CN1011102B - 可装配多个谐振器滤波器 - Google Patents

Abstract

一种可作为单个元件装在印刷电路板或其它基片上的基质块滤器。利用了介质底块中的镀层孔的等效缩短谐振器，使用由条状电极部分控制谐振器之间电容耦合，该条状电极与覆盖基质底块大部分表面的导电镀层相连。输入和输出耦合是通过非对称地安装在装载拖架中的接头完成的。位于装介质块的凹槽反面的装载小耳片使滤波器紧固在电路板上，并且保证了滤波器的接地。两个或两个以上的滤波器可装在电路板上，形成一个双工器。

Description

本发明一般地说是与射频滤波器有关，更具体地说，它是一种介质带通滤波器，它具有改善的、由金属镀层实现的谐振器之间的电容耦合以及一种改进的可装配装置，以形成一种特别适用于汽车和便携式无线电收发装置滤波器。

传统的介质滤波器在结构和电气性能上的优点使它们较理想地适用于汽车和便携式无线电收发讯机。然而，如何从滤波器输入输出端口连接到滤波器以外的应用装置，一直是一个问题。典型的方法是用同轴线或其它形式的传输线人工地焊接到输入输出端口，然后再将每根线连接到应用装置。当把这些滤波器用作为收发信机天线组合的双工器时，就须采用两个介质底块，这样连接的数目也要加倍。此外，连接传输线长度的要求非常苛刻会引起人为误差。

因此，本发明的一个目的就是提供一种具有改善的电容耦合的介质滤波器。

本发明的另一个目的是借改变用作谐振器耦合的金属镀层，使介质滤波器的滤波特性得以修正。

本发明的进一步目的是以一定的配置方式来耦合改进的介质滤波器，以便使其性能适用于作为无线电收发讯机双工器。

本发明的进一步目的是提供一种介质滤波器内部连接方式和装配装置，一般使介质滤波器容易地与外部元件相连接。

本发明的进一步目的是能使介质滤波器可象其它电子元件一样装配到印刷电路或其它基片单元上，并与之相连接。

本发明的进一步目的是以一定的配置方式来耦合装配在基片上介质滤 波器，以便使其性能适用于作为无线电收发讯机的双工器。

因而，简而言之，本发明包含一个可装配在基片上滤波器，它包含一个介质滤波器和一个基片单元。介质滤波器的表面，除了第一表面外，都牢固地敷以导电材料。有许多孔从第一表面贯穿到第二表面，这些孔也都牢固地敷以导电材料，并从第一面延伸到第二面。每个孔的导电材料是以各孔之间予定的距离配置的。连接到导电材料的条形电极至少局部地伸展到上述的两个孔之间，以便调整这两个孔之间的电容耦合。此外，耦合到单独一个孔的耦合装置被配置在介质滤波器的第一表面上。介质滤波器放进装配单元的凹槽中，并加以固定，装配单元上有接头。用以连接到第一和第二耦合装置。在装配单元凹槽的反面有许多小片，用以装配到基片上去。

图1是常用的介质滤波器的透视图，图上显示了谐振器单元的排列取向和输入/输出耦合。

图2、图3和图4是剖面视图，用以表示谐振器孔中可以采用的金属镀层的形状。

图5是采用本发明的介质块滤波器装配托架的底部透视图。

图6是本发明中所采用的输入和输出端口的截面图。

图7是本发明中所采用的装配托架的立体图。

图8是使用可装配元件式滤波器的双工器装在印刷电路板上立体图。

图9是可装配元件式滤波器的电原理图。

图10是图8的双工器的电原理图。

图11是在分集接收天线系统中使用可装配元件式滤波器的双工器装在印刷电路板上的电原理图。

图12A，12B，12C，12D和12E显示了本发明中所采用的金属镀层的形状。

在图1中显示了介质加载带通滤波器100，它使用一个惯用的输入接头 101和一个惯用的输出接头103。该滤波器在美国专利No4，431，977“陶瓷带通滤波器”中有更充分的描述，该专利被转让给本发明的受让人，并在此处收编作为参考。滤波器100包括一介质底块105，在其表面上有由适当的介质材料所构成，诸如陶瓷，它具有低损耗，高介电常数和低介电常数温度系数等特性。在优先采用的具体装置中，滤波器100由含有氧化钡，二氧化钛和二氧化锆的陶瓷复合物所构成，其电气性能类似于G.H.Jonker和W.Kwestroo在题目为“BaO-Ti    O-ZrO三相组合系统”论文中较详细地描述过的那样。该论文发表在美国陶瓷协会杂志，第41卷第10期390～394页，1958年10月。在该文所介绍的陶瓷复合物中，表Ⅳ中的复合物成份为：18.5摩尔百分数的BaO，77.0摩尔百分数的TiO和4.5摩尔百分数的ZrO，其介电常数近似等于40，很适于作为本发明用的陶瓷。

介质滤波器，例如滤波器100的底块105的那种，通常在除了区域107以外的其余表面上都覆有或镀以诸如铜或银的导电材料。象底块105那样的滤波器有许多孔109，其中每个孔都从顶面贯通到底面，并且都同样地镀以导电材料。孔109的镀层与底块105的镀层在孔109的一端互相导电连接，而在孔109的另一端则互相绝缘。而且，在绝缘的一端处，孔109的镀层可以延伸到底块105的顶面上。这样，每个镀层孔109实质上就形成了由一段短同轴线构成的等效缩短的同轴谐振器，其长度根据所需的滤波器响应特性而选定。（虽然在图1上所示的底块105具有6个镀层孔，但根据所需的滤波器响应特性，可以采用任意个数的镀层孔。）

滤波器底块105中的孔109的镀层可通过任何一个孔109的截面图看得更清楚。介质202上的导电镀层204穿过孔201延伸到顶面上，但在顶面上围绕孔201的一个圆形区域240内没有镀层。另外也可以采用其它形状的导电镀层布置，图3和图4显示了其中的两种。图3中，介质302上的导电镀层304穿过孔301延伸到底面处，但区域340内没有镀层。图3 中的镀层形状实际上与图2中的形状是相同的，差别只在于无镀层区域340是在底面上而不是在顶面上。在图4中，介质402上的导电镀层404沿着孔401只延伸了一部分，留下孔401的局部区域无镀层。图4中的镀层形状布置也可以倒过来，就象图3那样，那么无镀层区域440就在底面上。

镀层孔谐振器之间是通过介质进行耦合的，其耦合量随相邻两个同轴谐振器之间的介质宽度以及距离的改变而改变。相邻的两孔109之间的介质宽度可采用任何适当的规则方式或非规则方式进行调整，例如采用开槽，圆柱孔、方形或长方形孔，或者不规则形状的孔等。

如图1所示，射频信号分别由输入输出电极111和113以及与其相连的输入和输出接头101和103，以电容耦合输入到介质滤波器或从介质滤波器100输出。

由镀层孔109构成的同轴谐振频率主要决定于孔的深度，介质块在孔方向上的厚度以及滤波器顶面上靠近孔边的无镀层区的大小。滤波器100的调谐是靠去掉附加的接地镀层或去掉延伸在底块105顶面上每个镀层孔顶端附近的谐振器镀层的办法来实现，用激光喷砂修整器和其它适当的修整装置，在监视滤波器反射损耗角的同时，可完成此任务。

现在请参阅图5，在局部分解透视图上可看到采用本发明的介质滤波器。介质底块501放入装载托架503中，装载托架有多种功能：提供坚硬的安装座，以便使介质底块501可以插进印刷电路板或其它基片中;通过端口505和507的馈电，简化了的输入和输出连接以及通过接触片509，510，511，512和图上未表明的其它接触片，保证介质底块501的外导电面与装载托架503之间的可靠接地。接触片509和510另外也提供了介质底块501在托架503中的定位功能。装托架503还提供了小耳片515～525，用来保证托架和滤波器在装载基片上的定位和固定，并且还保证托架503与接收装载基片对射频信号的可靠接地。介质滤波器的装载托架已在美国专 利申请No656，121，“单块双通带滤波器”中揭示过，以Kommrusch名义在1984年9月27日申请，并转让给本发明的受让人。不过，这个以前已揭示过的托架并未提供本发明中的托架的简化装载方式。

在一个优先采用的具体装置中，介质滤波器501由陶瓷材料组成，利用了7个有内镀层的孔作为等效缩短的谐振器，以构成一个工作在划分给地区性汽车电话用的无线电频段上带通滤波器。在这个具体装置中，陶瓷块501，除了谐振器镀层从孔延伸到外表面上的那些区域以外，其余所有表面上均保形地敷有导电镀层。这样，孔529～535在底块501外表上具有其相应的镀层537～543。这些区域537～543与接地镀层在电气上是隔断的，但靠电容耦合连到接地镀层。另外，输入镀层区547提供了输入端口505与由内镀层孔529及其外滤波器区537所形成的同轴谐振器之间的电容耦合，而镀层区549提供了输出端口507与由镀层孔535及其外镀层区543所形成的输出谐振器之间的电容耦合。接地条553～558镀在同轴谐振器镀层孔之间，以便调整谐振器间的耦合量。

陶瓷块501插入托架503时，让谐振器外镀层区537～543朝下进入托架503，这样托架503可起到附加屏蔽的作用。输入安装腿505连接到镀层区547，输出端口507连接到镀层549，如图6所示。输入端口505可以是一个小并联电容，例如就象Airpax电子公司生产的100B0047接头，它保护一个可焊接小环601和绝缘玻璃珠603，以用来支撑中心导体605。小环601用导电胶粘到托架503上，以保证输入接头505的可靠安装。托架503和底块501的大小使中心导体605正好能接触到镀层区面547。中心导体605的一端用焊接或导电粘接的办法连到镀层区547，以提供从中心导体到截面547的可靠的射频连接。因此，中心导体605的另一端可以很容易地被焊接或插到固定这装载托架503的基片上去。输出端口507及其相应的镀层区549也采用类似的结构。

图7显示了装载托架503的详细结构。图上详细地显示了在优先采用 的具体装置中的装配小耳片515～525的间隔。这些间隔在滤波器的工作频率上是很重要的，用来保证获得最大极限的衰减。靠近输入和输出端口（分别为图5中的505和507）的装配片517，519以及在托架503的侧边和底部上的其余装配片都用来实现装载托架中的低接地电感。在输入和输出端口附近501和托架503之间的连接是靠类似于靠近端口的接触片511和512那样的接触片加以保证的。所有接触片509，510，511，512（以及在托架另一侧面上同样的接触片，图上未画出）可以焊接或粘接到介质底块501上，这样可永久性地保证电接触。

容易确定，装配小耳片518，520和521的位置是非对称的。输入/输出端口505和507也是偏离托架503的中心线的。这种非对称性能使托架503具有“选择性”，使滤波器只能以一个方向插入印刷电路板或其它基片。

图8中显示了本发明的一个独特方面。介质滤波器底块，例如底块501装进托架503中，成为一个被应用的电路元件，可以插入印刷电路或基片801。在印刷电路板801上安排适当的孔803和805，可使输入和输出接头505和507分别插入，（图8中未画出）。与此同时，在印刷电路板801上安排适当的定位槽孔815～825，可容纳托架503相应的小耳片插入。这样滤波器501和托架503就可象任何其它元件一样，装到印刷电路板801上。从输入孔803和输出孔805可以引出电路印刷线，使滤波器与其它电路电气连接十分容易。电路板印刷线807和809可以做成带线或微带线，以获得改善的双工器性能。

请参阅图9，此为用作带通滤波器的介质滤波器501的等效电路图。从信号源来的输入信号经接头505加到输入电极（图5中的547），它相当于图9中的电容器924和944是547与周围的接地镀层之间的电容，而电容器924是电极547与由镀层孔（图5中的529）构成的同轴谐振器之间的电容。由图5中的镀层孔529～535形成的同轴谐振器相当于图9中缩短的 传输线929～935。图9中的电容器937～943代表了由图5中的镀层孔的外延伸镀层537～543形成的同轴谐振器与顶面上周围的接地镀层之间的电容。电容器925代表了图5中由镀层孔535构成的谐振器与电极594之间的电容。电容器945代表了电极549与周围的接地镀层之间的电容。输出信号从电容器925供外部电路利用。

现在请参阅图10，图上显示了采用本发明的多波段滤波器，它由两个具有内耦合的介质带通滤波器1004和1012所组成。两个或两个以上所发明的带通滤波器可在印刷电路板或基片上进行内耦合，以构成组合或分离装置，它可把两个射频信号组合成一个复合的射频信号，或者把一个复合的射频信号按频率区分成两个射频信号。作为优先采用的具体装置的一个应用，图10中的装置利用了本发明，它把射频发射机1002的发射信号加到天线1008，同时把天线1008收到的接收信号送到射频接收机1014。图10中的装置可作为天线双工器用于汽车、便携式以及定点无线电通讯中非常优越。射频发射机1002的发射信号通过传输线1005加到滤波器1004，此传输线由优先采用的具体装置中的印刷电路板上的印刷线（图8中的807）所构成。经滤波后的发射信号通过印刷电路板上的印刷传输线（图8中的印刷线809）加到天线1008。滤波器1004是本发明的陶瓷带通滤波器，例如图5和图8所示的那种滤波器。滤波器1004通带的中心频率就在发射机1002的发射信号频率附近，而同时它对接收信号频率有非常大的衰减。此外，对传输线1006的长度作这样的选择，以致它对接收信号频率具有最大的阻抗。

在图10中，从天线1008来的接收信号通过传输线1010加到滤波器1012，此传输线也是由印刷电路板印刷线所构成。然后再通过印刷电路板印刷传输线1013加到射频接收机1014。滤波器1012也可以是图5和图8中所示的本发明的带通滤波器中的一种，其通带中心频率在接收信号频率附近，而同时它对发射信号频率有非常大的衰减。同样地，对传输线1010的长度作这样的选择，以致它对发射信号频率具有最大的阻抗，以进一步衰减发射 信号。

在图10的射频信号双工器的具体装置中，发射信号的频率范围为825到851兆赫（MHZ），接收信号的频率范围为825到851兆赫（MHZ），这两个信号均被加到汽车无线电装置的天线上。介质带通滤波器1004和1012采用陶瓷介质，并按照图5所示的本发明进行制作的。滤波器1004和1012，每个都是3英寸长和0.45时宽。高度主要取决于工作频率，在优先采用的具体装置中，发射滤波器1004的高度为0.49英寸，接收滤波器1012的高度为0.44英寸。滤波器1004的插入损耗为2.5dB，对接收信号的衰减不小于50dB。滤波器1012的插入损耗为3.0dB，对发射信号的衰减不小于60dB。可安装介质块滤波器的电路板的另一种内部连接方式示于图11。

有时希望一个接收机利用两个可进行开关的天线，这样接收到最好信号的天线就可借开关控制接到接收机，以完成众所周知的天线分集功能。在传输线1006和1010之间（在A点），不是直接用传输线耦合，而是插入一个天线开关1101，用来在共用收发天线1103和单收天线1105这两个天线之间选用其中之一，分隔开的发射和接收滤波器1004和1012可用具有180°反射系数的传输线1107和1109以一定的方式相耦合，以提供分集接收的功能。

滤波器的工作特性可由介质底块表面上的镀层形状所决定，在此介质块的该表面上并未全都喷镀上金属。介质滤波器，例如这里所描述的，是由电感进行固有的耦合。也就是说，介质中的磁场控制着耦合，在谐振器之间引进电容，可改变电感量，甚至抵消电感量。再请参阅图5，可以看到实现的，这些谐振器是借镀层孔529～535和表面镀层537～543所构成。如示，接地条形电极554～557可以限制谐振器之间的容性耦合。镀层裂隙或附加的镀层岛区形成的电容耦合已在上述，由Kommrusch于1984年9月27日填报的专利申请No656，121中揭示过。根据本发明的一个新颖之处，借介质块表面上位于两个谐振器之间的不完整的条状电极，可以获得可控 制的电容耦合。在优先采用的具体装置中，输入谐振器、输出谐振器和其它谐振器之间的不完整的条状电极553和558给出了受控制的电容耦合，这就能使相邻谐振器之间的电感耦合和电容耦合相结合。实际上，电感耦合或电容耦合的采用分别在滤波器通带的高端边沿处，或在滤波器通带的低端边沿处提供了陡峭的滤波器通带边缘衰减。

当介质滤波器底块被组合成双工器滤波器时，如图10所示，在滤波器通过较低频率时，采用在通带上端具有陡峭的衰减边缘的滤波器是有利的。同样，在滤波器通过较高频率时，采用在通带下端具有陡峭的衰减边缘的滤波器也是有利的。这样，不用再附加另外的滤波器携振器单元，就可实现收发路径相互之间的附加保护。

本发明介质滤波器底块的一个优点是发射滤波器1004（图10）中的谐振器数目和间距可以等于接收滤波器1012中的谐振器数目和间距。耦合类型决定于所采用的镀层的形状。发射滤波器1004利用谐振器之间的电感耦合，如图12A的镀层形状所显示。中间的谐振器之间的电容耦合因采用完整的条状电极而减小，而输入和输出谐振器因采用其耦合到中间谐振器的非完整条状电极而有较大的电容。接收滤波器1012利用谐振器之间的电容耦合，如图12B的镀层形状所显示。未阻断的镀层谐振器能造成电容耦合。（采用金属镀层岛区，如图12C所示，可使电容耦合量增大。）

本发明的一个新颖特性是创造了耦合量可随金属层的改变而改变的能力。另外，谐振器的工作模式可从带通变成带阻，只要把一个或多个谐振器用作为传输零点而不是传输极点。图12D显示了仅仅改变镀层实现传输零点的情形。通过镀层印刷线1207将输出电极1203耦合到第一传输极点谐振器1205。同时输出电极1203也耦合到传输零点谐振器1209。在所示的具体装置中，将传输零点调谐到通带的低端，以实现通带低端处的附加抑制。利用如图12D所示金属镀层的滤波器很适用于上述的双工器。

与其它谐振器的适当的耦合可以产生附加零点。图12E的金属镀层就代表这种耦合。

简括而言，可装于印刷电路板具有多个谐振器的介质滤波器，已予揭示和描述。这种滤波器利用了金属镀层孔谐振器，其耦合特性取决于介质底块的一个面上的金属镀层形状。介质底块，除了一个表面以外其余的表面全都镀以导电材料，而孔谐振器就是从这个表面向介质块中延伸的。孔周围的电极镀层提供了到这种导电材料的电容耦合，以及从一个滤波器到相邻谐振器的电容耦合。谐振器之间的电容耦合可借至少部分延伸于两个相邻的孔谐振器之间的一个电极所控制，以调整谐振器之间的电容耦合量。输入和输出耦合可通过在装托架上非对称配置的端口来完成。托架上位于容纳介质底块的凹槽背面的装配小耳片使滤波器紧固在电路板上，并且使滤波器良好接地。印刷电路板上的两个滤波器可构成一个用于收发讯机的双工器，此印刷电路板上的印刷铜线形成适当电长度的传输线。因此，在揭示和描述本发明的一种特殊装置的同时，应当懂得，本发明并非仅局限于此，因为精通这个技巧的人员可以做出许多修正。。所以将打算包括所有这些修正以及任何其它修正，因为它们均属于已在这里揭示过并提出过权利要求的基本原理的正确精神和范围之内。

Claims (6)

1、一种滤波器，它包括：具有内介质材料组成的介质装置，介质装置有第一表面，第二表面和侧表面，所述介质装置的第二表面和侧表面均牢固地镀以导电材料；至少有第一、第二和第三孔面上牢固地镀以导电材料，所述导电镀层从介质装置的第一表面延伸到介质装置的第二表面，所述第一、第二和第三孔配置在该介质装置的第一表面上，按预定的相互间距配置，並互相紧密交连；第一和第二耦合装置，分别与所述第一孔和第三孔耦合；第一、第二和第三电容装置，每个所述装置包括分别耦合到第一、第二和第三孔的电极装置，並分别围绕所述第一、第二和第三孔用来使所述第一孔与所述第二孔，使所述的第二孔与所述的第三孔，並使所述孔与所述的介质装置的侧表面上导电镀层实现电容耦合；上述滤波器其特征在于：

有条状电极装置连接到所述介质装置的侧表面上的导电镀层，所述条状电极至少局部延伸到两个所述的孔之间以调整它们之间的电容耦合。

2、根据权利要求1的滤波器，其特征在于：其中所述的第一和第二耦合装置有第一和第二电极装置分别配置在介质装置的顶面上靠近所述的第一孔和第三孔处，並且分别与所述的第一孔和第三孔耦合，其中所述的第一和第二电极装置，每个装置包含由所述的导电材料所复盖的介质装置的部份顶面。

3、根据权利要求1的滤波器，其特征在于：其中所述第四电容装置具有插在第一和第二电容装置之间的电极装置，以及实现第一和第二电容装置的所述的电极装置的电容耦合。

4、根据权利要求1的滤波器，其特征还在于包括：一个第四孔，其表面牢固地镀以导电材料，从介质装置的第一表面延伸到其第二表面，並与所述第三孔以预定的间隔配置在该介质装置的第一表面上，而且互相紧密交连;以及一个第四电容装置，围绕在第四孔周围，用以实现所述第四孔与所述介质装置的侧表面上的导电材料以及与所述第二耦合装置间的电容耦合。

5、一种多通带滤波器，用以在天线和第一、第二射频信号利用装置之间耦合射频信号，並采用一个第一滤波器，该第一滤波器与第一射频信号利用装置相耦合並包括介质材料组成的介质装置，它具有第一表面，第二表面和侧面，介质装置的所述第二表面和侧表面均牢固地镀以导电材料;至少第一、第二和第三孔的孔面上牢固地镀以导电材料，所述导电镀层从介质装置的第一表面延伸到介质装置的第二表面，所述第一、第二和第三孔配置在介质装置的第一表面，它们按预定的相对间隔配置，並且互相紧密交连;第一和第二耦合装置，分别与所述第一孔和第三孔耦合，所述第一耦合装置进一步与第一射频信号利用装置相耦合;第一、第二和第三电容装置，每个装置包括分别与第一、第二和第三孔耦合的电极装置，这些电极装置分别围绕第一、第二和第三孔，所述这些电容装置用于实现电容耦合，即从所述第一孔到所述第二孔的电容耦合，从所述第二孔到所述第三孔的电容耦合，以及从所述孔到所述介质装置的侧面上的导电镀层的电容耦合;第二滤波器，它与第二射频信号利用装置相耦合，它包括由介质材料组成的介质装置，並具有第一、第二和侧表面，所述介质装置的第二表面和侧表面都牢固地镀以导电材料;至少第一、第二和第三孔的孔面上牢固地镀以导电材料，所述导电镀层从介质的第一表面延伸到介质装置的第二表面，所述至少第一、第二和第三孔配置在介质装置的第一表面，它们按预定的相对间隔配置，並互相紧密交连;第一和第二耦合装置，分别与所述第一孔和第三孔耦合，所述第一耦合装置进一步与第二射频信号利用装置相耦合;第一、第二和第三电容装置，每个装置包括分别与第一、第二和第三孔耦合的电极装置，这些电极装置分别围绕第一、第二和第三孔，所述电容装置用来实现电容耦合，即从所述第一孔到所述第二孔的电容耦合，从所述二孔到所述第三孔的电容耦合，以及从所述孔到所述介质装置侧面上的导电镀层的电容耦合;以及在所述第一滤波器的第二耦合装置和天线之间的第一传输线和所述第二滤波器的第二耦合装置之间的第二传输线;

上述多通带滤波器其特征在于包括：

一条状电极装置，它配置在所述第一和第二滤波器中至少一个滤波器的第一表面，並与所述第一和第二滤波器中的至少一个滤波器的介质装置的侧表面上的导电镀层相连，所述条状电极至少局部地延伸到两个所述的孔之间，以调整它们之间的电容耦合。

6、一种用于通过一个频带的射频信号並阻止其它频带的射频信号通过的介质滤波器，包括一卷具有第一表面、第二表面和侧表面的介质材料，所述第二表面和侧表面均牢固地镀以导电材料;和多个由所述第一表面到所述第二表面的贯通上述介质材料的通孔;上述孔中的至少两个表面均牢固地镀以导电材料，而该导电材料与上述第二表面电气共通，从而组成了两个谐振器，

上述介质滤波器其特征在于包括：

置于上述第一表面的电极装置，该装置与上述侧表面的上述导电材料相连，並局部地延伸到上述至少两个谐振器中的第一谐振器的第一表面上的孔与上述至少两个谐振器中的第二谐振器的第一表面孔之间，因而可以限止在上述第一谐振器和上述第二谐振器之间的耦合。

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