CN1120543C

CN1120543C - 谐振器和使用谐振器的高频电路元件

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Publication number: CN1120543C
Application number: CN94113515A
Authority: CN
Inventors: 榎原晃; 濑恒谦太郎
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 2003-09-03
Anticipated expiration: 2014-12-27
Also published as: EP0660438A3; EP0660438A2; EP0660438B1; US6239674B1; DE69430615T2; DE69430615D1; CN1119351A; KR950021865A

Abstract

本发明的目的在于提供以小型结构实现导体的电阻损耗小、Q值高的谐振器和使用该谐振器的高性能的高频电路元件。在构成谐振器的椭圆形导体(2)的外周(3)上，在谐振器的谐振模中，取可以使2个互相正交的对称振子振荡模同时激励并且互相处于相邻位置的2个位置作为输入输出耦合点(61、62)，在输入输出耦合点(61、62)，使输入输出端子(71、72)分别与谐振器耦合。

Description

谐振器和使用谐振器的高频电路元件

本发明涉及通信系统等的高频信号处理装置中使用的由以滤波器、分波器等为主的谐振器为基础而构成的高频电路元件。

在高频通信系统中，由以滤波器、分波器等为主的谐振器为基础而构成的高频电路元件是不可缺少的元件。特别是在移动式通信系统中，为了有效地利用频带，要求有窄频带的滤波器。另外，在移动式通信的基台及通信卫星中，迫切希望有窄频带、损失小、小型以及大功率的滤波器。

作为现在使用的谐振滤波器等高频电路元件，主要是使用电介质谐振器的高频电路元件、使传输线结构的高频元件和使用表面弹性波元件的高频电路元件等。其中，使用传输线结构的高频电路元件体积小并且可以适用于微波和毫米波区域的高频区，并且是在基板上形成的2维结构，容易与其他电路及元件进行组合，所以，获得了广泛使用。以往，作为这种类型的谐振器，最普遍的是使用由传输线构成的半波谐振器，并且通过将多个该半波谐振器相互耦合，构成滤波器等高频电路元件(参见“详解例题一演习微波电路”，东京电机大学出版社)。

另外，作为其他现有的例子，有使用平面电路结构的高频电路元件。作为典型例子，有使用圆盘型谐振器并通过在其外周的一部分设置凸起与对称振子振荡模耦合而起滤波器作用的高频电路元件(参见“电子通信学会论文志”72/8Vol.55-B No.8《微波平面电路的解析处理(Analysis of Microwave Planar Circuit)》三好旦六、大越孝敬)。

但是，在半波谐振器等传输线结构的谐振器中，由于导体中的高频电流集中到局部范围，所以，导体的电阻引起的损耗比较大，在谐振器中，Q值降低，构成滤波器时，将招致损耗增大。另外，通常在使用常用的微波传输带线路结构的半波谐振器时，还存在从电路向空间辐射而引起损耗的问题。

另外，在圆盘谐振器上设置凸起的这类平面电路结构的谐振器中，由于电流集中在凸起以及在凸起部分的结构的不连续性成为信号波向空间辐射的原因，所以，在这类谐振器中也会引起Q值降低、从而利用这类谐振器构成滤波器时也会导致损耗增大。

若要使结构小型化以及提高工作频率，则这些影响将更加显著。作为损耗比较小、大功率的谐振器，可以使用电介质谐振器，但是，该谐振器呈立体结构，并且尺寸大，所以，对于高频电路元件的小型化是个问题。

另外，通过使用超导体，也可以减小这些高频电路元件的损耗，但是，在上述先有的结构中，由于电流过度集中而破坏超导性，所以，难以使用大功率的信号。在实际的测量例子中，最大输入功率也约为数十毫瓦(mW)，但尚未达到实用程度。

从以上所述可知，在微波、毫米波等高频区域，为了实现小型、2维结构、与其他电路及元件的匹配性好并且性能高的谐振器、滤波器等高频电路元件，解决传输线结构及平面电路结构的谐振器所存在的这些问题是极其重要的。

本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的问题而提供一种由导体的电阻引起的损耗小、用小型结构实现Q值高的谐振器、以使使用该谐振器的高性能的高频电路元件。

图1是本发明的谐振器的第1个形态的平面图；

图2是使用本发明的谐振器的高频电路元件的第1种结构的第1个形态的平面图；

图3是使用本发明的谐振器的高频电路元件的第1种结构的第2个形态的平面图；

图4是使用本发明的谐振器的高频电路元件的第1种结构的第3个形态的平面图；

图5是使用本发明的谐振器的高频电路元件的第1种结构的第4个形态的平面图；

图6是使用本发明的谐振器的高频电路元件的第1种结构的第5个形态的平面图；

图7是使用本发明的谐振器的高频电路元件的第2种结构的一个形态的平面图；

图8是本发明的谐振器的第2个形态的平面图；

图9是本发明的用于高频电路和元件的第1种结构的谐振器的第3个形态的平面图；

图10是使用本发明的谐振器的高频电路元件的第1种结构的第6个形态的平面图；

图11是使用本发明的谐振器的高频电路元件的第1种结构的第7个形态的平面图；

图12是使用本发明的谐振器的高频电路元件的第1种结构的第8个形态的平面图；

图13是本发明的谐振器的第4个形态的平面图；

图14是本发明的谐振器的第5个形态的剖面图；

图15是本发明的谐振器的第6个形态的剖面图；

图16是本发明的谐振器的第7个形态的剖面图；

图17是本发明的谐振器的第8个形态的剖面图；

图18(a)是使用本发明的谐振器的高频电路元件的第1种结构的第9个形态的平面图，图18(b)是(a)的剖面图；

图19是图18所示的高频电路元件的频率响应测量结果的一个例子的特性曲线图；

图20是在图18所示的高频电路元件中，用高温超导体膜形成导体时插入损耗随输入功率而变化的测量结果的一个例子；

图21是本发明的谐振器的椭圆率与对称振子振荡模的谐振频率的关系曲线图；

图22是在图18所示的高频电路元件中，将用高温超导体膜形成导体的元件装配在He气循环式制冷器的冷却部的状态的剖面图。

为了达到上述目的，本发明的谐振器的第1种结构，由在基板上形成的导体构成，它具有由不发生改变的正交的2个对称振子振荡模。

另外，在上述谐振器的第1种结构中，导体最好具有光滑的轮廓。

本发明的谐振器的结构，由在基板上形成的椭圆形导体构成。

在上述谐振器的第1种结构中，最好具有从微波传输带线路结构、带状线路结构和共面波导结构中选择的结构，这时，最好在导体周围的基板上形成接地电极。

另外，上述谐振器的第1种结构最好由设在互相平行设置的2块接地膜之间的板状导体构成。

在上述谐振器的第1种结构中，最好在导体上设置狭缝，这时，最好还要使狭缝与谐振模的电流方向垂直。

另外，本发明的高频电路元件的第1种结构具有由在基板上形成的导体构成的将不发生改变的2个对称振子振荡模作为谐振模的谐振器，在构成上述谐振器的导体的外周，至少有1个输入端子与上述谐振器耦合。

在上述高频电路元件的第1种结构中，在构成谐振器的导体的外周，从上述谐振器的谐振模中，取只使2个互相正交的对称振子振荡模中的某一个模激励的互不相同的2个位置作为输入输出耦合点1、2，输入输出端子最好分别在上述输入输出耦合点1、2与上述谐振器耦合。

在上述高频电路元件的第1种结构中，在构成谐振器的导体的外周，从上述谐振器的谐振模中，取只使2个相正交的对称振子振荡模中的某一个模激励的互不相同的2个地点作为输入输出耦合点1、2，而取只使另一个模激励的互不相同的2个地点作为输入输出耦合点3、4，输入输出端子最好分别在上述输入输出耦合点1～4与上述谐振器耦合。

另外，在上述高频电路元件的第1种结构中，在构成谐振器的导体的外周，从上述谐振器的谐振模中，取可以使2个互相正交的对称振子振荡模同样激励并且互相处于相位置的2个位置作为输入输出耦合点1、2，输入输出端子最好分别在上述输入输出耦合点1、2与上述谐振器耦合。

在上述高频电路元件的第1种结构中，在构成谐振器的导体的外周，从上述谐振器的谐振膜中，取可以使2个互相正交的对称振子振荡膜同样激励并且互相处于相对的位置的2个位置作业输入输出耦合点1、2，输入输出端子最好分别在上述输入输出耦合点1、2与上述谐振器耦合。

在上述高频电路元件的第1种结构中，在构成谐振器的导体的外周，从上述谐振器的谐振模中取可以使2个互相正交的对称振子振荡模同样激励的位置作为输入输出耦合点1，取只使上述对称振子振荡模中的某一个模激励的作为输入输出耦合点2，只取使另一个模激励的地点作为输入输出耦点3，上述输入输出端子最好分别在上述输入输出耦合点1～3与上述谐振器耦合。

另外，在本发明的高频电路元件的第2种结构中，具有多个由在基板上形成的导体构成的将具有不发生简并的2个正交的对称振子振荡模作为谐振模的谐振器，上述谐振器互相耦合。

在上述高频电路元件的第2种结构中，在构成谐振器的导体的外周，从上述谐振器的谐振模中取可以使2个互相正交的对称振子振荡模同样激励并且互相处于相邻位置的2个位置作为输入输出耦合点1、2，多个上述谐振器通过上述输入输出耦合点1、2互相串联耦合，并且，两个输一出端子最好分别在属于位于上述多个谐振器中两端的谐振器的上述输入输出耦合点中未与相邻的谐振器耦合的耦合点与位于上述两端的谐振器耦合。

另外，在上述高频电中元件的结构中，输入输出端子由传输线构成，上述传输线的一端最好与构成谐振器的导体通过电容耦合或电感耦合。另外，这时，最好通过在传输线与导体的外周之间形成间隙，使传输线进行电容耦合，并且，最好将传输线的前端部分的线路宽度加宽。

在上述谐振器或高频电路元件的结构中，作为导体材料最好使用超导体。

如果采用本发明的谐振器的第1种结构，由于由在基板上形成的导体构成，构成的具有由不发生改变的正交的2个对称振子振荡模构成的谐振模，所以，通过过分别利用两个模，可使1个谐振器作为谐振频率不同的2个谐振器而工作，从而可以有效地利用谐振电路的面积，即可以实现谐振器的小型化。

另外，在上述谐振器的第1种结构中，如果使导体具有光滑的轮廓，则由于高频电流过度集中到局部范围内，信号波不会向空间辐射，所以，可以抑制因辐射损耗增大而引起的Q值降低，结果，可以实现高Q值(无负载Q)。此外，由于高频电流均匀地扩展为2维分布，可以抑制功率相同的高频信号产生谐振动作时的最大电流密度，所以，处理大功率的高频信号时，也可以防止由于发热等引起导体材料劣化等造成高频电流过度集中的坏影响，结果，可以处理大功率的高频信号。

在本发明的谐振器的第1种结构中，由于在基板上形成的导体的形状是椭圆形，所以，可以很容易地实现具有将不发生改变的正交的2个对称振子振荡模作为谐振模的谐振器。

在上述谐振器的第1种结构中，如果具有从微波传输带线路结构、带状线路结构和共面波导结构中选择的理想结构，则有如下优点。即，微波传输带线路结构的优点是结构简单、并且与其他电路的匹配性能好；带状线中结构的优点是辐射损耗极小，所以，可以实现损耗小的高频电路元件；另外，共面波导结构的优点是可以将包括接地膜在内的全部结构制造在基板的一侧表面上，所以，可以简化制造过程，同时，对于将难以在基板的两面形成的高温超导薄膜作为导体材料使用时特别有用。这时，如果采用在导体周围的基板上形成接地电极的理想结构，就可以防止一部分电磁波引起泄漏及动作不稳定，所以，有效性高。

另外，在上述谐振器的第1种结构中，如果采用由设在互相平行设置的2块接地膜之间的板状导体构成的这一理想结构，由于导体的周围充满空气(或者真空、或适当的气体)等，所以，呈现被相对介电常数小的材料所包围的状态，结果，谐振器的特性阻抗增大，可以减小流过导体的高频电流，所以，可以减小谐振器的损耗。

在上述谐振器的第1种结构中，如果采用在导体上设置狭缝的这一理想结构，由于通过改变狭缝的方向及长度，可以改变2个谐振模的谐振频率，所以通过在制作好谐振器后重新形成狭缝或者将已形成的狭缝的长度延长，可以微调2个谐振模的谐振频率。这时，如果采用将狭缝与谐振模的电流方向垂直设置的这一理想结构，可以只对各谐振模微调其谐振频率，所以，可以简单地微调2个模间的频率差。

如果采用上述本发明的高频电路元件的第1种结构，则具有由在基板上形成的导体构成的将不发生改变的正交的2个对称振子振荡模作为谐振模的谐振器，在构成上述谐振器的导体的外周，通过使至少1个输入输出端与上述谐振器耦合，即使导体的形状不完整或者输入输出耦合点略微偏离了所希望的位置，由于2个对称振子振荡模的谐振频率不同，两个模间几乎不会发生耦合，结果，谐振特性不会变坏，所以，即使制作精度比较小，也可以实现高Q值和动作的稳定性。

在上述高频电路元件的第1种结构中，在构成谐振器的导体的外周，从上述谐振器的谐振模中取只使2个相互正交的对称振子振荡模中的任意一个模激励的互不相同的2个位置作为输入输出耦合点1、2，输入输出端子分别在上述输入输出耦合点1、2与上述谐振器耦合，如果采用这一理想结构，由于输入输出端子间的穿透特性表示在被激励的模的谐振频率时呈峰值的谐振特性，所以，通过适当地设定上述输入输出耦合点1、2的耦合度，便可将该高频电路元件作为带通滤波器使用。

在上述高频电路元件的第1种结构中，在构成谐振器的导体的外周，从上述谐振器的谐振模中取只使2个互相正交的对称振子振荡模中的任意一个模激励的互不相同的2个作为输入输出耦合点1、2，取只使另一个模激励的互不相同的2个位置作为输入输出耦合点3、4，输入输出端子分别在上述输入输出耦合点1～4与上述谐振器耦合，如果采用这一理想的结构，由于在与上述输入输出耦合点1、2耦合的输入输出端子间可以作为一个模的谐振频率的谐振器独立地动作；在与上述输入输出耦合点3、4耦合的输入输出端子间，可以作为另一个模的谐振频率的谐振器独立地动作，所以，可以有效地利用谐振器的面积，结果，可以实现元件的小型化。

在上述高频电路元件的第1种结构中，在构成谐振器的导体的外周，从上述谐振器的谐振模A、B中取可以使2个互相正交的对称振子振荡模(谐振频率f_A、f_B)同样激励并且互相处于相邻位置的2个位置作为输入输出耦合点1、2，输入输出端子分别在上述输入输出耦合点1、2与上述谐振器耦合，如果采用这样的理想结构，由于输入输出端子间的输入输出特性，和具有不同的谐振频率f_A、f_B的2个谐振器并联时的特性相同，所以，通过适当地设定输入输出耦合度，便可作为带宽为[f_A-f_B]的2级带通滤波器而动作。并且，由于该2级带通滤波器利用只使输入输出端子与1个导体耦合的简单结构便可实现，所以，也可以实现元件的小型化。

在上述高频电路元件的第1种结构中，在构成谐振器的导体的外周，从上述谐振器的谐振模A，B中取可以使2个互相正交的对称振子振荡模(谐振频率f_A、f_B)同样激励并且互相处于相对的位置的2个位置作为输入输出耦合点1、2，输入输出端子分别在上述输入输出耦合点1、2与上述谐振器耦合，如果采用这样的理想结构，由于与使2个谐振器间的位相反转后并联的情况相同，所以，可以实现具有2个谐振器的输出相互干涉且在频率为f_A、f_B时穿透率达到最大、在频率为(f_A+f_B)/2时穿透率为最小值的滤波特性的高频电路元件。

在上述高频电路元件的第1种结构中，在构成谐振器的导体的外周，从上述谐振器的谐振模A、B中取可以使2个互相正交的对称振子振荡模(谐振频率f_A、f_B)同样激励的位置作为输入输出耦合点1，取只使上述对称振子振荡模的某一个模A(谐振频率f_A)激励的位置作为输入输出耦合点2，取只使另一个模B(谐振频率f_B)激励的位置作为输入输出耦合点3，上述输入输出端子分别在上述输入输出耦合点1～3与上述谐振器耦合，如果采用这样的理想结构，向在上述输入输出耦合点1与上述谐振器耦合的输入输出端子输入高频信号时，上述高频信号中频率f_A附近的频率成分与模A耦合，频率f_B附近的频率成分与模B耦合。并且，与模A耦合的频率成分仅向在上述输入输出耦合点2与上述谐振器耦合的输入输出端子输出，与模B耦合的频率成分只向在上述输入输出耦合点3与上述谐振器耦合的输入输出端子输出。因此，该高频电路元件可以作为将输入信号的频率成分分离的分波器而工作。由于该分波器可以利用仅由1个导体构成的谐振器实现，所以，也可以实现元件的小型化。另外，如果将在上述输入输出耦合点2与上述谐振器耦合的输入输出端子和在上述输入输出耦合点3与上述谐振器耦合的输入输出端子用于信号输入，将在上述输入输出耦合点1与上述谐振器耦合的输入输出端子用于信号输出，还可以作合波器而工作。

另外，如果采用本发明的高频电路元件的第2种结构，则具有权利要求1～8中的任意一项所述的多个谐振器，通过使上述谐振器互相耦合，在通带与阻边界可以得到插入损耗的急剧变化。

在上述高频电路元件的第2种结构中，在构成谐振器的导体的外周，从上述谐振器的谐振中取可以使2个互相正交的对称振子振荡模同样激励并且互相处于相邻位置的2个位置作为输入输出耦合点1、2，多个上述谐振器通过上述输入输出耦合点1、2互相串联耦合，并且，2个输入输出端子分别在属于上述多个谐振器中位于两端的谐振器的上述输入输出耦合点中不与相邻的谐振器耦合的耦合点与位于上述两端的谐振器耦合，如果采用这样的理想结构，通过适当地设定各耦合点的耦合度及各导体的2个对称振子振荡模的谐振频率，与1级和2级带通滤波器的情况相比，可以实现具有更急剧的穿透特性的带通滤波器，所以，与先有的带通滤波器相比，对于增加级数的带通滤波器也可以实现小型化。

在上述高频电路元件的结构中，输入输出端子由传输线构成，上述传输线的一端与构成谐振器的导体进行电容耦合或电感耦合，如果采用这样的理想结构，有如下优点。即，由于电容耦合可以实现大的外部Q值，所以，容易与谐振器的Q值(空载Q值)大的情况相匹配。另外，由于电感耦合可以实现小的外部Q值，所以，容易与谐振器的Q值(空载Q)小的情况相匹配。另外，这时，传输线的前端部分与构成谐振器的导体的外周通过二者之间的间隙进行电容耦合，如果采用这样的理想结构，不必使用电容器等电容性的独立元件，所以，可以简化高频电路元件的结构。这时，还可以将传输线的前端部分的线宽度加宽，如果采用这样的理想结构，即使需要大的输入输出耦合度时，也不必减小间隙的宽度，所以，可以解决制作精度和使用大功率时发生放电等问题。

如果采用本发明的谐振器，可以抑制使最大电流密度减小，所以，在上述谐振器的结构中如果采用使用超导体作为导体材料的理想结构，与先有结构的谐振器相比，由于可以处理大功率的高频信号，所以，对于大功率的高频信号也可以实现具有高Q值的谐振器。

另外，在上述高频电路元件的结构中，如果采用使用超导体作为导体材料的理想结构，则对于大功率的高频信号也可能实现具有优异特性的高频电路元件。

下面，利用实施例进理步具体地说明本发明。

实施例1：

图1是本发明的谐振器的一个实施例的平面图。如图1所示，在由电介质单晶体等构成的基板1上，利用例如真空镀膜和腐蚀等方法形成由金属膜构成的椭圆形的导体2。另外，根据需要，还在基板1的反面形成接地膜13(参见图14)。

在这样的结构中，如果利用适当的方法使高频信号与导体2耦合，便可使之发生谐振动作，从而可以作为谐振器而动作。在图1中，用箭头大致表示出了谐振频率最低的2个模(这里称为模A和模B，设它们的谐振频率分别为f_A和f_B)的高频电流的流动方向。通过计算可以在某种程度上预测这两个模的电磁场以及与其相应的电位分布。如图1中箭头所示，这两个模A、B的电流的流动方向指向椭圆的2个正交的轴向。这样的模，在通常的圆盘型谐振器中，称为“对称振子振荡模”，这里也采用同样的名称，由于这两个对称振子振荡模可以同时独立地存在，所以，也可以认为存在2个谐振器。这里，如果导体2为真正的圆形时，2个对称振子振荡模便处于改变状态，2个模的谐振频率完全相等。但是，在图1所示的椭圆形的情况下，两个模不发生改变，模A与模B的谐振频率之间有差别。这两个模的谐振频率可以根据椭圆的长轴和短轴的长度任意设定。并且，通过分别利用这两个模，虽然是1个谐振器，却可作为谐振频率不同的2个谐振器而工作，所以，可以有效地利用谐振器电路的面积，即可以实现谐振器的小型化。

图21中，示出了当导体2的面积保持一定时两个模的谐振频率随短轴与长轴之比(短轴长度/长轴长度)的变化而变化的关系曲线，并与圆形的情况(短轴长度/长轴长度＝1)进行比较。在本发明的谐振器中，由于谐振频率有差别，所以，两个对称振子振荡模之间的耦合非常小，除了两个模的谐振频率非常接近的情况(短轴长度/长轴长度≈1)外，可以认为2个谐振模基本上是独立存在的。即，在本发明中，在称为“不发生改变”时就意味着谐振器的形状实际上不是圆形。例如，如本实施例1所示，使用椭圆形的谐振器时，椭圆率最好为0.1～1。

在先有的圆盘形谐振器的情况下，由于高频电流的分布比较均匀地扩展为2维状态，所以，导体损耗小，并且辐射损耗的影响也不大。因此，与同为平面电路结构的其他形状的谐振器以及通常的半波谐振器那样的传输线谐振器相比，具有非常高的Q值(空载Q值)。另一方面，在本发明的谐振器的情况下，如图21所示，为了使模A与模B之间的谐振频率发生10％的差别，所需要的长轴与短轴的长度之差约为10％，所以，除了必须使模间的谐振频率差非常大的情况外，实际上可以预测为具有与圆盘形谐振器的情况基本上相等的电流分布。因此，在本发明的谐振器中，由于高频电流也比较均匀地扩展，并且辐射损耗的影响很小，所以，可以实现非常高的Q值。

另外，在本发明的谐振器中，高频电流扩展为2维分布就意味着可以将利用相同功率的高频信号进行谐振时的最大电流密度抑制在较小的数值。因此，处理大功率的高频信号时，可以防止发热等引起导体材料劣化等以及由此造成高频电流过度集中所产生的坏影响，结果，还可以处理大功率的高频信号。

如果使用超导体作为本发明谐振器的导体2的材料，则效果更佳。通常，如果使用超导体作为谐振器的导体材料，则导体损耗非常小，从而可以大幅度地提高谐振器的Q值。但是，如果使用超导体，当导体中的最大电流密度超过该超导材料所具有的相对于高频电流的临界电流密度值时，超导性将被破坏，从而不能作为谐振器而动作。如前所述，在本发明的谐振器中，由于可以将最大电流密度抑制在较小数值，所以，通过利用超导体构成导体2，与先有结构的谐振器相比，可以处理功率更大的高频信号。结果，对于大功率的高频信号，可以实现具有高Q值的谐振器，所以，有效性非常高。

上述本发明的谐振器的有效性，在下面所述的使用本谐振器的高频电路元件中同样可以发挥其有效性。另外，当谐振器的Q值高时，使用该谐振器构成高频电路元件可以实现低损耗，所以，对于高频电路元件是非常有效的。

实施例2：

图2是使用本发明的谐振器的高频电路元件的。为了实际使用图1中的谐振器，必须利用适当的方法激励所希望的谐振模(对称振子振荡模)，使之发挥所期待的功能。作为激励所希望的模的方法，在导体2的外周部3的适当的地方使输入输出端子与导体2耦合的方法是非常简便的，另外，可以可靠地激励所希望的模，所以，是有效的。这里，取只激励模A、不激励模B的位置为输入输出耦合点61，使输入输出端子71、72与这两个输入输出耦合点61、62耦合。并且，输入输出端子71、72中的一个端子作为高频信号的输入端使用，另一个端子作为输出端使用。输入输出耦合点61、62的位置可以选在椭圆的对称轴与外周部3相交的地方，在各对称振子振荡模中各存在2个地点。但是，当导体2具有任意形状时，为了确定输入输出耦合点61、62的位置，在电容耦合方法(例如，使用电容器等进行连接时)中，可以求模A的电位分布并据此在外周部3上设定在电位为最大(电流为0)的地方。相反，在激励电流的电感耦合方法(例如，使用具有抽头等的电感进行连接时)中，可以求膜A的电位分布，并据此在外周部3上设定在电位为零(电位为最大)的地方。

这样构成时，输入输出端子71、72之间的穿透特性在模A的谐振频率为f_A时呈现出峰值的谐振特性，通过适当地设定输入输出耦合点61、62的耦合度，可以将本高频电路元件作为带通滤波器实际使用。

实施例3：

图3是使用本发明的谐振器的高频电路元件的另一个实施例。除了图2的结构外，还取只使模B激励而模A不激励的位置作为输入输出耦合点63、64，并使输入输出端子73、74分别与这两个输入输出耦合点63、64耦合。如上所述，由于模A与模B不发生改变，所以，几乎不会发生两模间的耦合。因此，在输入输出端子71、72之间可以作为谐振频率为f_A的谐振器独立地动作；在输入输出端子73、74之间可以作为谐振频率为f_B的谐振器独立地动作，所以，本发明的高频电路元件除了具有前面所述的本发明的谐振器的优点外，还可以有效地利用谐振器面积，结果，可以实现元件的小型化。

实施例4：

图4是使用本发明的谐振器的高频电路元件的又一个实施例。在图3的输入输出耦合点61～64中，在相邻的2个输入输出耦合点之间的周边上正中间的位置(例如，输入输出耦合点61与63间的周边上正中间的位置)，模A和模B恰好可以同样激励的位置总共存在4个地方。在图4中的高频电路元件中，在可使这两个模同等激励的外周上的4个点中，取相邻的2个点为输入输出耦合点61、62，并使输入输出端子71、72与这两个输入输出耦合点61、62耦合。这时，由于输入输出端子71、72之间的输入输出特性与谐振效率为f_A和谐振频率为f_B的2个谐振器并联时的特性相同，所以，通过适当地设定输入输出耦合度，便可作为带宽为|f_A-f_B|的2级带通滤波器而动作。通常使用的2级带通滤波器是将2个半波传输线谐振器耦合而构成的，与此相反，本发明的高频电路元件，利用仅将输入输出端子71、72与1个椭圆型导体2耦合的简单而小型的结构便可实现。另外，由于本发明的谐振器与通常的半波传输线型谐振器相比，具有高Q值，所以，不仅可以实现滤波器小型化，而且可以实现低损耗化。

实施例5：

图5是使用本发明的谐振器的高频电路元件的又一个实施例。在本结构的高频电路元件中，在可使模A和模B同等激励的导体2的外周部3的4个输入输出耦合点中，取互相处于相对位置的2个点作为输入输出耦合点61、62。在本结构中，在与图4的结构一样，与谐振频率为f_A和谐振频率为f_B的2个谐振器并联时的情况相同，但是，与图4的情况所不同的是将2个谐振器的位相反转后并联的，所以，2个谐振器的输出互相干涉，从而可以实现具有穿透率在频率为f_A、f_B时最大、在频率为(f_A+f_B)/2时为极小值的滤波特性的高频电路元件。

实施例6：

图6是使用本发明的谐振器的高频电路元件的另一个实施例。在图6中，取可以使谐振器的2个对称振子振荡模(模A和模B)同等激励的位置为输入输出耦合点61，取只使模A激励的位置为输入输出耦合点62，取只使模B激励的位置为输入输出耦合点63。并且，使输入输出端子71～73分别与各输入输出耦合点61～63耦合。在本结构中，如果向输入输出端子71输入高频信号，则上述高频信号中频率在f_A附近的频率成分就与模A耦合，频率在f_B附近的频率成分就与模B耦合。并且，与模A耦合的频率成分只向输入输出端子72输出，与模B耦合的频率成分只向输入输出端子73输出。因此，本发明的高频电路元件，具有作为将输入信号的频率成分分离的分波器的功能。另外，如果将输入输出端子72、73用于信号输入，将输入输出端子71用于信号输出，还能具有作为合波器的功能。在先有的分波器中，至少必须使用2个谐振器，但在本发明的高频电路元件中，只用由1个椭圆型导体构成的谐振器便可实现，结果，除了前面所述的本发明的谐振器所具有的优点外，还可以实现装置的小型化。

实施例7

在上述实施例2～6中，说明了使用由单一的椭圆型导体构成的谐振器构成高频电路元件情况，但是，通过将多个谐振器组合也可以构成新的高频电路元件。前面讲过，图4中的高频电路元件可以作为2级带通滤波器而动作，但是，当在通带与阻带的边界要求插入损耗更急剧地变化时，就必须增加滤波器的级数。

图7是使用由多个椭圆型导体构成的谐振器的2级以上的带通滤波器的一个实施例。这里，使用3个导体21～23构成6级带通滤波器。在图7所示的导体21～23中，在可以使2个对称振子振荡模同等激励的外周上的4个位置中，取相邻的2个位置为耦合点81～86。并且，在两端的导体21、23中，使输入输出端子71、72分别与耦合点81、86耦合。另外，导体21、23通过耦合点82-85与导体22耦合。在本结构中，只要适当地设定耦合点81～86的耦合度和导体21～23的2个对称振子振荡模的谐振频率(f_A、f_B)，与1级和2级的带通滤波器的情况相比，可以构成具有更急剧的穿透特性的带通滤波器。

在本实施例7中，以6级带通滤波器为例进行了说明，但是，不一定限于6级，还可以增加级数。通常，使用n个谐振器时，可以构成2n级的带通滤波器。因此，如果采用本发明的高频电路元件的结构，与先有的带通滤波器相比，即使增加级数的带通滤波器，也可以实现小型化。

实施例8：

图8是本发明的谐振器的另一个实施例。如图8所示，在导体2上，在其中央部分设有狭缝15。这时，导体2同样也可以作为谐振器而动作。并且，通过改变狭缝15的方向及长度，便可改变2个谐振模的谐振频率。因此，通过在制作好谐振器后重新形成狭缝15或者将已形成的狭缝15的长度延长，可以对2个谐振模的谐振频率进行微调。当狭缝15的方向与一个谐振模的电流方向一致时(在图8中为模A)，由于狭缝15的存在对模的电流分布没有影响，所以，对谐振频率也几乎没有影响，由于狭缝15对另一个模(图8中为模B)的电流分布影响很大，所以，谐振频率也发生变化。实际上，如果使狭缝15的长度增长，则谐振频率向减小的方向变化。因此，通过将狭缝15制作在与某一个模的电流方向垂直的方向，便可只对该模微调其谐振频率，从而可以很容易地进行2个模间的频率差的微调等。另外，如果使2个狭缝分别与2个模的电流方向垂直形成，则可分别微调2个模。通常，在圆盘型谐振器中，为了改变谐振频率，必须改变圆盘的半径，在制作好谐振器后，要微调谐振频率是非常困难的。但是，如果采用本发明的结构，在制作如谐振器后通过形成适当的长度和方向的狭缝，便可分别单独微调2个谐振模的谐振频率，所以，在实用上是有用的。

实施例9：

当谐振器具有微波传输带线路结构或带状线路结构时，如图9所示，可以在构成谐振器的导体2的周围形成接地电极16后使用。如果采用这样的结构，可以防止一部分电磁波泄漏以及动作不稳定，所以，有效性高。特别是当导体2的材料使用超导体等损耗小的材料时，非常微小的泄漏的影响常常会对特性有很大影响，所以，这时本结构的有效性特别大。在本结构中，进行输入输出时，可以在接地电极16上局部地形成切口，将输入输出端子向导体2导引(参见图18(a))。

实施例10：

作为使输入输出端子与构成谐振器的导体耦合的方法，使用电容耦合或电感耦合这两种方法中的任何一种方法都是有效的。图10中示出了使用电容耦合时的一个实施例。这时，在导体与输入输出端子71、72之间形成间隙，利用该间隙10的电容实现电容耦合。由于这种电容耦合可以实现大的外部Q值，所以，容易与谐振器的Q值(空载Q值)大的情况匹配，并且是有效的。另外，除了利用这种间隙进行耦合外，使用单独的电容元件(电容器等)将输入输出端子71、72与导体2的外周部3串联，也可以实现电容耦合。图11是利用电感耦合时的一个实施例。这时，利用抽头11部分的电感实现电感耦合。由于这种电感耦合可以实现小的外部Q值，所以，谐振器的Q值(空载Q值)小时容易匹配，并且是有效的。另外，除了利用这种抽头11进行耦合外，使用单独的电感元件(线圈等)或适当长度的细导线将输入输出端子71、72与导体2的外周部3串联，也可以实现电感耦合。

实施例11：

在图10中，当需要大的输入输出耦合度时，可以减小间隙10的宽度，但是，由于制作精度以及使用大功率时的放电等问题，有一定限度。这时，如图12所示，通过采用在耦合部分将输入输出端子71、72即传输线的前端17展宽的结构，即使需要大的输入输出耦合度，也不必减小间隙10的宽度，所以，可以解决上述问题。

实施例12：

在上述实施例1～11中，以使用由椭圆型导体构成的谐振器的情况为例进行了说明，但是，随着用途的不同，不一定必须使用椭圆型导体，即使是由图13所示的任意形状的导体12构成的平面电路谐振器，只要作为谐振模具有不发生简并的2个正交的对称振子振荡模，基本上就可以进行同样的动作。但是，当导体12的轮廓不光滑时，高频电流将局部地过度集中，由于损耗增大而引起Q值降低，或者当输入大功率的高频信号时有可能发生问题。因此，使用椭圆形以外的形状时，通过利用具有光滑的轮廓的导体12构成谐振器可能进一步提高有效性。

实施例13：

在本发明的谐振器和高频电路元件中，作为包括谐振器的接地膜的结构，使用图14、图15、图16所示的微波传车带线路结构、带状线路结构、共面波导结构中的任何一种结构，都能具有同样优异的特征。其中，微波传输带线路结构(图14)虽然伴随辐射的损失比较大，但是，由于结构简单而获得了最广泛的应用，与其他电路的匹配性好；带状线路结构(图15)虽然结构复杂，但是，由于辐射损耗极小，所以，可以实现损耗小的高频电路元件；共面波导结构(图16)由于可将包括接地膜13在内的全部结构制作在基板的一侧表面上，所以，可以简化制作过程，这对于使用难以在基板两面形成的高温超导薄膜作为导体材料时特别有用。

另外，作为本发明的谐振器和高频电路元件，如图17所示，也可以采用将导体2配置在2个相对的导体膜14、14之间的结构。这种结构与图15的带状线路结构近似，但是，不存在图15中的基板1，成为导体2悬浮在空间的结构。这时，由于在导体2的周围充满空气(或者真空、或适当的气体)等，所以，成为由相对介电常数小的材料所包围的状态。因此，谐振器的特性阻抗上升，从而可以减小流过导体2的高频电流，所以，谐振器的损耗减小。因此，为了实现高Q值，这是最理想的结构。另外，为了将导体2固定在导体膜14、14之间，利用聚四氟乙烯等介电常数小的材料进行固定的方法是有效的。

在此前说明的本发明的高频电路元件中，作为导体材料假定是金属薄膜，但是，不一定限于金属薄膜，例如，也可以使用超导体薄膜。由于超导体的损耗远远小于金属，所以，可以构成Q值非常大的谐振器，在本发明的高频电路元件中，利用超导体也是有效的。但是，在超导体中，不能通过超过临界电流密度的超导电流。这在处理大功率的高频信号时成为问题。在本发明的高频电路元件中，由于使用由椭圆形导体构成的谐振器，由于高频电流的分布扩展为2维并且比较均匀，所以处理相同功率的高频信号时的最大电流密度小于例如半波传输线谐振器等的最大电流密度。因此，利用具有相同临界电流密度的超导体构成谐振器时，在本发明的谐振器中，可以处理更大功率的高频信号。因此，在本发明的高频电路元件中，通过将超导体用于该导体部分，对于大功率的高频信号，也可以实现具有优异特性的高频电路元件。

具体的实施例：

下面，以具体的实施例进一步详细地说明本发明。

图18是用本实施例制作的高频电路和元件(滤波器)的结构。所希望的特性设计为中心频率为5GHz，带宽约为2％，制作方法如下：首先，在由尺寸为12mm×12mm、厚度为0.5mm的铝酸镧(LaAlO₃)单晶构成的基板1的两面上利用真空镀膜法镀上厚度为10nm的钛膜和厚度为1μm的金膜，形成2层结构的导体膜。这里，钛膜是为了提高金膜与基板之间的附着性能。然后，利用光刻法和氩离子束蚀刻加工的方法，将一个面上的导体膜形成椭圆型导体2、输入输出端子71、72和接地电极16等图形。将基板1的反面的导体膜直接用作接地膜13。椭圆形导体2的长轴为7mm，短轴为6.86mm，输入输出端子71、72的线路宽度为0.15mm。另外，在输入输出端子71、72的前端部17，将线路宽度扩展到1.22mm，与导体2之间相隔20μm的间隔，进行电容耦合。另外，在接地电极16与导体2及输入输出端子71、72之间相隔约1mm的间隔。为了测量微波特性，使用HP-85 10B网络分析器(休利特-帕卡德公司制造)。图19示出了按上述方法制作的滤波器的频率响应特性。由图19可知，该滤波器具有2级带通滤波器的特性，确认了本发明的有效性。

另外，还利用铝酸镧基板上的TIBaCaCuO超导体膜(厚度为0.7μm)形成了同样图形的滤波器(参见图18)。基板反面的接地膜是按顺序镀上的厚度为10nm的钛膜和1μm的金膜而形成的2层结构的导体膜。测定微波特性时，如图22所示，将制作的滤波器芯片100固定在黄铜制的夹具101上，然后将其装到He气循环式制冷器102的冷却部，进行温度控制。在图22中，103是冷却头，104是窗用钢化玻璃，105、106是高频接头，107是高频电缆。为了测量微波特性，和上述一样，使用HP-8510B网络分析器(休利特-帕卡德公司制造)。在图20中，示出了按上述方法制作的滤波器的温度为20K时的插入损耗与输入功率的关系。由图20可知，插入损耗约为0.4dB，可以确认对应于41.8dBm(约15W)的输入功率，插入损耗也不变。以往，使用高温超导体膜的高频滤波器对应于大于数mW～数十mW的高频信号功率，将失去超导性，从而不能作为滤波器而动作，所以，由此可知本发明的高频电路元件(滤波器)具有可以抑制信号电流集中从而可以耐大输入功率的结构。

对本发明进行了上述说明，但是，厂家在不超出本发明的权利要求的范围内可以进行变更或修改。

如上所述，如果采用本发明的谐振器，由于高频电流均匀地扩展为2维分布，并且辐射损耗的影响也很小，所以，可以实现高Q值(空载Q值)。另外，由于高频电流扩展地分布，所以，可以处理大功率的高频信号，特别是使用超导体作为导体材料时，对于大功率高频信号也可以实现高Q值，所以，其效果很大。还有，通过利用2个对称振子振荡模，虽然是1个谐振器，却可作为谐振频率不同的2个谐振器使用，所以，可以有效地利用谐振电路的面积，即，可以实现谐振器的小型化。

另外，如果采用使用本发明的谐振器的高频电路元件，即使导体的形状不完整，或者输入输出耦合点略微偏离所希望的位置，由于2个对称振子振荡模的谐振频率不同，所以，几乎不会发生两个模间的耦合，结果，谐振特性不会变坏，所以，即使制作精度差一点，也可以实现高Q值和动作的稳定性。

Claims

1.一种高频电路元件，包括一个谐振器和至少一个用于信号输入的端子(71)和至少一个用于信号输出的端子(72)，它们在所述导体的外周与谐振器耦合，所述谐振器包括一个形成在一个基板上的椭圆形导体，并具有两个正交对称振子振荡模。

2.根据权利要求1所述的高频电路元件，其中在所述导体的外周两个对称振子振荡模中只有一个被激励的两个点是输入、输出耦合点1、2，并且端子分别在所述输入、输出耦合点1、2与所述振荡器耦合。

3.根据权利要求1的高频电路元件，其中两个对称振子振荡模中只有一个被激励的两个点是输入、输出耦合点1、2，两个对称振子振荡模中只有另一个被激励的另外两个不同的点是所述导体外周的输入、输出耦合点3、4，并且端子分别在所述输入、输出耦合点1-4与所述振荡器耦合。

4.根据权利要求1的高频电路元件，其中两个对称振子振荡模被同等激励、并位于所述导体外周的相邻处的两个点是输入、输出耦合点1、2，并且所述端子分别在所述输入、输出耦合点1、2与所述振荡器耦合。

5.根据权利要求1的高频电路元件，其中两个对称振子振荡模被同等激励、并位于所述导体外周的对面位置的两个点是输入、输出耦合点1、2，并且所述端子分别在所述输入、输出耦合点1、2与所述振荡器耦合。

6.根据权利要求1的高频电路元件，其中两个对称振子振荡模被同等激励的一个点是输入、输出耦合点1，只有一个对称振子振荡模被激励的一个点是输入、输出耦合点2，只有另一个对称振子振荡模被激励的一个点是输入、输出耦合点3，端子(71，72)分别在所述输入、输出耦合点1-3与所述振荡器耦合。

7.一种高频电路元件，包括多个谐振器，每个所述谐振器具有一个形成在一个基板上的椭圆形导体和两个正交对称振子振荡模，所述谐振器相互耦合。

8.根据权利要求7的高频电路元件，其中两个对称振子振荡模被同等激励、并位于相邻处的两个点是输入、输出耦合点1、2，并且所述多个谐振器在所述输入、输出耦合点1、2之间串联排列。

9.根据权利要求1或7的高频电路元件，其中端子包括具有两个端部的传输线，每根传输线的一端通过电容耦合或电感耦合与包括谐振器的所述导体耦合。

10.根据权利要求9的高频电路元件，其中所述传输线的所述端部通过在所述传输线的所述端部与所述包括谐振器的导体外周之间形成间隙与电容耦合。

11.根据权利要求10的高频电路元件，其中所述传输线的所述端部中的一个被加宽。

12.根据权利要求1或7的高频电路元件，其中采用超导体作为导体材料。

13.根据权利要求1或7的高频电路元件，其中所述振荡器还包括配置在所述基板上沿着所述导体(2)的外周的一个接地电极(16)。

14.根据权利要求1或7的高频电路元件，其中所述导体是一块板，并且所述导体配置在两个平行的接地平面之间。

15.根据权利要求1或7的高频电路元件，其中所述导体具有一个狭缝(15)。

16.根据权利要求1或7的高频电路元件，其中所述狭缝(15)与电流方向垂直。