CN1326270A - 同轴谐振器、滤波器、双工器和通信装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的实施例的同轴谐振器包括管状介质块,具有薄膜多层电极结构的内部导体,它形成在容纳于管状介质块的通孔中的圆柱形杆的外部表面上,还有形成在管状介质块的外部表面上的外部导体。将圆柱形杆插入介质块的通孔中,并由支持件和外框支持。

Description

同轴谐振器、滤波器、双工器和通信装置

本发明涉及一种介质谐振器、介质滤波器以及介质双工器，其中由导电层形成的电极被包含在介质块内和外部，本发明还涉及一种使用上述装置的通信装置。

通常，主要用于微波频带的介质谐振器包括棱柱形或圆柱形，并具有共轴形成的通孔的介质块，形成在通孔的内部表面上的内部导体，形成在介质块外部表面上的外部导体，以便用作介质共轴谐振器。另外一种形式的介质谐振器包括其中形成有多个通孔的矩形介质块，形成在每一个通孔内部表面上的内部导体，以及形成在介质块外部表面上的外部导体，从而单个介质块包含多个介质谐振器，以便用作具有多级谐振器的滤波器或双工器。

这种同轴谐振器或使用这种同轴谐振器的滤波器(其中由导体薄膜形成的电极形成在介质块内部或外部)整体小型化，并且其特征在于谐振器具有高无载Q因数(Q₀)。

同轴谐振器的Q₀很依赖于内部导体和外部导体的型面，并且，为了增加Q₀，形成每一个都具有精确和平滑表面的导电薄膜是重要的。由于同轴谐振器是通过沉积在介质块中所形成的通孔的内部表面上的导体薄膜形成的，故而与形成在介质块的外部表面上的外部导体相比，难以改善内部导体薄膜的特性。

例如，在共享天线装置(其电路遇到相对大的功率)的发送滤波器或双工器，由于要结合到电路中的电子元件更小，故而随着功耗的减小，对进一步减小由谐振器或滤波器引起的损耗的需求增加了。

谐振器损耗典型地包括由导体薄膜引起的导体损失，介质部分的介质损耗，以及由对外面的辐射引起的辐射损耗。这些损耗中，估计导体损失为谐振器损耗中的最大部分，因此，如何减小导体损耗的意义是重大的。

减小导体损耗的有效方法是使用具有高导电性的导体材料，并增加薄膜厚度。但是，在诸如微波频带装置等高频带装置中，电流仅仅集中在导体薄膜的趋肤深度部分。因此，让导体薄膜比趋肤深度更厚基本上不对减小导体损失提供好处。

在第11-314658号日本专利申请中描述了一种非常有效的方式，其中导体薄膜具有薄膜多层电极结构，其中薄膜导体层和薄膜介质层交替的层叠。

在第11-375194号日本专利申请中描述了另一个非常有效的方式，其中同轴谐振器的内部导体由多个多路复用的螺旋线形成。

但是，难以在内径小的通孔的内部表面上既形成薄膜，多层电极，又形成多路复用内部导体。

相应地，本发明提供了一种小型化的，并且具有减小的损耗的同轴谐振器、滤波器和双工器，以及使用它们的通信装置。

本发明还提供了一种同轴谐振器、滤波器和双工器，其中容易形成其特性有利于减小损耗的内部导体，以及使用它们的通信装置。

在本发明的一个方面中，一种同轴谐振器包括形成在柱形元件的外部表面上的内部导体；其中具有形成通孔的介质元件，所述柱形元件设置在所述通孔中；和外部导体，形成在所述介质元件的外部表面上。由于内部导体形成在柱形元件外部表面上，可容易形成内部导体，它包含改善的导体薄膜，能够降低导体损耗，并设置得与介质元件绝缘。

较好地，内部导体具有薄膜多层电极结构，其中交替层叠薄膜导体层和薄膜介质层。这使电流能够分散在薄膜多层电极的薄膜导体层中，由此基本上增加了电流路径面积(有效截面积)，以减小导体损耗。例如，薄膜导体层可以比谐振器使用的频率处的趋肤深度更薄，这允许电流基本上均匀流入薄膜导体层，得到损耗进一步减小的同轴谐振器。

内部导体可以是多个多路复用螺旋线。如果将多个螺旋线宏观上考虑作为单条线，一条线邻近另一条线，从而线的边缘的存在不清楚。因此，缓和了每一条线的边缘处的电流浓度，以抑制整体导体损失。

较好地，外部导体具有薄膜多层电极结构，其中交替层叠薄膜导体层和薄膜介质层。这进一步减小了外部导体中的导体损耗。

薄膜导体层的线的相位常数在内部导体和外部导体之间基本上相等。这改善了薄膜多层电极结构中电流分散效应，有效降低了导体损耗。

可以将非导电元件填充到柱形元件和介质元件之间的空间内。这种结构保持了柱形元件和介质之间的固定的位置关系，防止了由于这两个部件之间的相对移动引起特性的变化。

在本发明的另一个方面，一种滤波器包含多个具有上述结构的同轴谐振器，以及耦合到多个同轴谐振器中的至少一个预定同轴谐振器的输入/输出单元或装置。

在本发明的另一个方面中，双工器包含设置在发送信号输入端和发送/接收信号输入/输出端口之间的发送滤波器，以及设置在发送/接收信号输入/输出端口和接收信号输出端口之间的接收滤波器。这些滤波器中的一个或两个具有上述结构。

在本发明的另一个方面中，通信装置包含上述滤波器和上述双工器中的至少一个，例如，带通滤波器，用于发送和接收信号，以及/或共享天线装置。这提供了小型化和高功率效率通信装置。

从下面参照附图对本发明的实施例的描述，本发明的其他特点和优点将是显然的。

图1A是根据本发明的第一实施例的同轴谐振器的截面图，图1B是该同轴谐振器沿图1A的线A-A’的截面图；

图2是图1A所示的同轴谐振器的一部分的放大的截面图；

图3A是根据本发明的第二实施例的同轴谐振器的截面图，图3B是该同轴谐振器沿图3A的线A-A’的截面图；

图4A是根据本发明的第三实施例的同轴谐振器的截面图，图4B是沿图4A的线A-A’的同轴谐振器的截面图；

图5是根据本发明的第四实施例的同轴谐振器中包含的圆柱形杆的透视图；

图6是根据本发明的第五实施例的同轴谐振器的截面图；

图7A-7B是说明图6所示的同轴谐振器中的电磁场分布的示图；

图8是根据本发明的第六实施例的同轴谐振器的主要部分的放大的截面图；

图9是根据本发明的第七实施例的双工器的透视图；

图10是根据本发明的第八实施例的通信装置的结构的方框图。

下面参照图1A，1B和2描述本发明的第一实施例的同轴谐振器。

图1A是沿图中点划线所示的中心轴得到的同轴谐振器的截面图，图1B是沿图1A的线A-A’得到的同一同轴谐振器的截面图。同轴谐振器包括管状介质块1，形成在介质块1的外部周围的外部导体3，以及形成在圆柱形元件4侧面上的内部导体5。由帽子形状的支持件6将圆柱形元件4支持于其端部，以便容纳于介质块1内的孔2内。同轴谐振器还包含安装到介质块1的端部以固定支持件6的外框7。外框7包括朝圆柱形元件4延伸，以便提供输入/输出单元的探针8。

图2是同轴谐振器的由图1A的部分C表示的部分的放大的截面图。

如图2所示，内部导体5具有薄膜多层电极结构，并通过交替层叠薄膜导体层51(比趋肤深度更薄)和薄膜介质层51而形成。类似地，外部导体3具有薄膜多层电极结构，并通过交替层叠薄膜导体层31(比趋肤深度更薄)和薄膜介质层32而形成。薄膜导体层51的最外层比其他层厚，由此在内部导体5的薄膜多层电极结构中提供了坚固的表面。类似地，薄膜导体层31的最外层比其他层更厚，由此在外部导体3的薄膜多层电极结构中提供了坚固的表面。可在内部导体5的底层上形成薄膜介质层，作为圆柱形杆4的保护层，从而当圆柱形杆4为金属棒时，该薄膜介质层用作金属棒上的抗氧化层。

为了使说明简化，图2强调了薄膜，多层电极结构，而非其他部分的截面图。

通过溅射Cu沉积薄膜导体层51和53，并通过溅射SiO₂沉积薄膜介质层52和32。根据溅射时间控制层的厚度。通过向目标物体交替溅射以形成Cu薄膜以及SiO₂薄膜形成内部导体5和外部导体3的薄膜，多层电极。

内部导体5的薄膜多层电极结构是通过在沉积容器中溅射，同时旋转圆柱形杆4(将其中心轴用作旋转轴)而形成。这为薄膜多层电极结构提供了环形图案。外部导体3也是通过在沉积容器中溅射，同时旋转介质块(将其中心轴用作旋转轴)而形成的。

当在如图2所示的情况下，在外部导体3与内部导体5之间施加具有预定频率的高频信号时，将高频电场施加给介质块1，以产生谐振，如图2所示。

通过下薄膜介质层52(更加靠近介质块的介质部分的层)入射的一部分高频功率通过薄膜导体层51发送到上薄膜导体层51，并且高频信号的一部分能量通过下薄膜介质层52反射到下薄膜导体层51。在两个相邻的薄膜导体层51之间的每一个薄膜介质层52含有反射波和发射波，相互谐振，从而允许两个反向高频电流在每一个薄膜导体层51的上下表面附近沿相反方向流动。

通过下薄膜介质层32(靠近介质块的介质部分)入射的一部分高频功率通过薄膜导体层31发送到上薄膜导体层31，而高频信号的一部分能量通过下薄膜介质层32反射到下薄膜导体层31。在两个相邻的薄膜导体层31之间的每一薄膜介质层32含有反射波和发射波，相互谐振，从而允许两个反向高频电流在每一个薄膜导体层31的上下表面附近沿相反方向流动。

即，由于薄膜导体层31和51比趋肤深度更薄，故而两个反向的高频电流除了一部分以外，相互干扰和抵消(通过薄膜介质层32和52)。

薄膜介质层32和52受到由电磁场引起的位移电流的影响，因此在相邻的导体层31和51的表面上产生高频电流。由于第一实施例是两端开路的半波同轴谐振器，故而内部导体5在沿其纵向的两端有最大位移电流，并且在中心部分有最小位移电流。

假设内部导体5与介质块1中形成的通孔的内表面之间确定的空气间隙的厚度确定为h1，具有相对的介电系数为r1，以及介电块1的厚度为h2，具有相对介电系数为r2，则内部导体5和外部导体3之间的介质元件的有效相对介电系数r在直流电容器的等效电路设计中求出：r＝(h1＋h2)/{(h1/r1)＋(h2/r2)}

假设h1＝0.41mm，h2＝5.0mm，r1＝1，并且r2＝39，则介质元件的有效相对介电系数为r＝10.0。

通常，在薄膜多层电极结构的薄膜厚度设计中，将基片部分考虑为主线，将薄膜多层电极中的介质层考虑为次线。主线的相位常数m表示为：m＝w％(ìoo m)    …(1)其中，m表示主线的相对介电常数，o和ìo表示真空中的介电常数和渗透性，ù表示角频率。通过使主线的周向常数m与次线周向常数s匹配达到薄膜的设计厚度。如果顶部导体层的厚度为4，则介质层的厚度÷和导体层的厚度

(除了顶层以外)分别由下面的等式表示：÷＝(Wn o/2)(m/s－1)^-1    …(2) $\stackrel{..}{A}\hat{1}=\hat{1}n\stackrel{..}{a}o---\left(3\right)$ 其中n表示薄膜多层电极结构中的层数，s表示介质层的相对介电系数，o表示趋肤深度，Wn和

表示无因次常数，该常数依赖于n，并通过使用等效电路的计算决定。如果n＝2，则W2＝2.00， $\hat{1}2=0.785$ 。

考虑主线的相对介电常数m等于介质元件的有效相对介电常数(r＝10.0)，并给出谐振频率f＝2GHz，则厚度÷和 通过公式(1)，(2)和(3)如下地决定： $\stackrel{..}{A}\÷=1.03\hat{1}m$ $\stackrel{..}{A}\÷=1.21\hat{1}m$

现在，在一个条件下模拟谐振器的无载Q因数(Q₀)，即薄膜导体层51的最外层为 厚，薄膜介质层52的最下面层为

厚，外部导体由

厚的单层电极形成。当不考虑由外部导体引起的导体损耗时，Q₀将增加1.35倍(在内部导体5由单层电极形成的情况下)。

但是，由于实践中本发明的主线包含空气间隙，不是直接得出相对介电常数m，这和其中不包括空气间隙的传统模式不同。由此，不导出介质层的厚度÷。为此，使用一有限元法波导分析程序来确定主线的周相位常数m，然后从等式(1)和(2)计算厚度÷。

如果给予h1，h2，r1和r2相同的值，并给出谐振频率f＝2Ghz，则m和m决定如下：

m＝151.7

m＝13.1然后最适宜的薄膜厚度如下的得出：

÷＝0.661ìm $\stackrel{..}{A}\hat{1}=1.21\stackrel{\backslash }{1}m$

现在，在如此情况下模拟谐振器的Q₀，其中薄膜导体层51的最外层是3ìm厚，外部导体由5ìm厚的单层电极形成。当不考虑外部导体引起的导体损耗时，Q₀将增强1.52倍(在内部导体5由单层电极形成的情况下)。

按照这种方式，通过确定薄膜层的厚度从而线的相位常数(每一个线包含薄膜介质层和相邻的薄膜导体层)可以基本上相等，薄膜导体层31和51中流动的高频电流具有相同的相位。由于电流分散了，故而趋肤深度大大增加。这大大增加了电流路径面积(有效截面面积)，以减小导体损耗。结果，进一步增加了Q₀。

虽然在第一实施例中内部导体5具有薄膜多层电极结构，但是内部导体5也可以具有单层薄膜电极结构，通过溅射或真空蒸发而形成在圆柱形杆的外部表面上。

下面参照图3A和3B描述根据本发明的第二实施例的同轴谐振器。

图3A是同轴谐振器沿由点划线示出的中心轴取得的截面图，图3B是沿图3A的线A-A’取得的同一同轴谐振器的截面图。同轴谐振器包含：管状介质块1，形成在介质块1的外周面上的外导体3，形成在圆柱形杆4的侧面上的内部导体5。由短路支持件9支持圆柱形杆4，以便容纳于介质块1中的通孔2内。短路支持件9还电连接到形成在圆柱形杆4的外部表面上的内部导体5与形成在介质块1的外部表面上的外部导体3。按照这种方式，内部导体5的短路端允许根据第二实施例的这种同轴谐振器提供半波谐振(其两端短路)。

虽然图3A和3B中所示的例子中未示出输入/输出单元，但是也可包含与电场中的同轴谐振模式有关的探针，或与磁场中的同轴谐振有关的环。

图4A和4B说明了根据本发明的第三实施例的同轴谐振器。与图3A和3B所示的第二个例子的同轴谐振器的区别在于，根据第三实施例，圆柱形杆4的一端由短路支持件9支持，以便使内部导体5的有关端与外部导体3短路。这种结构允许第三实施例的同轴谐振器提供1/4波长谐振，其中一端开路，另一端短路。

图5是根据本发明的第四实施例的同轴谐振器的截面图。如与图4A和4B的比较可见，在圆柱形杆4和介质块1之间的间隙之间填充一种非导电元件13，该元件13由诸如低介电常数或高介电常数的树脂等材料制成。这种结构在圆柱形杆4和介质块1之间保持了固定的位置关系，防止由于这些部件的相对位移引起的特性变化。

下面参照图6，7A和7B描述本发明的第五实施例的同轴谐振器。

图6是内含同轴谐振器的内部导体的圆柱形杆4的透视图。以同一角度在圆柱形杆4的侧面上设置多个螺旋线5’(以便为多路复用)，其中将圆柱形杆4的中心轴用作旋转中心。将一组这样的螺旋线用作内部导体。这组螺旋线此后称为“多螺旋线装置”。如上所述，在第11-375194号日本专利申请中描述了多螺旋线装置。

图7A和7B是多螺旋线装置的部分截面图(沿垂直于其线的平面截取)，示出螺旋线中电磁场和电流的分布。图7A说明多螺旋线装置当其内部和外部环向边缘的电荷最大时的电场和磁场分布。图7B说明了那时螺旋线的电流密度，以及沿介质元件的厚度方向上线之间延伸的平均磁场。

微观上说，如图7B所示，在每一个螺旋线的边缘的电流密度更高。但是，沿圆柱形杆4的轴向看(在图7B的水平方向)，每一个给出的螺旋线的相邻的右边和左边边缘(以预定间隔)形成相邻螺旋导线，具有相同大小和相位的电流如在给出的螺旋线中流过，由此减小边缘效应。换句话说，多螺旋线装置能够考虑为单个线，其中线单元中的电流密度的分布形成基本上为正弦曲线，其中内部和外部圆周边缘形成节点，而中心形成峰值。因此，宏观地说防止了边缘效应。

相应地，即使当内部导体形成为多个多路复用线时，这组线将容易地形成图案，因为它们形成在圆柱形杆的外部表面上。

图8是根据本发明的第六实施例的同轴谐振器的主要部分的放大示图。同轴谐振器包括形成在圆柱形杆4的外部表面上的内部导体，以便具有薄膜多层电极结构，并且内部导体形成为与图6，7A和7B所示的多螺旋线装置相同的图案。图8中，薄膜导体层51和薄膜介质层52交替地层叠，以形成薄膜多层电极，它分为多个螺旋线，目的是多路复用。在第六实施例中，薄膜介质层52的底层(在内部导体下面)，用于覆盖和保护圆柱形杆4的外部表面。

下面参照图9描述根据本发明的第七实施例的双工器的配置。

图9是双工器透视图。基本上矩形的介质块1中形成有通孔2a到2e。外部导体3延伸穿过介质块1的四个表面，不包括相对的表面(其中通孔2a到2e开路)。

图9中，使由介质元件形成的圆柱形杆4形成为两端直径大，中间直径小的形状。在圆柱形杆4的外部表面上形成薄膜多层电极结构的内部导体5。虽然在图9中仅仅说明了一个圆柱形介质元件4，但是将如此构成的介质元件4插入介质块1的每一个通孔2a到2e中，并固定到那里。外部导体3可以具有薄膜多层电极结构，或可以是单层电极薄膜。内部导体5可以形成为多螺旋线装置。

因此，在内部导体5和外部导体3之间，以及内部导体5与介质块1的介质部分之间形成同轴谐振器。内部导体5的开路端部分具有更大的直径，而位于中心的等效短路的端部具有更小的直径，使这些部分具有不同直径和长度。这在奇数模式和偶数模式之间产生谐振频率的差异，从而可以控制它们之间耦合的程度。

在介质块1的外部表面上形成与外部导体3绝缘的输入/输出电极10，11和12。输入/输出电极10和12分别容性耦合到通孔2a和2e中形成的谐振器。类似地，输入/输出电极11容性耦合到通孔2b和2c中形成的谐振器。分别形成在通孔2a和2b中的谐振器的结合在这里用作发送滤波器，而通孔2c到2e中形成的谐振器的结合在这里用作接收滤波器。换句话说，将输入/输出电极10、11和12分别用作发送信号输入装置，天线端子，以及接收信号输出端子。

或者，替代图9所示的输入/输出电极形成在介质块的外部表面上的例子，可将探针插入介质块，以外部连接。

下面参照图10描述根据本发明的第八实施例的通信装置的配置。

图10中，由振荡器OSC产生的振荡信号到达分频器(合成器)DIV。从分频器DIV输出的频率信号通过混频器MIXa由调制信号调制，并传送到带通滤波器BPFa，其中仅仅传送在发送频带中的信号。得到的信号由放大器电路AMPa放大，并通过双工器DPX，然后从天线ANT发送。通过放大电路AMPb放大来自双工器DPX的接收信号。将从放大电路AMPb输出的信号发送到带通滤波器BPFb，其中仅仅传送在接收频带中的信号。然后，通过混频器MIXb，使接收信号与从带通滤波器BPFc输出的频率信号混合，以输出中频信号IF。

图10所示的双工器DPX可以是具有如图9所示的结构的双工器。带通滤波器BPFa、BPFc可以是各自都由具有图1到8所示的任何一个结构的同轴谐振器形成的滤波器。因此，实现了损耗减小，整体小型化的通信装置。

虽然将圆柱形介质元件用作所述实施例中其上形成有内部导体的柱形元件，但是柱形元件可以是任何形状的，诸如多边形的。柱形元件(其介电常数是任意的)用于将内部导体支持于其外部表面，并且可以是由金属等制成的导体元件或磁性元件。

虽然已经联系本发明的具体实施例描述了本发明，对于熟悉本领域的技术人员，许多其他变化和修改，以及其他用途都是显然的。因此，较好地，本发明不由这里具体揭示的内容限制，而由所附权利要求限制。

Claims (12)

1.一种同轴谐振器，其特征在于包含：

形成在柱形元件的外部表面上的内部导体；

其中具有形成通孔的介质元件，所述柱形元件设置在所述通孔中；和

外部导体，形成在所述介质元件的外部表面上。

2.如权利要求1所述的同轴谐振器，其特征在于所述内部导体包含多个螺旋线。

3.如权利要求1所述的同轴谐振器，其特征在于所述内部导体具有薄膜多层电极结构，其中交替层叠薄膜导电层与薄膜介质层。

4.如权利要求3所述的同轴谐振器，其特征在于，所述内部导体包含多个螺旋线。

5.如权利要求1、2、3和4任一条所述的同轴谐振器，其特征在于所述外部导体是通过交替层叠薄膜导电层和薄膜介质层而形成的。

6.如权利要求5所述的同轴谐振器，其特征在于薄膜导电层的线的相位常数在所述内部导体和所述外部导体中基本上相等。

7.如权利要求1所述的同轴谐振器，其特征在于，还包含设置在所述柱形元件和所述介质元件之间的非导电元件。

8.一种滤波器，其特征在于包含：

多个同轴谐振器，所述每一个同轴谐振器包含：

形成在柱形元件的外部表面上的内部导体；

其中具有形成通孔的介质元件，所述柱形元件设置在所述通孔中；和

外部导体，形成在所述介质元件的外部表面上；和

耦合到所述多个同轴谐振器的预定同轴谐振器的输入/输出装置。

9.一种滤波器，其特征在于包含：

多个柱形元件，每一个所述柱形元件具有形成在其外部表面上的内部导体；

介质元件，其中形成有多个通孔，所述各个柱形元件设置在所述各个通孔中，以便形成对应的同轴谐振器；和

耦合到所述同轴谐振器的预定同轴谐振器的输入/输出装置。

10.一种双工器，其特征在于，包含：

设置在发送信号输入端口与发送/接收信号输入/输出端口之间的发送滤波器；和

设置在发送/接收信号输入/输出端口和接收信号输出端口之间的接收滤波器；

其中，所述发送滤波器和所述接收滤波器中的至少一个包括：多个同轴谐振器，每个同轴谐振器包括：

形成在柱形元件的外部表面上的内部导体；

其中形成有通孔的介质元件，所述柱形元件设置在通孔中；和

形成在所述介质元件的外部表面上的外部导体；和

耦合到所述多个同轴谐振器中的预定的同轴谐振器的输入/输出装置，

所述输入/输出装置耦合到所述端口中的对应的端口。

11.一种通信装置，其特征在于包含：

高频电路，包含发送电路和接收电路；以及双工器，所述双工器包含：

设置在发送信号输入端口和发送/接收信号输入/输出端口之间的发送滤波器；和

设置在发送/接收信号输入/输出端口和接收信号输出端口之间的接收滤波器；

其中，所述发送滤波器和所述接收滤波器中的至少一个包括多个同轴谐振器，每一个同轴谐振器包含：

形成在柱形元件外部表面上的内部导体；

其中形成有通孔的介质元件，柱形元件设置在孔中；以及

形成在所述介质元件的外部表面上的外部导体；和

耦合到所述多个同轴谐振器中的预定同轴谐振器的输入/输出装置，

所述输入/输出装置耦合到所述端口中对应的一个端口。

12.一种通信装置，其特征在于包含：

高频电路，包含发送电路和接收电路中的至少一个，所述高频电路包含：

多个同轴谐振器，每一个同轴谐振器包含：

形成在柱形元件的外部表面上的内部导体；

其中形成有通孔的介质元件，所述柱形元件设置在所述通孔中；和

外部导体，形成在所述介质元件的外部表面上；和

输入/输出装置，耦合到所述多个同轴谐振器中预定的同轴谐振器。

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