WO2002005377A1 - Resonateur dielectrique, filtre, duplexeur, et dispositif de communication - Google Patents

Description

明細書 誘電体共振器装置、 フィルタ、 デュプレクサおよび通信装置 技術分野 この発明は、 キヤビティ内に誘電体コアを収納してなる誘電体共振 器装置、 それを利用したフィルタ、 デュプレクサ、 およびそれらを用 いた通信装置に関するものである。 景 術 従来、 開口面を有するセラミック製のキヤビティ内に誘電体コアを 設け、 キヤビティに導体膜を形成するとともに、 キヤビティの開口面 を金属パネルで覆うようにした誘電体共振器装置が、 マイクロ波帯に おけるフィルタ等として用いられている。

具体的には、 線膨張係数が共振器材料のそれとほぼ等しい金属パネ ルに結合ループ等を形成し、 セラミック製キヤビティの開口面の電極 面にその金属パネルを直接はんだ付けしたものとして特開平 9一 5 1 2 0 Ί号および特開平 8— 2 2 2 9 0 5号が示されている。 また、 結 合ループ等を形成したプリン卜基板でセラミック製キヤビティの開口 面を覆い、 セラミック製キヤビティの導体膜とプリン卜基板との間を アース板を介して半田付けしたもの、 もしくは基板側にアース板をネ ジ止めしたものとして特開平 8— 1 8 1 5 1 3号および特開平 8— 6 5 0 .1 7号が示されている。

ところが、 上記の特開平 9 - 5 1 2 0 1号および特開平 8— 2 2 2 9 0 5号に開示された構造では、 共振器装置が大型になる！:、 セラミ ック製キヤビティの熱容置が大きくなるため、 半田付け B に大きな温 度勾配が発生し易く、 接合面にストレスがかかった状態となり、 長時 間の動作環境において接合部にクラックが入って破壊に到るまでの許 容量が小さくなるという問題があった。 また上記の特開平 8— 1 8 1 5 1 3号および特開平 8— 6 5 0 1 7号に開示された構造では、 多数 枚のアース板を必要とするため、 部品点数が多くなり、 全体にコスト 高になる傾向があった。

また、 上記従来例のいずれの構造でも、 セラミック製キヤビティの 開口面の形状が複雑である場合には、 製造時の作業性は著しく低下し 、 特に、 義務化されている鉛フリー半田を用いる場合には、 その傾向 が顕著になる、 といった問題があった。 発明の開示 この発明は、 開口面を有し、 内部に誘電体コアを収納する、 表面に 導体膜を被覆したセラミック製のキヤビティと、 このキヤビティの開 口面を導電性を有するパネルで覆うことによって誘電体共振器装置を 搆成するが、 キヤビティの開口面の導体膜とパネルとの間に弾性を有 するアース板を挟むとともに、 パネルを固定部材でキヤビティに固定 した構造とする。 このようにキヤビティの開口部とパネルとの間に、 キヤビティ開口面の導体膜に導通するアース板を介して、 これらを弾 性接触状態に接合することにより、 半田付けに伴う接合部の信頼性の 問題、 アース板を多用することによる部品点数の増大およびコスト上 昇の問題を解消し、 さらに、 キヤビティ開口部の形状が複雑であって も製造時の作業性を容易とする。

また、 この発明は、 上記アース板にキヤビティの開口面の導体膜と パネルとの間隙方向に厚みを持たせる突起を設ける。 これによリ、 ァ ース板の材料自体の弾性だけでなく、 その突起形状により全体に大き な弾性を持たせ、 キヤビティ開口面の導体膜とパネルとの電気的接続 状態 （アース接続） をより良好に保つ。

また、 この発明は、 キヤビティの略平行に対向する第 1 ·第 2の面 を開口面とし、 それぞれの開口面を覆う第 1 '第 2のパネルを配置し 、 この 2つのパネル同士をネジ留め固定する。 この構造により、 対向 する 2つのパネルに結合ループ等をそれぞれ設けた誘電体共振器装置 に適応可能とし、 且つ、 キヤビティ側にパネルを取り付けるための特 別な構造を設けることなく、 キヤビティを 2つのパネルで挟み込むよ うに固定するだけでその取り付けを可能とする。

また、 対向する 2つのパネルを複数箇所で固定するネジのうち少な くとも一部はキヤビティ内を通る位置に設ける。 これにより、 ネジを 通すための空間を特別に設けることによる全体の大型化を避ける。 また、 この発明は、 上記誘電体コアを、 2つの誘電体柱が交差した 十字形状を成してキヤビティ内に一体成形されたものとし、 キヤビテ ィの開口面に平行な面での該キヤビティの外壁の断面形状を略一定と し、 且つキヤビティの外壁に上記 2つの誘電体柱のそれぞれの軸方向 にくびれたくびれ部を設け、 上記ネジの一部をくびれ部でキヤビティ 外に配置し、 他のネジをくびれ部以外の位置でキヤビティ内に配置す る。 これにより、 キヤビティの外部を通るネジをキヤビティの外形形 状より大きく広がった位置に通さずに、 全体の大型化を避ける。 また、 この発明は、 上記のいずれかの構造を有する誘電体共振器装 置を利用してフィルタ、 デュプレクサを構成する。

さらに、 この発明は、 上記フィルタまたはデュプレクサを設けて通 信装置を構成する。 図面の簡単な説明 図 1 は、 第 1 の実施形態に係る誘電体共振器装置およびフィルタの 構成を示す分解斜視図である。

図 2は、 同装置の入出力ループおよび結合ループとともに示したキ ャビティの上面図である。

図 3は、 アース板の部分断面図である。 図 4は、 誘電体共振器装置における 3つの共振モードの例を示す図 である。

図 5 a、 図 5 bは、 それぞれ各共振モード間の結合調整および周波 数調整の例を示す図である。

図 6は、 第 2の実施形態に係るデュプレクサの構成を示す上面図で ある。

図 7は、 第 3の実施形態に係る通信装置の構成を示すプロック図で ある。 ' 発明を実施するための最良の形態 図 1 はこの発明の実施形態に係るフィル夕の分解斜視図である。 図 1 において 1 a， 1 bはそれぞれ誘電体セラミック製のキヤビティで あり、 図における上面と下面をそれぞれ開口面としている。 これらの キヤビティの内部には誘電体コア 2 a， 2 bをそれぞれ一体成形によ リ設けている。 図 2はこの誘電体コアを一体化したキヤビティ部分の 上面図である。

図 1 において 3はキヤビティ 1 a， 1 bの上部開口面を覆う金属製 パネル、 4はその下部開口面を覆う金属製パネルである。 5 a， 5 b はキヤビティ 1 a， 1 bの上部開口面と上パネル 3との間に挟み込ま れるアース板、 6 a， 6 bはキヤビティ 1 a , 1 bの下部開口面と下 パネル 4との間に挟み込まれるアース板である。 7 a， 7 bはそれぞ れ同軸コネクタであり、 この例では 7 aは入力側、 7 bを出力側とし て用いる。 また、 上パネル 3の内面 （図における下面） には同軸コネ クタ 7 a， 7 bの中心導体と上パネル 3との間にループを構成する入 出力ループを設けている。 下パネル 4のキヤビティ内部を向く面 （図 における上面） には、 結合ループ 1 0 a， 1 O bを取り付けている。 図 2に示すように、 キヤビティ 1 a， 1 bの内部には、 2つの誘電 体柱が交差した十字形状を成す誘電体コア 2 a， 2 bを一体成形して いて、 全体を誘電体コア一体型キヤビティとしている。 キヤビティの 開口面に平行な面でのキヤビティの外壁の断面形状を略一定とし、 且 つキヤビティの外壁には 2つの誘電体柱のそれぞれの軸方向にくびれ たくびれ部 1 〗を設けている。 これらのキヤビティ 1 a， 1 bの外側 面と上下の開口面には A g電極等の導体膜を被覆している。

図 1 において 8は、 上パネル 3と下パネル 4との間にアース板 5 a ， 5 b , 6 a， 6 bおよびキヤビティ 1 a， 1 bを挟み込む 1 6本の ネジである。 但し、 図においてはネジの重なリによる図面の煩雑化を 避けるため、 一部を省略している。 これらの 1 6本のネジは _v 上パネ ル 3に設けた孔 h 1 ·！ 〜 h 1 8， h 2 ¹！〜 h 2 8のそれぞれの孔を通 リ、 それに対向して設けた下パネル 4のネジ孔にそれぞれ螺合する。 上パネル 3の孔 h 1 1， h i 3， h 1 5， h 1 7を通る 4つのネジは キヤビティ 1 aの内部を通り、 孔 h 1 2， h 1 4 , h 1 6 , h 1 8を 通る 4つのネジはキヤビティ 1 aのくびれ部の外側すなわち、 キヤビ ティの外部を通る。 同様に、 上パネル 3の孔 h 2 1， h 2 3 , h 2 5 ， h 2 7を通る 4つのネジはキヤビティ 1 bの内部を通り、 孔 h 2 2 ， h 2 4 , h 2 6 , h 2 8を通る 4つのネジはキヤビティ 1 bのくび れ部の外側を通る。 なお、 孔 h 1 3および h 2 3を通るネジは、 同軸 コネクタ 7 a， 7 bを上パネル 3に固定するためにも兼用している。 キヤビティ内部に導体が存在すると、 その導体表面で導体損失が生 じるが、 上記キヤビティ内部を通るネジを A gメツキした場合には、 その表面での導体損失が十分に低減でき、 共振器の Q 0の劣化は 5〜 6 %に抑えられる。

次に、 図 1 に示したアース板 5 a， 5 b , 6 a , 6 bのそれぞれの 主要部の断面図を図 3に示す。 これらのアース板はキヤビティ 1 a， 1 bの開口面と略同形状の枠型を成しているが、 その複数箇所に、 厚 み方向に突出する突起を枠に沿って延びるように形成している。 この 構造により、 アース板の全体の厚み寸法を増して、 その厚み方向の弾 性変形範囲を広くしている。 したがってアース板を挟んでキヤビティ の開口面にパネル 3， 4を取り付けた際、 パネル 3， 4がキヤビティ 1 a, 1 bの上下開口面の導体膜に片当たりすることなく均一に接触 し、 確実なアース接続がとられる。

図 2において、 9 aは同軸コネクタ 7 aの中心導体に繋がる入出力 ループ、 9 bは同軸コネクタ 7 bの中心導体に繋がる入出力ループで ある。 1 O a, Ί 0 bはそれぞれ結合ループであり、 下パネル 4との 間でそれぞれループを構成する。 結合ループ 1 0 aは入出力ループ 9 aと上パネル 3とによって形成されるループ面に対して直交するル一 プ面を形成し、 結合ループ 0 bは同様に入出力ループ 9 bと上パネ ル 3とによって形成されるループ面に対して直交するループ面を形成 する。

さて、 次に上記誘電体共振器装置の利用するモードと各モード間の 結合について説明する。

図 4は、 図 1 に示した誘電体コア一体型キヤビティの下面図である 。 ここで太線の矢印は第 1 モードである （TM 1 1 O x + TM l 1 0 y ) モード、 細線の矢印は第 3モードである （TM 1 1 0 X - T M 1 1 0 y ) モード、 破線の矢印は第 2モードである TM 1 1 1モードの 、 それぞれの電界ベクトルの向きを簡略的に示している。 なお、 くび れ部 1 1 を設けたことにより、 TM 1 1 1 モードの周波数を、 TM 1 1 O x + TM l 1 O yモードおよび TM 1 1 0 x - T M 1 1 0 yモー ドの周波数に略等しくしている。

図 5 a、 図 5 bはいずれもキヤビティの下面図であり、 この誘電体 共振器装置の 3つのモードのうちの所定のモード間の結合調整および 各モードの周波数調整のために設けた穴および溝の様子を示している 。 図 5 aは、 チューニング前の状態を示しており、 この状態から X方 向と y方向に延びる 2つの誘電体柱が交差した十字形状を成す誘電体 コアのコーナー部分に 4 5 ° 方向に所定深さの溝 2 8, 2 6を形成し 、 この溝 28と 2 6の大きさを異なったものとすることによって、 第 1 モード （TM 1 1 0 X + T M 1 1 O yモード） と第 2モード （TM 1 1 1モード） の電界強度の分布に摂動が与えられる。 これにより、 第 1モードと第 2モード間の結合を図る。 同様に、 溝 2 5と 2 7の大 きさに差をもたせることによって、 第 2モードと第 3モード （T M 1 1 0 X - T M 1 1 O yモード） との結合を図り、 その差によって結合 係数を調整する。

穴 2 Ί , 2 3から中央の穴 2 0に延びる溝 2 1 ' ， 2 3 ' は、 第 1 モードと第 3モードとの一方の結合モードである T M 1 〗 0 Xモード の周波数を変化させ、 穴 2 2， 2 4から中央の穴 2 0に延びる溝 2 2 ' ， 2 4 ' は、 第 1モードと第 3モードとの他方の結合モードである T M 1 1 0 yモードの周波数を変化させるので、 この溝 （ 2 〗 ' ， 2 3 ' ) の深さと、 溝 （2 2 ' ， 2 4 ' ) の深さとの差によって第 1モ 一ドー第 3モード間を結合させ、 その深さの差の大きさによって結合 係数を調整する。

また、 上記溝 2 1 ' , 2 2 ' ， 2 3 ' ， 2 4 ' の深さによって主と して第 1モードと第 3モードの周波数が変化し、 溝 2 8， 2 6の深さ によって主として第 1 モードと第 2モードの周波数が変化し、 溝 2 5 ， 2 7によって主として第 2モードと第 3モードの周波数が変化する 。 したがって、 溝 2 ¹！ ' 〜 2 4 ' の第 1 ·第 3モードの周波数変化に 対する効きと、 第 2モードの周波数に対する効きとに差があるので、 溝 2 1 ' 〜 2 4 ' は、 結合用の溝 2 5 , 2 6， 2 7 , 2 8を設けるこ とによって生じる第〗 ， 第 2， 第 3のモードの周波数変化を補償する ためにも設ける。

図 2に示した入出力ループ 9 aは誘電体共振器装置 1 0 0の第 1モ ード （TM 1 1 0 X - T M 1 1 O yモード） と結合し、 結合ループ 1 0 aは第 3モード （T M 1 1 0 x + T M Ί 1 O yモード） と結合する 。 同様に、 誘電体共振器装置〗 0 1 の入出力ループ 9 bは第 3モード と結合し、 結合ループ 1 0 bは第 1 モードと結合する。 そして、 この 第 1モードと第 3モードは直交関係にあるので直接結合はせず、 第 2 モード （TM 1 1 1モード） を介して順に結合する。 したがって図 1 に示した同軸コネクタ 7 aと 7 bとの間で、 誘電体共振器装置 1 0 0 の第 1モード、 第 2モード、 第 3モード、 誘電体共振器装置 1 0 1 の 第 1 モード、 第 2モード、 第 3モードの順に結合し、 合計 6段の共振 器による帯域通過特性を示すフィルタとして作用する。

このようにキヤビティに対する上下パネルの取り付けを、 半田付け を行うことなくネジ留め固定するようにしたので、 組立てが極めて簡 単となり、 製造に要する時間およびコストが低減できる。 また、 分解 も容易であるため、 試作実験段階でも、 短期間での設計が可能となる 次に、 第 2の実施形態に係るデュプレクサの構成例を図 6に示す。 このデュプレクサは第 1 の実施形態で示した 2つの誘電体共振器装置 によるフィルタを 2組設けたものであリ、 図 6は上パネル側から見た 上面図である。 図 6において 1 0 0 T X， 1 0 1 Τ Χは送信フィルタ を構成する 2つの誘電体共振器装置である。 また 1 0 0 R X， 1 0 1 R Xは受信フィルタを構成する 2つの誘電体共振器装置である。 この 4つの誘電体共振器装置 1 0 0 Τ X， 1 0 1 Τ X , 1 0 0 R X , 1 0 1 R Xのキヤビティは上下 2つのパネルで一括して挟み込むことによ つて一体化している。

誘電体共振器装置 1 0 0 Τ Χ , 1 0 1 Τ Χによる合計 6段の共振器 から成るフィルタは、 第 1の実施形態で示したフィルタと基本部分は 同一である。 但し、 誘電体共振器装置 1 0 1 Τ Χの 3段目の共振器す なわち送信フィル夕の終段の共振器に結合する結合ループ 9 bと、 誘 電体共振器装置〗 0 0 R Xの 1段目すなわち受信フィルタの初段の共 振器に結合する結合ループ 9 cとの間を線路で接続していて、 アンテ ナ端子としての同軸コネクタ 7 A N Tの中心導体をその線路の所定点 に接続している。 この線路によって送信信号と受信信号の分岐を行う ようにしている。

このようにして合計 6段の共振器による送信フィルタと、 同じく 6 段の共振器による受信フィルタとを備え、 同軸コネクタ 7 T Xを送信 信号入力端子、 7 R Xを受信信号出力端子とするデュプレクサを構成 する。

以上に示したようにして、 キヤピティとパネルとの接合部の信頼性 を高め、 部品点数を削減して低コスト化を図る。 さらにキヤビティの 開口面の形状が複雑であっても、 その形状に応じてキヤビティの内外 にネジを通すことによって、 小型で且つ所定の特性を有する、 誘電体 フィルタまたは誘電体デュプレクサを搆成する。

図 7は第 3の実施形態に係る通信装置の構成を示す図である。 ここ で、，デュプレクサは、 送信フィルタと受信フィルタとから成り、 図 5 または図 6に示した構造の誘電体デュプレクサを用いる。 このデュプ レクサの送信信号入力ポー卜には送信回路を接続し、 受信信号出力ポ 一卜には受信回路を接続し、 さらにアンテナポー卜にはアンテナを接 続している。 また、 送信回路における出力部および受信回路における 入力部には、 図 1から図 5に示した構造の誘電体フィルタを設けても よい。

このようにして、 キヤビティとパネルとの接合部の信頼性が高く、 部品点数が削減されて低コス卜化された、 さらにキヤビティの開口面 の形状が複雑であっても小型で且つ所定の特性を有する、 誘電体フィ ルタまたは誘電体デュプレクサを用いることにより、 全体に小型軽置 化した通信装置を得る。

この発明によれば、 キヤビティとパネルとの半田付けに伴う接合部 の信頼性の問題、 アース板を多用することによる部品点数の増大およ びコス卜上昇の問題が解消され、 さらにキヤビティ開口部の形状が複 雑であっても対応可能となる。

また、 アース板にキヤビティの開口面の導体膜とパネルとの間隙方 向に厚みを持たせる突起を設けることによリ、 アース板の厚み方向に 大きな弾性を持たせ、 キヤビティ開口面の導体膜とパネルとの電気的 接続状態 （アース接続） をより良好に保てるようになる。

また、 キヤビティの略平行に対向する第 1 ·第 2の開口面を覆う第 1 ·第 2のパネル同士をネジ留め固定することにより、 対向する 2つ のパネルに結合ループ等をそれぞれ設けた誘電体共振器装置に適応可 能となり、 且つ、 キヤビティ側にパネルを取り付けるための特別な構 造を設けることなく、 キヤビティを 2つのパネルで挟み込むように固 定するだけでその取り付けが可能となる。

また、 対向する 2つのパネルを複数箇所で固定するネジのうち少な くとも一部をキヤビティ内を通る位置に設けることにより、 ネジを通 すための空間を特別に設けることによる全体の大型化が避けられる。 また、 キヤビティの外壁に誘電体コアの 2つの軸方向にくびれたく びれ部を設け、 ネジの一部をくびれ部でキヤビティ外に配置すること によリ、 キヤビティの外部を通るネジをキヤビティの外形形状よリ大 きく広がった位置に通すことがなく、 全体の大型化が避けられる。 し かも、 キヤビティの内側を通るネジと外側を通るネジとで、 パネルを キヤビティの開口面に圧着するので、 パネルに曲げ応力がかかり難く 、 キヤビティの開口面における平面性を保つことができる。 その結果 、 ネジ締め卜ルクによって周波数特性が変化するようなことも避けら れる。 産業上の利用の可能性 前記記載から明らかなように、 本発明の誘電体共振器装置、 フィル タ、 デュプレクサは、 例えば携帯電話システムの基地局向け通信装置 ^に応用されるものである。

Claims

請求の範囲

1 . 開口面を有し、 内部に誘電体コアを収納する、 表面に導体膜を被 覆したセラミック製のキヤビティと、 前記開口面を覆う導電性を有す るパネルとを備えた誘電体共振器装置において、

前記開口面における前記キヤビティ表面の導体膜と前記パネルとの 間に弾性を有するアース板を挟むとともに、 前記パネルを前記キヤビ ティに圧着状態に固定した誘電体共振器装置。

2 . 前記アース板に、 前記開口面の導体膜と前記パネルとの間隙方向 に厚みをもたせる突起を設けた請求項 1 に記載の誘電体共振器装置。

3 . 前記開口面は、 前記キヤビティの略平行に対向する第 1 ，第 2の 開口面であり、 前記パネルは、 前記第 1 ，第 2の開口面をそれぞれ覆 う第 1 '第 2のパネルであり、 当該第 1 ·第 2のパネル同士をネジ留 めした請求項 1 または 2に記載の誘電体共振器装置。

4 . 前記ネジを複数箇所に設け、 そのうち少なくとも一部は、 前記キ ャビティ内を通る位置に設けた請求項 3に記載の誘電体共振器装置。

5 . 前記ネジの表面に、 A g膜が形成されている請求項 3または請求 項 4に記載の誘電体共振器装置。

6 . 前記誘電体コアは 2つの誘電体柱が交差した十字形状を成すとと もに、 前記キヤビティ内に一体成形されたものとし、 前記キヤビティ の開口面に平行な面での該キヤビティの外壁の断面形状を略一定とし 、 且つ前記キヤビティの外壁に前記 2つの誘電体柱のそれぞれの軸方 向にくびれたくびれ部を設け、 前記ネジの一部を前記くびれ部でキヤ ビティ外に配置し、 他のネジを前記くびれ部以外の位置でキヤビティ 内に配置した、 請求項 3から請求項 5のいずれかに記載の誘電体共振

7 . 請求項 1 〜 6のうちいずれかに記載の誘電体共振器装置を備え、 前記パネルに入出力ループを設けて成るフィルタ。

8 . 請求項 7に記載のフィルタにおいて、 前記キヤビティと前記誘電 体コアによる複数の共振領域のうち 2つの共振領域の共振モードと結 合する入出力ループを、 または該入出力ループに結合する電極を、 共 通のアンテナ用入出力部として外部へ取り出して成るデュプレクサ。

9 . 請求項 7に記載のフィルタまたは請求項 8に記載のデュプレクサ を設けた通信装置。