CN101512830B - 传输线型谐振器和使用它的高频滤波器、高频模块及无线机器 - Google Patents

传输线型谐振器和使用它的高频滤波器、高频模块及无线机器 Download PDF

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Abstract

一种传输线型谐振器，由层叠多个电介质薄片的层叠体构成，具备：配置在多个电介质薄片之间的复合左右手传输线路，和配置在传输线型谐振器的端面且与复合左右手传输线路连接的外部连接端子。可降低损耗。

Description

传输线型谐振器和使用它的高频滤波器、高频模块及无线机器
技术领域
本发明涉及例如被手机及数字电视调谐器等无线机器及高频模块使用的高频滤波器和传输线型谐振器。
背景技术
下面，参照附图，讲述现有技术的使用传输线型谐振器的高频滤波器的一个例子。图24是表示现有技术的使用传输线型谐振器的高频滤波器的外形立体图。
在图24中，现有技术的高频滤波器1，具备在电介质薄片2上依次配置的外部连接端子3、半波长的传输线型谐振器4、半波长的传输线型谐振器5、外部连接端子6。另外，这些外部连接端子3、半波长的传输线型谐振器4、半波长的传输线型谐振器5、外部连接端子6相互电容耦合。
在该现有技术的高频滤波器1中，根据电介质薄片2的介电常数，决定半波长的传输线型谐振器4、5的元件长。
此外，作为与本申请的发明关联的先行技术文献信息，例如非专利文献1，广为人知
在上述现有技术的高频滤波器1中，因为传输线型谐振器4、5是右手系统，所以流入传输线型谐振器4、5的高频电流在传输线型谐振器4、5的电阻的作用下，变换成热能，在高频滤波器1的传输特性中，产生很大的插入损失。非专利文献1：G.L.Matthaei，L.Young and E.M.T.Jones著「MICROWAVE  FIL.TERS，IMPEDANCE-MATCHING  NETWORKS，AND  COUPLINGSTRUCTURES 」、Artech House(Norwood，MA)发行，1980年
发明内容
因此，本发明在于提供低损失的传输线型谐振器。
为了达到上述目的，本发明的传输线型谐振器，其特征在于，具备：复合左右手传输线路，该复合左右手传输线路由层叠多个电介质薄片的层叠体构成，配置在这些电介质薄片之间；外部连接端子，该外部连接端子与传输线型谐振器的端面配置的复合左右手传输线路连接。
采用上述结构后，因为本发明的传输线型谐振器使用复合左右手传输线路，所以损失很低。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式中的传输线型谐振器的外形图。图2是该传输线型谐振器的分解立体图。图3A是等值电路性地表示现有技术的右手系统传输线路(PRH)的微小区间的图形。图3B是等值电路性地表示理想的左手系统传输线路(PLH)的微小区间的图形。图3C是等值电路性地表示复合型左右手传输线路(CRLH)的微小区间的图形。图4是表示各频率ω0、ωsh、ωse和相位传输常数βp的关系的图形。图5是作为连接图案电极使用曲折线(meander line)的例子的图形。图6A是表示作为连接图案电极使用螺旋线圈(spiral coil)的电介质薄片的上面的图形。图6B是表示在图6A的电介质薄片之下配置的电介质薄片的上面的图形。图7是表示该传输线型谐振器的变形例的分解立体图。图8是表示该传输线型谐振器的变形例的剖面图。图9是本发明的第2实施方式中的传输线型谐振器的分解立体图。图10是该传输线型谐振器的剖面图。图11是本发明的第3实施方式中的传输线型谐振器7的分解立体图。图12是该传输线型谐振器的剖面图。图13是表示在通路孔电极的中途设置短(stub)电极的例子的图形。图14A是表示在该传输线型谐振器中进行无收缩烧成时的层结构的分解立体图。图14B是表示在该传输线型谐振器中进行收缩烧成时的烧成前后的外形图。图14C是表示在该传输线型谐振器中进行无收缩烧成时的烧成前后的外形图。图15是该传输线型谐振器的通路孔电极的放大断面图。图16是本发明的第4实施方式中的复传输线型谐振器的分解立体图。图17是该传输线型谐振器的剖面图。图18是表示该传输线型谐振器中的电流分布的图形。图19是表示该传输线型谐振器的变形例的分解立体图。图20是本发明的第5实施方式中的高频滤波器的分解立体图。图21是本发明的第6实施方式中的高频滤波器的分解立体图。图22A是本发明的第7实施方式中的高频模块的外形图。图22B是该高频模块的电路概念图。图23A是本发明的第8实施方式中的无线机器的外形图。图23B是该无线机器的电路概念图。图24是表示现有技术的使用传输线型谐振器的高频滤波器的外形立体图。符号说明
7 传输线型谐振器8 层叠体9 外部连接端子10 接地电极11 电介质薄片12 线路电极13 连接图案电极14 电容电极15 输出输入图案电极16 接地图案电极17 屏蔽图案电极18 通路孔电极19 分割型线路电极20 分割电容电极21 曲折线22 螺旋线圈23 通路孔电极24 约束层25 层叠体26 高频滤波器
具体实施方式
(第1实施方式)下面，参照附图，讲述本发明的第1实施方式中的传输线型谐振器。
图1是表示第1实施方式中的传输线型谐振器的外形图。
在图1中，传输线型谐振器7，具有层叠体8、在该层叠体8的端面配置的外部连接端子9及接地电极10。
图2是表示第1实施方式中的复合右手系统左手系统的传输线型谐振器的分解立体图。层叠多层由低温同时烧成陶瓷或树脂构成的电介质薄片11后，组成复合右手系统左手系统的传输线型谐振器7。而且，在某个电介质薄片11上，互相隔开任意的间隙，直线性地配置多个线路电极12。
进而，通过线路宽度小于线路电极12的电感性的连接图案电极13作媒介，将线路电极12与连接图案电极13连接。另外，接地图案电极16还与上述接地电极10连接。
再进而，在线路电极12之上配置的电介质薄片11上，与线路电极12相对地配置多个电容电极14。各电容电极14跨过邻接的2个线路电极12地配置，使邻接的线路电极12彼此电容耦合。另外，还被多个线路电极12中最外端的线路电极12电容耦合地配置输出输入图案电极15。该输出输入图案电极15与上述外部连接端子9连接。
另外，在层叠体8的最上方的电介质薄片11的下面及最下方的电介质薄片11的上面，配置屏蔽图案电极17，这2层屏蔽图案电极17也与接地电极10连接。
此外，本发明中的复合左右手系统的传输线路，至少由接地电极10、线路电极12、连接图案电极13和输出输入图案电极15构成。
在这里，讲述现有技术的右手系统传输线路、理想的左手系统传输线路和本发明的复合型右手系统左手系统的传输线路的动作。
图3A是等值电路性地表示现有技术的右手系统传输线路(PRH)的微小区间的图形。在现有技术的右手系统传输线路中，电感器LR被串联，电容器CR则被并联。在这里，介电常数、透磁率当然都具有正值。
另一方面，图3B是等值电路性地表示理想的左手系统传输线路(PLH)的微小区间的图形。在理想的左手系统传输线路中，电容器CL被串联，电感器LL则被并联。这时，介电常数、透磁率都具有负值。这样，其电气性的动态就显示出与普通的自然界存在的传输线路迥然不同的性质。例如产生反向波。所谓“反向波”，是波能的前进方向和相位的前进方向相反的波。另外，还产生低速波。因此，波的相位的前进速度，与自由空间中相比，非常慢。这样，即使在低频中，也能够缩短传输线型谐振器的长度。
进而，图3C是等值电路性地表示复合型左右手传输线路(CRLH)的微小区间的图形。即使要制造图3B的理想的左手系统传输线路，右手系统具有的串联电感器及并联电容器也实际上寄生性地进入，成为图3C的那种复合型左右手传输线路。在复合型左右手传输线路中，在0～ωsh中显示左手系统的性质，在ωse～∞中显示右手系统的性质。ωsh≠ωse时，称作“非平衡型”，不能用该频率传输波(unbalance GAP)。ω0＝ωsh＝ωse时，称作“平衡型”，在ω0以下的频率中显示左手系统的性质，在ω0以上的频率中显示右手系统的性质。各频率ω0、ωsh、ωse和相位传输常数βp的关系见图4。
图4是表示各频率ω0、ωsh、ωse和相位传输常数βp的关系的图形。在图4中，纵轴是角频率，横轴是相位传输常数。在PRH中，从左下朝着右上上升，意味着频率越高相位越大量转动。与此不同，在PLH中，从右上朝着左下下降，意味着频率越低相位越大量转动。就是说，表示在左手系统中，频率越低，波长越短
在本发明的传输线型谐振器中，可以使用复合型左右手传输线路(CRLH)的特性曲线上的任何一个频率，但是在βp为负的区域中，可以获得现有技术不能获得的特性。特别是在ω＝ω0中，波长成为无限大，传输线型谐振器的长度与波长无关，从理论上说，可以将共振器的长度无限制地缩短。将它称作0次级(order)共振器。在本发明中，是最理想的共振模式。这时，共振频率取决于CR和LR1的并联共振频率。
在这里，如果考虑传输线型谐振器的损失，那么一般地说，损失包含由于线路的导体电阻造成的电阻损失和由于电介质的tanδ造成的电介质损失。在现有技术的右手系统传输线路中，线路的电阻损失占支配地位。在左手系统传输线路中，如图3B所示的那样，用串联电容器CL的串联构成线路，几乎不产生该部分的电阻损失。虽然并联电感器LL的电阻依然存在，但是特别是零次级共振器时，用阻抗成为无限大的并联共振频率使用并联电路，所以几乎不受电阻损失的影响。
这样，与现有技术的右手系统传输线型谐振器相比，零次级共振器不仅能够划时期地缩短线路长，而且能够获得更高的无负荷Q值。就是说，能够成为低损失。
此外，电介质薄片11的厚度，最好都标准化地成为大致相同的厚度。这样，由于电介质薄片11的厚度都被标准化，所以制造容易，制造成本低。
另外，如果使电容电极14和线路电极12之间的电介质薄片11为N1(N1为自然数)层，那么从减少损失的角度上说，最好使上侧的屏蔽图案电极17和电容电极14之间的电介质薄片11为M1(M1为自然数)层，线路电极12和下侧的屏蔽图案电极17之间的电介质薄片11为M1’(M1’为自然数)层，而且M1、M1’＞N1。
对于连接图案电极13的实现方法，想出了各种例子。图5是作为连接图案电极13使用曲折线21的例子。此外，所谓“曲折线”，是指例如图5所示的那样具有多个曲部的线。图6A、6B是作为连接图案电极13使用螺旋线圈22的例子。此外，图6A表示规定的电介质薄片11的上面，图6B表示在该电介质薄片11之下配置的电介质薄片11上面。如图6A、6B所示，螺旋线圈22被通路孔电极23连接。这样，使用螺旋线圈22后，能够获得更大的阻抗，提高设计的自由度。
(第1实施方式的变形例)图7是表示第1实施方式的变形例的分解立体图。与上述第1实施方式的不同之处在于：在线路电极12的上下两层设置电容电极14。这样，能够形成更大的电容耦合，提高设计的自由度。图8是表示图7所示的第1实施方式的变形例的8-8中的剖面图的图形。
另外，并不局限于在线路电极12的上下两层设置电容电极14，还可以是二层以上的多层。
另外，外部连接端子9的配置，并不局限于层叠体8的端面，可以取代层叠体8的端面，或者在端面的基础上，再在层叠体8的上面或下面或上下两面设置。这样地配置外部连接端子9后，容易进行面安装。
(第2实施方式)接着，讲述本发明的第2实施方式中的复合右手系统左手系统的传输线型谐振器的结构。此外，除非特别言及，赋予和第1实施方式相同符号的传输线型谐振器的结构和动作同样，所以不再赘述。图9所示的是第2实施方式中的复合右手系统左手系统的传输线型谐振器的分解立体图。图10是表示10-10中的剖面图的图形。
在第2实施方式中，不是配置电容电极14，而是遍及2层互相不同地错开位置后配置线路电极12。这样，能够用相对的线路电极12彼此进行电容耦合。
采用该结构后，能够实现复合右手系统左手系统的传输线型谐振器7的进一步小型化。
(第3实施方式)再接着，讲述本发明的第3实施方式中的复合右手系统左手系统的传输线型谐振器的结构。此外，除非特别言及，赋予和第1实施方式相同符号的传输线型谐振器的结构和动作同样，所以不再赘述。图11是第3实施方式中的复合右手系统左手系统的传输线型谐振器7的分解立体图。图12是表示12-12中的剖面图的图形。
在这里，取代连接图案电极13，通过通路孔电极18，使线路电极12被屏蔽图案电极17接地。通路孔电极18，作为并联电感器LL动作。此外，可以没有接地图案电极16。这样，能够使传输线型谐振器7的横宽变窄。
关于通路孔电极18，有各种变形例。图13是在通路孔电极18的中途设置短电极的例子。使用这种元件后，能够获得更大的阻抗，提高设计的自由度。
另外，用LTCC(Low Temperature Cofired Ceramics)构成层叠体8时，在层叠体8的烧成方法中，有收缩烧成和无收缩烧成两种。图14A是表示进行无收缩烧成时的层结构的分解立体图。在层叠了电介质薄片11的部件的最上层和最下层，粘接约束层24。图14B是表示进行收缩烧成时的烧成前(左侧)和烧成后(右侧)的层叠体25的外形的图形。收缩烧成时，在三维的所有的方向上，各收缩大约15％。
与此不同，无收缩烧成时，烧成前后的外形图如图14C所示，在平面方向上不收缩，只在厚度方向上收缩大约5％。这样，无收缩烧成可以保证平面内的精度，但是在厚度方向上却产生离差。设计通路孔电极18时，需要考虑该厚度方向上的离差。此外，烧成后除去约束层24。
此外，详细观察通路孔电极18的断面，其放大断面图如图15所示，在各自的电介质薄片11内，成为从上向下变小的锥状，设计时需要考虑这些情况。
(第4实施方式)再接着，讲述本发明的第4实施方式中的复合右手系统左手系统的传输线型谐振器的结构。此外，除非特别言及，赋予和第1实施方式相同符号的传输线型谐振器的结构和动作同样，所以不再赘述。
图16是第4实施方式中的复合右手系统左手系统的传输线型谐振器的分解立体图。在图16中，取代线路电极12，使用分割型线路电极19。在这一点上，和第1实施方式不同。
图17是表示17-17中的剖面图的图形。图18是表示分割型线路电极19中的电流分布的图形。我们知道：高频电流通常集中在传输线路电极的两端，但是分割电极后，电流也流入中央的电极，使电流集中的现象得到缓和。因此，采用上述结构后，能够减少电流的电阻损失，获得很高的无负荷Q值。
(第4实施方式的变形例)图19是表示第4实施方式的变形例的分解立体图。与第4实施方式的不同之处在于：将电容电极14置换成分割电容电极20。在该变形例中，对于流过电容电极的电流，也能够缓和电流集中的现象，所以能够进一步减少电阻损失。
(第5实施方式)再接着，讲述本发明的第5实施方式中的使用复合右手系统左手系统的传输线型谐振器的高频滤波器。图20是第5实施方式中的使用复合右手系统左手系统的传输线型谐振器的高频滤波器的分解立体图。
在本结构中，在上下方向上二级重叠第1实施方式讲述的复合右手系统左手系统的传输线型谐振器7，使这两个共振器电磁场耦合后，构成高频滤波器26。
使共振器彼此耦合的方法，不局限于此，可以使用另外设置的耦合电路(未图示)。
另外，耦合的共振器不局限于2个，可以是3个、4个、5个以上的多级。
高频滤波器26的外形和作用，与图1基本相同，所以不再赘述。
采用以上的结构后，能够进一步发挥第1实施方式讲述的复合右手系统左手系统的传输线型谐振器7的特征，能够实现小型、低损失的高频滤波器。[0052](第6实施方式)再接着，讲述本发明的第6实施方式中的使用复合右手系统左手系统的传输线型谐振器的高频滤波器。图21是第6实施方式中的使用复合右手系统左手系统的传输线型谐振器的高频滤波器的分解立体图。
在本结构中，在同一平面上排列2个第1实施方式讲述的复合右手系统左手系统的传输线型谐振器7，使这两个共振器电磁场耦合后，构成高频滤波器26。
使共振器彼此耦合的方法，不局限于此，可以使用另外设置的耦合电路(未图示)。
另外，耦合的共振器不局限于2个，可以是3个、4个、5个以上的多级。
高频滤波器26的外形和作用，与图1基本相同，所以不再赘述。
采用以上的结构后，能够进一步发挥第1实施方式讲述的复合右手系统左手系统的传输线型谐振器7的特征，能够实现更加小型、低损失的高频滤波器。
(第7实施方式)再接着，讲述使用本发明的第5、第6实施方式中讲述的高频滤波器的高频模块的实施方式。图22A是高频模块的外形图，图22B是高频模块的电路概念图。
在这里，作为高频模块29的例子，例示将变容二极管30与高频滤波器26连接的可调谐滤波器模块。
高频模块29，具有高频滤波器26、在该高频滤波器26和接地之间连接的变容二极管30、在该变容二极管30和控制端子之间连接的芯片电感器31。变容二极管30可以被高频滤波器26连接多个。另外，如图22A所示，将变容二极管30和芯片电感器31安装在层叠体8的上面。
这样地在层叠体8的上面配置表面安装部件后，能够实现小型、高功能的高频模块。
(第8实施方式)再接着，讲述使用本发明的第7实施方式中讲述的高频模块29的无线机器的实施方式。图23A是该无线机器的外形图，图23B是该无线机器的电路概念图。
无线机器，从输入端子侧起，依次具有高频滤波器29、低噪声放大器33、高频滤波器29、混频器34，使用高频滤波器29后，能够提供非常小型的多功能·高性能的无线机器。
例如用这种结构实现数码电视机的调谐器后，能够用可调谐滤波器模块除去强电场的妨碍信号，能够从妨碍信号引起的失真中保护低噪声放大器及混频器。其结果，能够减少这些电路的电流。
本发明的传输线型谐振器因为是低损失，所以在便携式终端等无线机器中大有用处。

Claims (22)

1.一种传输线型谐振器，由层叠多个电介质薄片的层叠体构成，所述传输线型谐振器，具备：
复合左右手传输线路，该复合左右手传输线路配置在所述多个电介质薄片之间；
外部连接端子，该外部连接端子配置在所述传输线型谐振器的端面且与所述复合左右手传输线路连接，
所述复合左右手传输线路，由以下电极构成：
线路电极，该线路电极配置在电介质薄片上；
连接图案电极，该连接图案电极与所述线路电极连接，其线路宽度小于所述线路电极；
接地电极，该接地电极与所述连接图案电极连接；
输出输入图案电极，该输出输入图案电极在与所述线路电极电容耦合地配置的同时，还与所述外部连接端子连接。
2.如权利要求1所述的传输线型谐振器，其特征在于：在所述电介质薄片上，存在多个所述线路电极；
所述复合左右手传输线路，具备隔着配置在所述多个线路电极上的电介质薄片而与所述线路电极相对地配置的电容电极。
3.如权利要求1所述的传输线型谐振器，其特征在于：所述传输线型谐振器的共振模式，是0次级。
4.如权利要求1所述的传输线型谐振器，其特征在于：所述电介质薄片，是低温同时烧成陶瓷。
5.如权利要求1所述的传输线型谐振器，其特征在于：所述电介质薄片，是树脂板。
6.如权利要求1所述的传输线型谐振器，其特征在于：所述多个电介质薄片的厚度相同。
7.如权利要求2所述的传输线型谐振器，其特征在于：所述电容电极与所述线路电极的间隔，小于配置在所述电容电极之上的屏蔽图案电极与所述电容电极的间隔，或者小于配置在所述线路电极之下的屏蔽图案电极与所述线路电极的间隔。
8.如权利要求1所述的传输线型谐振器，其特征在于：作为所述连接图案电极，使用曲折线。
9.如权利要求1所述的传输线型谐振器，其特征在于：作为所述连接图案电极，使用螺旋线圈。
10.如权利要求2所述的传输线型谐振器，其特征在于：在所述线路电极的上下2层以上，设置所述电容电极。
11.如权利要求1所述的传输线型谐振器，其特征在于：所述线路电极，存在多层；
各层的线路电极，配置在相互错开的位置。
12.如权利要求1所述的传输线型谐振器，其特征在于：取代所述连接图案电极，使用通路孔电极，使所述线路电极接地。
13.如权利要求12所述的传输线型谐振器，其特征在于：在所述通路孔的中途，设置短电极。
14.如权利要求1所述的传输线型谐振器，其特征在于：所述层叠体，采用收缩烧成的方法形成。
15.如权利要求1所述的传输线型谐振器，其特征在于：所述层叠体，采用无收缩烧成的方法形成。
16.如权利要求12所述的传输线型谐振器，其特征在于：所述通路孔，在各电介质薄片内，是从上向下变细的锥状。
17.如权利要求1所述的传输线型谐振器，其特征在于：所述线路电极，是分割型线路电极。
18.如权利要求2所述的传输线型谐振器，其特征在于：所述电容电极，是分割型电容电极。
19.如权利要求1所述的传输线型谐振器，其特征在于：在所述层叠体的上面或下面中的至少一个面上，设置所述外部连接端子。
20.一种高频滤波器，其特征在于：使用如权利要求1所述的传输线型谐振器。
21.一种高频模块，其特征在于：使用如权利要求1所述的传输线型谐振器。
22.一种无线机器，其特征在于：使用如权利要求1所述的传输线型谐振器。
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