共振器フィルタ

【課題】通過帯域が電子制御により可変である導波管型の共振器フィルタを提供する。
【解決手段】この共振器フィルタ１は、伝送基本モードがＴＥ１０であり、誘導性の棒状素子１１が内部に複数配置されて共振器を構成している矩形導波管１０と、矩形導波管１０の内部に発生する磁界を所定の結合度で結合するために、矩形導波管１０の内部に設けられるストリップ導体２と、ストリップ導体１２に同軸伝送線路１３を介して接続されており、バラクタダイオード１５を有する共振周波数可変部１４と、を備えている。バラクタダイオード１５の容量の変化に応じて、共振器の共振周波数が変化するようになっている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばマイクロ波帯及びミリ波帯で用いられる導波管型の共振器フィルタに関し、特に通過帯域が可変になっている帯域通過型の共振器フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
導波管を用いた共振器フィルタは、様々な高周波機器に用いられている。
図１２は、通過帯域が固定された導波管型の共振器フィルタ４の概略図の一例である。この共振器フィルタ４は、矩形導波管４０、誘導性の導体である誘導性棒４１、及び容量性素子としての容量性ポスト４２を備えている。誘導性棒４１と容量性ポスト４２とで共振器４３が構成される。
図１３は、図１２の共振器フィルタ４を入力端側から見た図である。図１３は、矩形導波管４０内の伝送基本モードＴＥ１０の電界Ｅ及び磁界Ｈと、誘導性棒４１及び容量性ポスト４２との関係を示している。図１４は、矩形導波管４０内の伝送基本モードＴＥ１０の電界Ｅ及び磁界Ｈの分布状態を示した図である。矩形導波管４０内において、電界Ｅは半波長ごとに、図のＹ軸方向で反転する。磁界Ｈは、半波長ごとにＸ−Ｚ平面で時計回りと反時計回りとで反転する。
【０００３】
図１５は、共振器フィルタ４の等価回路図である。誘導性棒４１及び容量性ポスト４２により共振器４３が構成されており、通過帯域幅に応じて、誘導性棒４１及び容量性ポスト４２の特性が決定される。共振器フィルタ４は、このような共振器４３とインピーダンスインバータ４４とが交互に接続された構成である。インピーダンスインバータ４４は、共振器フィルタ４が所望の通過帯域を得るために必要となる。また、インピーダンスインバータ４４は、共振器フィルタ４の入出力端における特性インピーダンスと初段及び最終段の共振器４３の整合をとるためにも必要な構成である。
【０００４】
このように通過帯域が固定された共振器フィルタ４に対して、通過帯域が可変となっている導波管型の共振器フィルタが、従来からレーダ給電系やエネルギ応用装置（例えば、マイクロ波加熱装置）の電波源であるマグネトロンの周波数ドリフト対策として待望されている。しかし、せいぜい共振周波数同調用の金属スクリューを機械的に出し／入れする方法が提案されている程度で、実用化に至っていない。また、このような機械的な通過帯域の制御は、信頼性（寿命）が不十分であると予想される。
【０００５】
同軸型の共振器フィルタの通過帯域を電子制御により可変にする発明が特許文献１に開示されている。特許文献１は、コムラインフィルタを構成する半同軸共振器の負荷容量として電圧可変の容量フィルムを利用して、共振器フィルタの通過帯域を可変にしている。電圧可変の容量フィルムを複数段のコムラインフィルタの初段と最終段の半同軸共振器の負荷容量とすることで、通過帯域を可変にする。電圧可変の容量フィルムに、バリウム・ストロンチウム・酸化チタンの合成材料を用いると、容量が０．４ｐＦ〜０．２ｐＦの範囲で可変する。これによりコムラインフィルタの通過帯域幅が３０ＭＨｚになり、共振器フィルタの通過帯域の中心周波数が２．０ＧＨｚ〜２．４ＧＨｚまで可変可能になる。
【特許文献１】米国特許第６８０１１０４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、バラクタダイオードのような半導体素子を用いていない。これは、半導体素子、特にバラクタダイオードが、マイクロ波帯でＱファクタが低くフィルタの損失が増大するためである。また、バラクタダイオードの場合には耐電力が低いために、印加可能なマイクロ波帯の動作電力が制限される。
しかし、共振器フィルタの通過帯域を可変にするために半導体素子を用いることができれば、通過帯域を高速に可変可能になり、且つ信頼性の向上が期待できる。また。マイクロ波帯の共振器フィルタの場合には、挿入損失を実用範囲まで低減でき、通過帯域の可変範囲を実用上必要な１％程度にすることができ、耐電力を実用範囲まで保証できる。
【０００７】
本発明は、上記の問題に鑑み、通過帯域が電子制御により可変である導波管型の共振器フィルタを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決する本発明の共振器フィルタは、伝送基本モードがＴＥ１０であり、誘導性の棒状素子が内部に複数配置されて共振器を構成している矩形導波管と、前記矩形導波管の内部に発生する電界又は磁界を所定の結合度で結合するために、前記矩形導波管の内部に設けられる導体と、前記導体に接続されており、半導体で形成された可変容量素子を有する共振周波数可変部と、を備えている。前記可変容量素子の容量の変化に応じて、前記共振器の共振周波数が変化するようになっている。そのために共振器フィルタの通過帯域が可変となる。
【０００９】
半導体で形成された可変容量素子を用いることで、通過帯域を高速に可変可能になり、且つ信頼性の向上がする。また。マイクロ波帯の共振器フィルタの場合には、挿入損失を実用範囲まで低減でき、通過帯域の可変範囲を実用上必要な１％程度にすることができ、耐電力を実用範囲まで保証できる。
【００１０】
前記共振周波数可変部は、例えばマイクロストリップ線路又は同軸線路からなる電子回路であり、可変容量素子の容量を容易に可変としすることができる。また、前記矩形導波管内に、複数の前記共振器が縦続に接続されて構成されてもよい。縦続接続することで、所定のフィルタ特性を実現するようにしてもよい。
【００１１】
導体は、磁界に結合する場合には、例えばストリップ導体を用いることができ、電界に結合する場合には、棒状の導体素子を用いることができる。ストリップ導体は、例えば前記結合度が所定の値となるように前記磁界の方向に対して所定の角度で設けられる。結合度は、この角度により調整される。前記導体素子は、大きさ及び矩形導波管内の配置位置に応じて前記電界との前記結合度が決まる。
【発明の効果】
【００１２】
上記のような本発明により、半導体で形成された可変容量素子を有する共振周波数可変部を備えることで、電気的に可変容量の容量を変化させて共振周波数を変化させることが可能になる。そのために、従来、半導体素子を用いることで期待された効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１４】
＜第１実施形態＞
図１は、通過帯域が電子制御により可変となっている、導波管を用いた共振器フィルタの本発明の第１実施形態であるＸ帯単一共振器フィルタ１の概略図である。この共振器フィルタ１は、ＴＥ１０モードの矩形導波管１０と共振周波数可変部１４とが、同軸伝送線路１３により接続された構成である。図２Ａは、共振器フィルタ１の、共振周波数可変部１４が矩形導波管１０に接続される付近の断面図であり、図２Ｂは、図２Ａの断面図において、共振周波数可変部１４を回路図に置き換えた説明図である。
【００１５】
この共振器フィルタ１は、伝送基本モードがＴＥ１０の矩形導波管１０内に、共振器を構成する誘導性の導体素子としての誘導性棒１１及び矩形導波管１０の管軸方向に発生する磁界Ｈと結合するためのストリップ導体１２を有している。ストリップ導体１２は、磁界Ｈ方向に並んだ誘導性棒１１の中間、好適には誘導性棒１１間の中心に配置されており、磁界Ｈを結合度ｎで結合する。ストリップ導体１２で結合したマイクロ波は、同軸伝送線路１３を介して共振周波数可変部１４に導かれる。
【００１６】
共振周波数可変部１４は、基板上に、半導体素子としてのバラクタダイオード１５、接地端子１６、同軸伝送線路１３が接続されるバイアス回路接続端子１７、バイアス端子１８、及びローパスフィルタ１９を有している。バラクタダイオード１５は、接地端子１６に一方の端子（この実施形態ではアノード端子）が接続されバイアス回路接続端子１７に他方の端子（この実施形態ではカソード端子）が接続される。バイアス回路接続端子１７とバイアス端子１８との間には、容量性素子１９ａ及び誘導性素子１９ｂからなるローパスフィルタ１９が設けられる。ローパスフィルタ１９により、バイアス端子１８への結合波の漏れるを抑圧できる。
【００１７】
バイアス端子１８を介して、図示しない電源からバイアス電圧が印加される。バイアス電圧はバラクタダイオード１５に印加される。バイアス電圧は可変である。バラクタダイオード１５は、印加されるバイアス電圧が可変であるために、その接合容量が変化する。接合容量が変化するために共振周波数が変化する。バイアス電圧を容易に印加できる構造にするため、バラクタダイオード１５が実装される共振周波数可変部１４はマイクロストリップ線路或いは同軸線路で構成される。
【００１８】
同軸伝送線路１３は、中心導体１３ａ及び外導体１３ｂを有しており、中心導体１３ａがストリップ導体１２とバイアス回路接続端子１７とを接続している。同軸伝送線路１３により矩形導波管１０内に結合波が給電される。
【００１９】
図３Ａは、図２Ｂに示された矩形導波管１０及び共振周波数可変部１４の等価回路図である。図３Ａは、矩形導波管１０と共振周波数可変部１４とが結合度ｎを介して接続されることを示しており、矩形導波管１０による共振器１０ａが誘導性素子及び容量性素子で表される。図３Ａでは、図２Ｂと同じ構成要素を同じ符号で表している。バラクタダイオード１５は、半導体で形成された可変容量素子であり、容量Ｃｖが印加されるバイアス電圧により変化する。図３Ｂは、図３Ａの等価回路図であり、矩形導波管１０による共振器１０ａに対して並列に、バラクタダイオード１５とストリップ導体１２とが合成されて、バラクタダイオード１５の容量Ｃｖが結合度ｎの２乗倍されて得られる容量Ｃｖ・ｎ²の容量を有する可変容量素子１５ａが接続される。バラクタダイオード１５の容量Ｃｖが変化することで可変容量素子１５ａの容量Ｃｖ・ｎ²も変化して共振周波数が変化する。例えば、結合度ｎが０．１のとき、バラクタダイオード１５の容量Ｃｖは０．０１倍となって共振器１０ａに並列接続され、共振周波数を変化させる。
図４は、結合度ｎが０．１（２０ｄＢ）のときに、バラクタダイオード１５の容量Ｃｖを１０ｐＦ、１ｐＦ、０．３ｐＦ、０．１３ｐＦ、０．１ｐＦと可変したときの共振周波数の変化を表すシミュレーション図である。バラクタダイオード１５の容量Ｃｖが１０ｐＦ〜０．１ｐＦの範囲で変化することで、共振周波数を約２００ＭＨｚ変化させることができる。
【００２０】
このような共振周波数可変部１４は、機械的な変動部がなく半導体素子（バラクタダイオード１５）に印加するバイアス電圧を変化させるだけで所望の共振周波数を得る電子制御式である。そのために、信頼性（寿命）が半導体素子の寿命に支配され、非常に高くなる。
【００２１】
共振周波数可変部１４を設けることで、矩形導波管１０の無負荷Ｑは、結合度ｎの２乗を介してマイクロストリップ線路の損失とバラクタダイオード１５の損失（Ｑファクタ）が作用する。例えば結合度ｎが０．１のとき、ｎ²は０．１であり、マイクロストリップ線路とバラクタダイオード１５の損失は矩形導波管１０に対し０．０１倍しか作用しない。そのために、結合度ｎを挿入損失低減の条件で選択すれば、実用上問題がない挿入損失の電子制御方式の導波管フィルタ１を実現することができる。
【００２２】
図５、図６は、各々図３Ａの等価回路について、結合度ｎと振幅、共振周波数の関係をグラフ化した図である。図５は、バラクタダイオード１５に必要な耐電力の結合度依存性を表している。図６は、共振周波数の変動可能範囲の結合度への依存度を表している。
図５、図６において、結合度はデシベル単位で表されている。結合度０．１は２０ｄＢに相当する。図５、図６により、結合度２０ｄＢのときに必要な耐電力は２００Ｖであり、このときの共振周波数の変動可能範囲はバラクタダイオード１５の容量Ｃｖが０．１ｐＦ〜０．３ｐＦの範囲で可変する場合に１６０ＭＨｚ（約１．６％帯域）が得られる。
耐電力が２００Ｖのバラクタダイオード１５は、一般的な物であり入手が容易である。また、共振周波数の変動可能幅が１．６％帯域あれば、実用上問題となることが少ない。
【００２３】
＜第２実施形態＞
図７は、本発明の第２実施形態の３段構成のＸ帯単一共振器フィルタ２の概略図である。この共振器フィルタ２は、第１実施形態の共振器フィルタ１を３段直結した構成である。１段目と３段目は同じ特性の共振器でよいが、その間に位置する２段目の共振器は１段目、３段目の共振器とは異なる特性を有する。共振器を複数段縦続に接続することで、所望のフィルタ特性を有する共振器フィルタ２とすることができる。共振器フィルタ２の場合には、所望のフィルタ特性を得るために、２段目の共振器の特性を１段目、３段目の共振器の特性とは異なるものとしている。
そのために、共振器フィルタ２では、１段目と３段目の誘導性棒１１ａの寸法(長さ、直径）と２段目の誘導性棒１１ｂの寸法（長さ、直径）が異なる。また、共振器の軸長が１段目と３段目がθ１であるのに対し２段目はθ２（θ２＞θ１）である。同様に、共振周波数可変部１４のバラクタダイオード１５へのバイアス電圧を変えて、容量値が１段目、３段目と２段目とでは異なる値に設定される。
【００２４】
図８は、共振器フィルタ２のシミュレーション結果を表す図であり、各段の結合度ｎを０．１に固定して、バラクタダイオード１５の容量値を０．０３ｐＦ、０．０２ｐＦ、０．０１ｐＦと変化させたときの共振器フィルタ２の特性を表している。
【００２５】
誘導性棒１１ａ、１１ｂの寸法や共振軸の長さ、或いは、バラクタダイオード１５へ印加するバイアス電圧を変える他に、結合度ｎを変化させることで、共振器の特性を変えるようにしてもよい。図９は、結合度ｎを変化させる方法の説明図である。
【００２６】
図９は、図１の共振器フィルタ１の矩形導波管１０を共振周波数可変部１４側から見た断面図であり、ストリップ導体１２の状態が変化していることを表している。
矩形導波管１０内には、管軸方向に磁界Ｈが発生するが、ストリップ導体１２と磁界Ｈのなす角度により結合度ｎが変化する。例えば管軸方向に発生する磁界Ｈに対してストリップ導体１２の長辺が直角に位置するときの結合度をｎとすると（ストリップ導体１２の状態）、磁界Ｈの方向に対して長辺が角度Φになるように設けられたストリップ導体１２ａの結合度ｎａは、(式１)で表される。
ｎａ＝ｎ・cosΦ …（１）
【００２７】
（式１）から明らかなように、ストリップ導体１２が磁界Ｈの方向に対してなす角度に応じて結合度が減少する。このために、バラクタダイオード１５の容量Ｃｖが矩形導波管１０に並列接続された容量素子として共振周波数に影響を与える際には、Ｃｖ・ｎａ²となって作用する。第１実施形態、第２実施形態いずれもストリップ導体１２の構成は同じなので、同様にして結合度ｎを変化させることができる。
このように、ストリップ導体１２は、所望の結合度ｎａが得られるように、磁界Ｈの方向に対して所定の角度で、同軸伝送線路１３の中心同軸に固定される。
【００２８】
＜第３実施形態＞
図１０は、本発明の第３実施形態のＸ帯単一共振器フィルタ３の概略図である。図１１Ａは、共振器フィルタ３の、共振周波数可変部１４が矩形導波管３０に接続される付近の断面図であり、図１１Ｂは、図１１Ａの断面図において、共振周波数可変部１４を回路図に置き換えた説明図である。第１実施形態の構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を用いている。
【００２９】
この共振器フィルタ３は、第１実施形態の共振器フィルタ１に用いた矩形導波管１０と同様に、誘導性棒１１を内蔵した矩形導波管３０を有している。矩形導波管３０は、更に、電界Ｅに結合するための棒状の導体素子３１を備えている。導体素子３１は、磁界Ｈ方向に並んだ誘導性棒１１の中間、好適には誘導性棒１１間の中心に配置されている。導体素子３１は、同軸伝送線路を介して共振周波数可変部１４に接続される。共振周波数可変部１４は、第１実施形態のそれと同じ構成、機能を有するので説明は省略する。
共振器フィルタ３は、第１実施形態及び第２実施形態が磁界Ｈに結合して共振周波数を可変にするところを、矩形導波管３０の電界Ｅに結合して共振周波数を可変にする点で異なるが、その動作は同様である。共振器フィルタ３においても、バラクタダイオード１５に印加されるバイアス電圧が変化することで、共振周波数が変化する。
【００３０】
共振器フィルタ３において、結合度は、例えば以下の２通りの方法で調整することができる。
一つは、電界結合するための導体素子３１の寸法（長さ、直径）を変える方法である。もう一つは、導体素子３１を配置する位置を変える方法である。導体素子３１の位置を矩形導波管３０の断面の長辺方向に移動させることで、結合度を変えることができる。これは、伝送基本モードＴＥ１０の電界Ｅが長辺方向に対して、(式２)で表されるように分布するためである。
Ｅｙ＝Ａ（ωａ／π）sin（πｘ／ａ）sin（ωｔ−βｚ） …（２）
Ａは任意定数、ωは角周波数、ａは矩形導波管３０の長辺方向の長さ、ｘは導体素子３１の長辺方向の位置（変数）、ｔは時間（変数）、βは位相定数、ｚは導体素子３１の矩形導波管３０の管軸方向の位置（変数）
導体素子３１は、矩形導波管３０の内部から導波管壁を貫通してバイアス回路接続端子１７に接続されている。導体素子３１は、電磁界解析や実測により、結合度が最適となるように、寸法や配置が決められる。
【００３１】
以上のように、共振器フィルタ１、２、３の共振周波数は、バラクタダイオード１５ののような可変容量素子の容量を変化させることで容易に変化させることができる。また、ストリップ導体１２或いは導体素子３１による磁界或いは電界との結合度を変化させることでも、共振周波数を変化させることができる。なお、半導体素子としてバラクタダイオード１５を挙げているが、他にも容量が可変となっている半導体素子であれば、バラクタダイオード１５に限定される物ではない。
そのために、電子制御により導波管を用いた共振器フィルタの通過帯域を容易に可変にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態の共振器フィルタの概略図。
【図２Ａ】第１実施形態の共振器フィルタの共振周波数可変部が矩形導波管に接続される付近の断面図。
【図２Ｂ】図２Ａの断面図において、共振周波数可変部を回路図に置き換えた図。
【図３Ａ】図２Ｂに示された矩形導波管及び共振周波数可変部の等価回路図。
【図３Ｂ】図３Ａの等価回路図。
【図４】第１実施形態の共振器フィルタのバラクタダイオードの容量と共振周波数の関係を表す図。
【図５】図３Ａの等価回路について、結合度と振幅の関係をグラフ化した図。
【図６】図３Ａの等価回路について、結合度と共振周波数の関係をグラフ化した図。
【図７】第２実施形態の共振器フィルタの概略図。
【図８】第２実施形態の共振器フィルタのバラクタダイオードの容量と共振周波数の関係を表す図。
【図９】第１実施形態の共振器フィルタの矩形導波管１０を共振周波数可変部側から見た断面図。
【図１０】第３実施形態の共振器フィルタの概略図。
【図１１Ａ】第３実施形態の共振器フィルタの共振周波数可変部が矩形導波管に接続される付近の断面図。
【図１１Ｂ】図１１Ａの断面図において、共振周波数可変部を回路図に置き換えた図。
【図１２】通過帯域が固定された導波管型の共振器フィルタの概略図。
【図１３】図１２の共振器フィルタを入力端側から見た図。
【図１４】矩形導波管内の伝送基本モードＴＥ１０の電界及び磁界の分布状態を示した図。
【図１５】図１２の共振器フィルタの等価回路図。
【符号の説明】
【００３３】
１、２、３…Ｘ帯単一共振器フィルタ１０、２０、３０、４０…矩形導波管１０ａ、４３…共振器１１、１１ａ、１１ｂ…誘導性棒１２、１２ａ…ストリップ導体１３…同軸伝送線路１３ａ…中心導体１３ｂ…外導体１４…共振周波数可変部１５…バラクタダイオード１５ａ…可変容量素子１６…接地端子１７…バイアス回路接続端子１８…バイアス端子１９…ローパスフィルタ１９ａ…容量性素子１９ｂ…誘導性素子３１…導体素子４…共振器フィルタ４１…誘導性棒４２…容量性ポスト４４…インピーダンスインバータＥ…電界Ｈ…磁界

【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送基本モードがＴＥ１０であり、誘導性の棒状素子が内部に複数配置されて共振器を構成している矩形導波管と、
前記矩形導波管の内部に発生する電界又は磁界を所定の結合度で結合するために、前記矩形導波管の内部に設けられる導体と、
前記導体に接続されており、半導体で形成された可変容量素子を有する共振周波数可変部と、を備えており、
前記可変容量素子の容量の変化に応じて、前記共振器の共振周波数が変化するようになっている、
共振器フィルタ。
【請求項２】
前記共振周波数可変部は、マイクロストリップ線路又は同軸線路からなる電子回路である、
請求項１記載の共振器フィルタ。
【請求項３】
前記矩形導波管内には、複数の前記共振器が縦続に接続されて構成されて所定のフィルタ特性を有している、
請求項１又は２記載の共振器フィルタ。
【請求項４】
前記導体はストリップ導体であり、前記磁界に結合するようになっている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の共振器フィルタ。
【請求項５】
前記ストリップ導体は、前記結合度が所定の値となるように前記磁界の方向に対して所定の角度で設けられる、
請求項４記載の共振器フィルタ。
【請求項６】
前記導体は棒状の導体素子であり、前記電界に結合するようになっている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の共振器フィルタ。
【請求項７】
前記導体素子は、大きさ及び矩形導波管内の配置位置に応じて前記電界との前記結合度が決まるようになっている、
請求項６記載の共振器フィルタ。

【図１】