波数変動抑制手段は、第１の線膨張係数を有する材料で構成されて空洞内に突出し、突出量が可変な第１突出部と、第１の線膨張係数とは異なる第２の線膨張係数を有する材料で構成されて空洞内に突出し、突出量が可変な第２突出部とを含み、第１突出部および第２突出部は、空洞内で共振する電磁界の電界と直交する方向に突出し、第２の線膨張係数は、第１の線膨張係数よりも大きく、主として筐体の線膨張係数（第１の線膨張係数）に係る電磁界の共振周波数の温度変化率の絶対値と、第２突出部の突出量および線膨張係数（第２の線膨張係数）と空洞の寸法とに係る電磁界の共振周波数の温度変化率の絶対値とが互いに等しいものである。

この発明に係る空洞共振器によれば、温度変化による電磁界の共振周波数の変動を抑制する周波数変動抑制手段は、筐体と同一の第１の線膨張係数を有する材料で構成されて空洞内に突出し、突出量が可変な第１突出部と、第１の線膨張係数とは異なる第２の線膨張係数を有する材料で構成されて空洞内に突出し、突出量が可変な第２突出部とを含み、主として筐体の線膨張係数（第１の線膨張係数）に係る電磁界の共振周波数の温度変化率の絶対値と、第２突出部の突出量および線膨張係数（第２の線膨張係数）と空洞の寸法とに係る電磁界の共振周波数の温度変化率の絶対値とが互いに等しいものである。
そのため、使用される材料の線膨張係数のばらつきに柔軟に対応して高い共振周波数の温度補償効果を得られるとともに、所望の周波数で電磁界を共振させることができる空洞共振器を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る空洞共振器を示す斜視図である。この発明の実施の形態１に係る空洞共振器を示す正面図である。この発明の実施の形態１に係る空洞共振器を示す平面図である。図２のＩ−Ｉ線に沿った矢視断面を、共振モードの電磁界分布とともに示す説明図である。図３のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面を、共振モードの電磁界分布とともに示す説明図である。この発明の実施の形態１に係る空洞共振器における調整ねじの空洞内への突出量と共振周波数変化量との関係を示す説明図である。この発明の実施の形態２に係る空洞共振器を示す正面図である。この発明の実施の形態２に係る空洞共振器を示す平面図である。図７のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った矢視断面を、一方の共振モードの電磁界分布とともに示す説明図である。図８のＩＶ−ＩＶ線に沿った矢視断面を、一方の共振モードの電磁界分布とともに示す説明図である。この発明の実施の形態２に係る空洞共振器における調整ねじの空洞内への突出量と共振周波数変化量との関係を示す説明図である。

以下、この発明の空洞共振器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
この発明の空洞共振器は、マイクロ波帯やミリ波帯で動作し、所望の周波数帯域の電磁界を通過させる高周波フィルタや、所望の周波数帯域の電磁界を発振する高周波発振器等に適用される。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る空洞共振器を示す斜視図である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係る空洞共振器を示す正面図である。また、図３は、この発明の実施の形態１に係る空洞共振器を示す平面図である。

図１〜３において、この空洞共振器は、電磁界が共振する空洞２が内部に形成された筐体１と、空洞２内に突出する第１調整ねじ（第１突出部）３および第１ナット４と、空洞２内に突出する第２調整ねじ（第２突出部）５および第２ナット６とを備えている。ここで、第１調整ねじ３および第２調整ねじ５は、温度変化による電磁界の共振周波数の変動を抑制する周波数変動抑制手段を構成している。

空洞２は、円柱の一方の底面に半球の断面を接合した半球円柱形状を有している。筐体１の側面には、マイクロ波（ミリ波）が通過する２つの入出力導波管（矩形導波管）７ａ、７ｂが形成されている。入出力導波管７ａ、７ｂは、それぞれ空洞２の側面に設けられた入出力結合手段（結合孔）８ａ、８ｂを介して空洞２と連通している。

空洞２の円柱の他方の底面の中心には、空洞２の回転対称軸方向に、筐体１の外部へと貫通するねじ孔９が形成されている。第１調整ねじ３は、ねじ孔９に筐体１の外部から螺合し、空洞２内に突出している。第１ナット４は、筐体１の外部に設けられ、第１調整ねじ３を固定している。第１調整ねじ３の突出量は、第１ナット４を緩解して第１調整ねじ３を回転させ、第１ナット４を締結することにより、外部から調整可能となっている。

空洞２の半球部分の中心には、空洞２の回転対称軸方向に、筐体１の外部へと貫通するねじ孔１０が形成されている。第２調整ねじ５は、ねじ孔１０に筐体１の外部から螺合し、空洞２内に突出している。第２ナット６は、筐体１の外部に設けられ、第２調整ねじ５を固定している。第２調整ねじ５の突出量は、第２ナット６を緩解して第２調整ねじ５を回転させ、第２ナット６を締結することにより、外部から調整可能となっている。

ここで、筐体１および第１調整ねじ３は、線膨張係数（第１の線膨張係数）の比較的小さなＦｅ−Ｎｉ合金（インバー）により構成されている。一方、第２調整ねじ５は、筐体１および第１調整ねじ３と比較して、線膨張係数（第２の線膨張係数）が１〜２桁程度大きい黄銅等により構成されている。筐体１、第１調整ねじ３および第２調整ねじ５の表面は、導電率の高い導体でメッキされている。

図４は、図２のＩ−Ｉ線に沿った矢視断面を、共振モードの電磁界分布とともに示す説明図である。また、図５は、図３のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面を、共振モードの電磁界分布とともに示す説明図である。

図４、５において、共振モードの電磁界分布は、空洞２の回転対称軸の周方向について振幅が一様で、かつ回転対称軸から径方向外側に向けて振幅が０から極大となって再び０となり、かつ半球部分の中心から円柱の他方の底面の中心に向けて振幅が０から極大となって再び０となる電界成分と、この電界成分に直交して電界成分の周りを回り、周方向に振幅が一様な磁界成分とを有する。この電磁界分布は、空洞２の形状が円柱形や矩形ではないのでモード名の定義がないが、基本的には、円柱形の空洞におけるＴＥ０１１モードとほぼ同一の電磁界分布である。

すなわち、第１調整ねじ３および第２調整ねじ５は、共振モードの電界成分と直交する方向に突出し、空洞２内への突出量が調整される構造となっている。このような構造と上述した電磁界分布との関係のもとでは、空洞２内に突出した第１調整ねじ３および第２調整ねじ５が、共振モードの電界成分の分布領域を制限することになる。そのため、第１調整ねじ３または第２調整ねじ５の空洞２内への突出量が大きくなると、電磁界の共振周波数が高くなる。

図６は、この発明の実施の形態１に係る空洞共振器における調整ねじ（第１調整ねじ３または第２調整ねじ５）の空洞２内への突出量（軸方向寸法）と、共振周波数変化量との関係を示す説明図である。図６では、調整ねじの突出量が０であるときの共振周波数を基準として、この基準の共振周波数からの周波数の変化量を共振周波数変化量としている。
図６において、調整ねじの突出量と共振周波数変化量との関係は線形ではなく、突出量が大きくなるにつれて共振周波数変化量は大きくなる。すなわち、共振周波数の調整感度は、調整ねじの突出量の増加に応じて大きくなる。

以下、図１〜５を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る空洞共振器の動作について説明する。
空洞共振器の入出力導波管７ａに入射するマイクロ波（ミリ波）のうち、上述した共振モードの共振周波数およびその近傍の周波数のマイクロ波は、入出力結合手段８ａを介して空洞２へと結合する。空洞２へと結合したマイクロ波は、入出力結合手段８ｂを介して入出力導波管７ｂへと結合し、空洞共振器の外部に出力される。

また、空洞共振器の入出力導波管７ａに入射するその他の周波数のマイクロ波については、空洞２へは結合せず反射される。そのため、この空洞共振器は、共振モードの共振周波数およびその近傍の周波数のマイクロ波のみ通過損失が小さくなる帯域通過型の周波数特性を有する。なお、通過損失が小さくなる帯域の幅は、入出力結合手段８ａ、８ｂの形状から決定される。

次に、この発明の実施の形態１に係る空洞共振器における共振周波数の温度補償および設計について説明する。
この空洞共振器の共振モードにおける電磁界分布は、上述したように、空洞２の回転対称軸方向のみならず、回転対称軸から径方向にも振幅の分布を有している。そのため、基本的には、電磁界の共振周波数の温度変化率は、空洞２の軸方向寸法の温度変化率と径方向寸法の温度変化率とによって決定される。

ここでは、簡単のため、空洞２の軸方向寸法の温度変化率と径方向寸法の温度変化率とが互いに等しいとする。また、共振周波数をｆ_ｒとし、温度をＴとすると、空洞２の寸法に係る電磁界の共振周波数の温度変化率∂ｆ_ｒ ^ｃ／∂Ｔｐｐｍ／℃は、次式（１）で表される。なお、式（１）において、α_ｃは筐体１を構成する材料の線膨張係数ｐｐｍ／℃を示している。

一方、第１調整ねじ３および第２調整ねじ５についても、温度変化によって寸法が変化する。そのため、空洞２内に突出している第１調整ねじ３および第２調整ねじ５の軸方向寸法の温度変化率と径方向寸法の温度変化率とが、電磁界の共振周波数の温度変化率に影響を与える。また、空洞２の径に対する第１調整ねじ３および第２調整ねじ５の径の比率、並びに空洞２の軸方向寸法に対する第１調整ねじ３および第２調整ねじ５の突出量の軸方向寸法の比率も、電磁界の共振周波数の温度変化率に影響を与える。これらのことを考慮すると、第１調整ねじ３および第２調整ねじ５の突出量に係る電磁界の共振周波数の温度変化率∂ｆ_ｒ ^ｓ／∂Ｔｐｐｍ／℃は、次式（２）で表される。

式（２）において、α_ｓ１、α_ｓ２はそれぞれ第１調整ねじ３および第２調整ねじ５を構成する材料の線膨張係数［ｐｐｍ／℃］、Ｒは空洞２の半径、Ｄは空洞２の高さ（軸方向寸法）、ｒ１、ｒ２はそれぞれ第１調整ねじ３および第２調整ねじ５の半径、ｄ１、ｄ２はそれぞれ空洞２内に突出している第１調整ねじ３および第２調整ねじ５の軸方向寸法を示している。

また、式（２）において、右辺第１項は、第１調整ねじ３に関する項であり、右辺第２項は、第２調整ねじ５に関する項である。したがって、式（１）と式（２）との絶対値が互いに等しくなるように、筐体１および第１調整ねじ３の線膨張係数と第２調整ねじ５の線膨張係数とを決定し、第１調整ねじ３および第２調整ねじ５の径および空洞２内への突出量を決定することにより、共振周波数の温度補償が成立することとなる。

ここで、この空洞共振器では、上述したように、α_ｓ２≫α_ｃ、α_ｓ１＝α_ｃであることから、式（２）の右辺第１項は、右辺第２項に対して小さくなることが判る。

したがって、式（２）の右辺第１項を無視して、筐体１と第２調整ねじ５との間で、式（１）と式（２）との絶対値が互いに等しくなるように、具体的には、空洞２の線膨張係数（第１の線膨張係数）に係る電磁界の共振周波数の温度変化率の絶対値と、第２調整ねじ５の突出量および線膨張係数（第２の線膨張係数）と空洞２の寸法とに係る電磁界の共振周波数の温度変化率の絶対値とが互いに等しくなるように、筐体１および第２調整ねじ５の突出量が決定される。このとき、第１調整ねじ３は、電磁界の共振周波数が所望の周波数となるようにその突出量が決定される。

これらのことから、例えばα_ｓ２＝１０α_ｃである場合、ｒ_２／Ｒ＝ｄ_２／Ｄ＝０．１とすると、式（１）の絶対値と式（２）の絶対値とが互いにほぼ一致し、温度変化による共振周波数の変動を抑制し、所望の周波数で電磁界を共振させることができる。

なお、上述したような設計は、筐体１や第１調整ねじ３および第２調整ねじ５の線膨張係数を仮定して行うこととなるが、この空洞共振器では、２つの第１調整ねじ３および第２調整ねじ５の突出量を変更できるようになっている。そのため、実際の線膨張係数が仮定した値と異なっている場合であっても、第２調整ねじ５の突出量ｄ_２を変更することにより、共振周波数の温度補償を復旧できることが式（２）から判る。

ここで、第２調整ねじ５の突出量ｄ_２を変更すると、共振周波数が変化するが、第１調整ねじ３の突出量ｄ_１を適宜変更することにより、所望の共振周波数を維持することができる。また、第１調整ねじ３の突出量ｄ_１は、温度補償に与える影響が小さいと考えられることから、第１調整ねじ３の突出量ｄ_１の変更によって、温度補償が成立しなくなることはない。また、製造誤差により空洞２の寸法が設計寸法からずれを生じた場合にも、第１調整ねじ３の突出量ｄ_１を適宜変更することになるが、同様に、温度補償が成立しなくなることはない。

以上のように、実施の形態１によれば、温度変化による電磁界の共振周波数の変動を抑制する周波数変動抑制手段は、筐体と同一の第１の線膨張係数を有する材料で構成され、空洞内で共振する電磁界の電界成分と直交する方向に突出し、突出量が可変な第１突出部と、第１の線膨張係数よりも大きな第２の線膨張係数を有する材料で構成され、空洞内で共振する電磁界の電界成分と直交する方向に突出し、突出量が可変な第２突出部とを含み、主として筐体の線膨張係数（第１の線膨張係数）に係る電磁界の共振周波数の温度変化率の絶対値と、第２突出部の突出量および線膨張係数（第２の線膨張係数）と空洞の寸法とに係る電磁界の共振周波数の温度変化率の絶対値とが互いに等しいものである。
そのため、使用される材料の線膨張係数のばらつきに柔軟に対応して高い共振周波数の温度補償効果を得られるとともに、所望の周波数で電磁界を共振させることができる円形ＴＥ０１１モードの空洞共振器を得ることができる。

なお、上記実施の形態１では、空洞２の形状を半球円柱形状として説明したが、空洞の形状は必ずしも半球円柱形状に限定されるものではない。空洞の形状は、ＴＥ０１１系の共振モードが共振する形状であれば、円柱形状やそれに類するものであってもよい。また、調整ねじの形状も、上記実施の形態１で取り上げた形状に限定されるものではなく、他の形状であってもよい。
これらの場合も、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係る空洞共振器を示す正面図である。また、図８は、この発明の実施の形態２に係る空洞共振器を示す平面図である。

図７、８において、この空洞共振器は、電磁界が共振する空洞１２が内部に形成された筐体１１と、空洞１２内に突出する第１調整ねじ（第１突出部）１３ａ、１３ｂおよび第１ナット１４ａ、１４ｂと、空洞１２内に突出する第２調整ねじ（第２突出部）１５ａ、１５ｂおよび第２ナット１６ａ、１６ｂと、空洞１２内に突出するモード間結合調整ねじ１７および第３ナット１８とを備えている。ここで、第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂは、温度変化による電磁界の共振周波数の変動を抑制する周波数変動抑制手段を構成している。

空洞１２は、円柱形状を有している。筐体１１の側面には、マイクロ波（ミリ波）が通過する２つの入出力導波管（矩形導波管）１９ａ、１９ｂが形成されている。入出力導波管１９ａ、１９ｂは、それぞれ空洞１２の側面に設けられた入出力結合手段（結合孔）２０ａ、２０ｂを介して空洞１２と連通している。なお、入出力導波管１９ａ、１９ｂは、９０度の角度を持って形成されている。

空洞１２内の、入出力結合手段２０ｂと対向する面には、空洞１２の径方向に筐体１１の外部へと貫通するねじ孔２１ａ、２１ｂが、空洞１２の中心軸方向に２つ並んで形成されている。第１調整ねじ１３ａおよび第２調整ねじ１５ａは、それぞれねじ孔２１ａ、２１ｂに筐体１１の外部から螺合し、空洞１２内に突出している。第１ナット１４ａおよび第２ナット１６ａは、筐体１１の外部に設けられ、それぞれ第１調整ねじ１３ａおよび第２調整ねじ１５ａを固定している。第１調整ねじ１３ａおよび第２調整ねじ１５ａの突出量は、それぞれ第１ナット１４ａおよび第２ナット１６ａを緩解して第１調整ねじ１３ａおよび第２調整ねじ１５ａを回転させ、第１ナット１４ａおよび第２ナット１６ａを締結することにより、外部から調整可能となっている。

空洞１２内の、入出力結合手段２０ａと対向する面には、空洞１２の径方向に筐体１１の外部へと貫通するねじ孔２１ｃ、２１ｄが、空洞１２の中心軸方向に２つ並んで形成されている。第１調整ねじ１３ｂおよび第２調整ねじ１５ｂは、それぞれねじ孔２１ｃ、２１ｄに筐体１１の外部から螺合し、空洞１２内に突出している。第１ナット１４ｂおよび第２ナット１６ｂは、筐体１１の外部に設けられ、それぞれ第１調整ねじ１３ｂおよび第２調整ねじ１５ｂを固定している。第１調整ねじ１３ｂおよび第２調整ねじ１５ｂの突出量は、それぞれ第１ナット１４ｂおよび第２ナット１６ｂを緩解して第１調整ねじ１３ｂおよび第２調整ねじ１５ｂを回転させ、第１ナット１４ｂおよび第２ナット１６ｂを締結することにより、外部から調整可能となっている。

また、第１調整ねじ１３ａおよび第２調整ねじ１５ａと第１調整ねじ１３ｂおよび第２調整ねじ１５ｂとの間には、何れの調整ねじとも４５度の角度をなす方向に、空洞１２の内部から筐体１１の外部へと貫通するねじ孔２１ｅが形成されている。モード間結合調整ねじ１７は、ねじ孔２１ｅに筐体１１の外部から螺合し、空洞１２内に突出している。第３ナット１８は、筐体１１の外部に設けられ、モード間結合調整ねじ１７を固定している。モード間結合調整ねじ１７の突出量は、第３ナット１８を緩解してモード間結合調整ねじ１７を回転させ、第３ナット１８を締結することにより、外部から調整可能となっている。

ここで、筐体１１および第１調整ねじ１３ａ、１３ｂは、１０〜３０ｐｐｍ／℃程度の線膨張係数（第１の線膨張係数）を有する一般的な金属により構成されている。一方、第２調整ねじ１５ａ、１５ｂは、筐体１１および第１調整ねじ１３ａ、１３ｂと比較して、線膨張係数（第２の線膨張係数）が１〜２桁程度小さいＦｅ−Ｎｉ合金（インバー）等により構成されている。筐体１１、第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂの表面は、導電率の高い導体でメッキされている。

図９は、図７のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った矢視断面を、一方の共振モードの電磁界分布とともに示す説明図である。また、図１０は、図８のＩＶ−ＩＶ線に沿った矢視断面を、一方の共振モードの電磁界分布とともに示す説明図である。

図９、１０において、共振モードの電磁界分布は、空洞１２の底面と平行で、空洞１２（円柱）の中心軸から径方向外側に向けて（図９、１０におけるｚ方向）振幅が０へと近づき、かつ空洞１２の中心から空洞１２の中心軸に沿って底面へと向けて（図９、１０におけるｙ方向）振幅が０へと近づく電界成分と、この電界成分に直交して電界成分の周りを回る磁界成分とを有する。この電磁界分布は、いわゆる円柱形の空洞におけるＴＥ１１１モードの電磁界分布である。

なお、図９、１０に示した電磁界分布は、入出力結合手段２０ａを介して入出力導波管１９ａから入射したマイクロ波（ミリ波）と結合する共振モードの電磁界分布である。この共振モードの共振周波数は、第１調整ねじ１３ａおよび第２調整ねじ１５ａによって調整される。

また、この空洞共振器の内部では、電界成分の向きが空洞１２の周方向に９０度だけ回転したもう１つのＴＥ１１１モードが共振する。このもう１つのＴＥ１１１モードは、入出力結合手段２０ｂを介して入出力導波管１９ｂへと結合する。この共振モードの共振周波数は、第１調整ねじ１３ｂおよび第２調整ねじ１５ｂによって調整され、かつ２つの共振モードの共振周波数がほぼ同一となるように空洞１２内への突出量が調整される。また、２つの共振モード間の結合は、モード間結合調整ねじ１７の空洞１２内への突出量により調整される。

すなわち、第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂは、共振モードの電界成分に対して平行な方向に突出し、空洞１２内への突出量が調整される構造となっている。このような構造と上述した電磁界分布との関係のもとでは、第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂと対向する面から、第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂへと向かう電界成分を、空洞１２内に突出した第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂが強める働きを有する。そのため、突出した第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂへと向かう電界成分とその周辺の他の電界成分とで強弱が生じる。

これにより、空洞１２の底面と平行な面内の電界成分の電気的な広がりが等価的に大きくなるだけでなく、空洞１２の中心軸を含む面内についても電界成分の電気的な広がりが等価的に大きくなる。したがって、第１調整ねじ１３ａ、１３ｂまたは第２調整ねじ１５ａ、１５ｂの空洞１２内への突出量が大きくなると、電磁界の共振周波数が低くなる。

図１１は、この発明の実施の形態２に係る空洞共振器における調整ねじ（第１調整ねじ１３ａ、１３ｂまたは第２調整ねじ１５ａ、１５ｂ）の空洞１２内への突出量（ねじの軸方向寸法）と、共振周波数変化量との関係を示す説明図である。図１１では、調整ねじの突出量が０であるときの共振周波数を基準として、この基準の共振周波数からの周波数の変化量を共振周波数変化量としている。
図１１において、実線は調整ねじの軸方向の電界成分を有する共振モードの共振周波数変化量を示し、一点鎖線は調整ねじの軸方向と垂直な電界成分を有する共振モードの共振周波数変化量を示している。

図１１の実線から判るように、調整ねじの突出量と共振周波数変化量との関係は線形ではなく、突出量が大きくなるにつれて共振周波数変化量は大きくなる。このことは、共振周波数の調整感度が、調整ねじの突出量の増加に応じて徐々に大きくなることを示している。また、図１１の一点鎖線から判るように、調整ねじの軸方向と垂直な電界成分を有する共振モードの共振周波数はほとんど変化せず、第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂは、何れかの共振モードの共振周波数をおおよそ独立に調整することができる。

以下、図７〜１０を参照しながら、この発明の実施の形態２に係る空洞共振器の動作について説明する。
空洞共振器の入出力導波管１９ａに入射するマイクロ波（ミリ波）のうち、上述した共振モードの共振周波数およびその近傍の周波数のマイクロ波は、入出力結合手段２０ａを介して空洞１２へと結合する。空洞１２へと結合したマイクロ波は、モード間結合調整ねじ１７によって一方の共振モードから他方の共振モードへと結合する。他方の共振モードへと結合したマイクロ波は、入出力結合手段２０ｂを介して入出力導波管１９ｂへと結合し、空洞共振器の外部に出力される。

また、空洞共振器の入出力導波管１９ａに入射するその他の周波数のマイクロ波については、空洞１２へは結合せず反射される。そのため、この空洞共振器は、共振モードの共振周波数およびその近傍の周波数のマイクロ波のみ通過損失が小さくなる帯域通過型の周波数特性を有する。なお、通過損失が小さくなる帯域の幅は、入出力結合手段２０ａ、２０ｂの形状、およびモード間結合調整ねじ１７の空洞１２内への突出量から決定される。

次に、この発明の実施の形態２に係る空洞共振器における共振周波数の温度補償および設計について説明する。
この空洞共振器の共振モードにおける電磁界分布は、上述したように、空洞１２の中心軸方向のみならず、中心軸から径方向にも振幅の分布を有している。そのため、基本的には、電磁界の共振周波数の温度変化率は、空洞１２の軸方向寸法の温度変化率と径方向寸法の温度変化率とによって決定される。

ここでは、簡単のため、空洞１２の軸方向寸法の温度変化率と径方向寸法の温度変化率とが互いに等しいとする。また、共振周波数をｆ_ｒとし、温度をＴとすると、空洞１２の寸法に係る電磁界の共振周波数の温度変化率∂ｆ_ｒ ^ｃ／∂Ｔｐｐｍ／℃は、上記式（１）で表される。

一方、第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂについても、温度変化によって寸法が変化する。そのため、空洞１２内に突出している第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂの軸方向寸法の温度変化率と径方向寸法の温度変化率とが、電磁界の共振周波数の温度変化率に影響を与える。また、空洞１２の径に対する第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂの径の比率、並びに空洞１２の軸方向寸法に対する第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂの突出量の軸方向寸法の比率も、電磁界の共振周波数の温度変化率に影響を与える。

さらに、この空洞共振器では、第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂの軸方向が共振モードの電界成分の方向と平行なので、空洞１２の底面と平行な断面内における電界成分の強弱による電気的な広がりの変化や、空洞１２の中心軸を含み、空洞１２の中心軸付近の電界成分と平行な断面内における電界成分の強弱による電気的な広がりの変化も、電磁界の共振周波数の温度変化率に影響を与える。これらのことを考慮すると、第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂの突出量に係る電磁界の共振周波数の温度変化率∂ｆ_ｒ ^ｓ／∂Ｔｐｐｍ／℃は、近似的に次式（３）で表される。

式（３）において、α_ｓ１、α_ｓ２はそれぞれ第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂを構成する材料の線膨張係数［ｐｐｍ／℃］、Ｒは空洞１２の半径、ｄ１、ｄ２はそれぞれ空洞１２内に突出している第１調整ねじ１３ａ（１３ｂ）および第２調整ねじ１５ａ（１５ｂ）の軸方向寸法、Ａ_１、Ａ_２は第１調整ねじ１３ａ（１３ｂ）および第２調整ねじ１５ａ（１５ｂ）の取り付け位置等に係る定数係数を示している。

また、式（３）において、右辺第１項は、第１調整ねじ１３ａ（１３ｂ）に関する項であり、右辺第２項は、第２調整ねじ１５ａ（１５ｂ）に関する項である。したがって、式（１）と式（３）との絶対値が互いに等しくなるように、筐体１１および第１調整ねじ１３ａ（１３ｂ）の線膨張係数と第２調整ねじ１５ａ（１５ｂ）の線膨張係数とを決定し、第１調整ねじ１３ａ（１３ｂ）および第２調整ねじ１５ａ（１５ｂ）の径および空洞１２内への突出量を決定することにより、共振周波数の温度補償が成立することとなる。

ここで、この空洞共振器では、上述したように、α_ｓ２≪α_ｃ、α_ｓ１＝α_ｃであることから、式（３）の右辺第１項は、０となることが判る。
したがって、筐体１１と第２調整ねじ１５ａ（１５ｂ）との間で、式（１）と式（３）との絶対値が互いに等しくなるように、具体的には、空洞１２の線膨張係数（第１の線膨張係数）に係る電磁界の共振周波数の温度変化率の絶対値と、空洞１２の寸法および線膨張係数（第１の線膨張係数）と第２調整ねじ１５ａ（１５ｂ）の突出量および線膨張係数（第２の線膨張係数）とに係る電磁界の共振周波数の温度変化率の絶対値とが互いに等しくなるように、筐体１１および第２調整ねじ１５ａ（１５ｂ）の突出量が決定される。このとき、第１調整ねじ１３ａ（１３ｂ）は、電磁界の共振周波数が所望の周波数となるようにその突出量が決定される。

これにより、式（１）の絶対値と式（３）の絶対値とが互いにほぼ一致し、温度変化による共振周波数の変動を抑制し、所望の周波数で電磁界を共振させることができる。

なお、上述したような設計は、筐体１１や第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂの線膨張係数を仮定して行うこととなるが、この空洞共振器では、４つの第１調整ねじ１３ａ、１３ｂおよび第２調整ねじ１５ａ、１５ｂの突出量を変更できるようになっている。そのため、実際の線膨張係数が仮定した値と異なっている場合であっても、第２調整ねじ１５ａ（１５ｂ）の突出量ｄ_２を変更することにより、共振周波数の温度補償を復旧できることが式（３）から判る。

ここで、第２調整ねじ１５ａ（１５ｂ）の突出量ｄ_２を変更すると、共振周波数が変化するが、第１調整ねじ１３ａ（１３ｂ）の突出量ｄ_１を適宜変更することにより、所望の共振周波数を維持することができる。また、第１調整ねじ１３ａ（１３ｂ）の突出量ｄ_１は、温度補償に与える影響が小さいと考えられることから、第１調整ねじ１３ａ（１３ｂ）の突出量ｄ_１の変更によって、温度補償が成立しなくなることはない。また、製造誤差により空洞１２の寸法が設計寸法からずれを生じた場合にも、第１調整ねじ１３ａ（１３ｂ）の突出量ｄ_１を適宜変更することになるが、同様に、温度補償が成立しなくなることはない。

以上のように、実施の形態２によれば、温度変化による電磁界の共振周波数の変動を抑制する周波数変動抑制手段は、筐体と同一の第１の線膨張係数を有する材料で構成され、空洞内で共振する電磁界の電界成分と平行な方向に突出し、突出量が可変な第１突出部と、第１の線膨張係数よりも小さな第２の線膨張係数を有する材料で構成され、空洞内で共振する電磁界の電界成分と平行な方向に突出し、突出量が可変な第２突出部とを含み、主として筐体の線膨張係数（第１の線膨張係数）に係る電磁界の共振周波数の温度変化率の絶対値と、第２突出部の突出量および線膨張係数（第２の線膨張係数）と空洞の寸法および線膨張係数（第１の線膨張係数）とに係る電磁界の共振周波数の温度変化率の絶対値とが互いに等しいものである。
そのため、使用される材料の線膨張係数のばらつきに柔軟に対応して高い共振周波数の温度補償効果を得られるとともに、所望の周波数で電磁界を共振させることができる円形ＴＥ１１１モードによるデュアルモード空洞共振器を得ることができる。

なお、上記実施の形態２では、共振モードをＴＥ１１１モードとして説明したが、これに限定されず、さらに高次の共振モードであるＴＥ１１２モードやＴＥ１１３モードであっても、同様の考え方で共振周波数の温度補償を実現することができる。

また、上記実施の形態２では、空洞１２の形状を円柱形状として説明したが、空洞の形状は必ずしも円柱形状に限定されるものではない。空洞の形状は、ＴＥ１１ｎ（ｎは自然数）系の共振モードが共振する形状であれば、他の形状であってもよい。また、調整ねじの形状も、上記実施の形態２で取り上げた形状に限定されるものではなく、他の形状であってもよい。
これらの場合も、上記実施の形態２と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態１、２では、１つの共振モードに対する調整ねじの本数を２本としたが、これに限定されず、使用する金属の線膨張係数等を考慮して、調整ねじの本数を３本以上としてもよい。
この場合も、上記実施の形態１、２と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態１、２では、筐体および調整ねじが金属で構成されていると説明したが、これに限定されず、筐体および調整ねじは、例えば樹脂やセラミックスといった材料に導電率の高い導体をメッキして構成されてもよい。
この場合も、上記実施の形態１、２と同様の効果を得ることができる。

１、１１筐体、２、１２空洞、３、１３ａ、１３ｂ第１調整ねじ（第１突出部）、５、１５ａ、１５ｂ第２調整ねじ（第２突出部）。

Claims

第１の線膨張係数を有する材料で構成され、電磁界が共振する空洞が形成された筐体と、
前記筐体に設けられ、温度変化による前記電磁界の共振周波数の変動を抑制する周波数変動抑制手段と、を備え、
前記周波数変動抑制手段は、
前記第１の線膨張係数を有する材料で構成されて前記空洞内に突出し、突出量が可変な第１突出部と、
前記第１の線膨張係数とは異なる第２の線膨張係数を有する材料で構成されて前記空洞内に突出し、突出量が可変な第２突出部と、を含み、
前記第１突出部および前記第２突出部は、前記空洞内で共振する電磁界の電界と直交する方向に突出し、
前記第２の線膨張係数は、前記第１の線膨張係数よりも大きく、
前記筐体の前記第１の線膨張係数に係る前記電磁界の共振周波数の温度変化率の絶対値と、前記第２突出部の突出量および前記第２の線膨張係数と前記空洞の寸法とに係る前記電磁界の共振周波数の温度変化率の絶対値とが互いに等しい
ことを特徴とする空洞共振器。
第１の線膨張係数を有する材料で構成され、電磁界が共振する空洞が形成された筐体と、
前記筐体に設けられ、温度変化による前記電磁界の共振周波数の変動を抑制する周波数変動抑制手段と、を備え、
前記周波数変動抑制手段は、
前記第１の線膨張係数を有する材料で構成されて前記空洞内に突出し、突出量が可変な第１突出部と、
前記第１の線膨張係数とは異なる第２の線膨張係数を有する材料で構成されて前記空洞内に突出し、突出量が可変な第２突出部と、を含み、
前記第１突出部および前記第２突出部は、前記空洞内で共振する電磁界の電界と平行な方向に突出し、
前記第２の線膨張係数は、前記第１の線膨張係数よりも小さく、
前記筐体の前記第１の線膨張係数に係る前記電磁界の共振周波数の温度変化率の絶対値と、前記第２突出部の突出量および前記第２の線膨張係数と前記空洞の寸法とに係る前記電磁界の共振周波数の温度変化率の絶対値とが互いに等しい
ことを特徴とする空洞共振器。
前記空洞は、円柱の一方の底面に半球の断面を接合した回転対称な半球円柱形状を有し、
前記電磁界は、前記空洞の回転対称軸の周方向について振幅が一様な電界を有する共振モードで共振し、
前記第１突出部および前記第２突出部は、それぞれ前記円柱の他方の底面の中心および前記半球部分の中心に形成される
ことを特徴とする請求項１に記載の空洞共振器。
前記空洞は、円柱形状を有し、
前記電磁界は、電界の方向が互いに直交する２つのＴＥ１１ｎ（ｎは自然数）系の共振モードで共振し、
前記第１突出部および前記第２突出部は、それぞれ前記円柱の側面に、前記共振モードの各々に対応して形成される
ことを特徴とする請求項２に記載の空洞共振器。
請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の空洞共振器を用いて構成された高周波フィルタ。
請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の空洞共振器を用いて構成された高周波発振器。