CN1132262C - 谐振器、滤波器、双工器以及通信设备 - Google Patents

Abstract

一种谐振器，提供了良好的损耗特性，它有效地抑制了由于边缘效应引起的功率损耗。此外，形成了引入这种谐振器的滤波器、双工器以及通信设备。在这种谐振器中，在介质基片的表面上以这样的方式设置多条螺旋线，使这些线条的两端在与围绕基片上中心点的周边上取齐，使这些线条彼此不相交。有了这种结构，螺旋线条的边缘部分基本上被消除了，这样，可以有效地抑制由于边缘效应引起的功率损耗。

Description

谐振器、滤波器、双工器以及通信设备

技术领域

本发明涉及谐振器，尤其涉及集合了多条螺旋线条形成的谐振器，在微波或毫米波频带通信中使用。此外，本发明还涉及引入了这种谐振器的滤波器、双工器和通信设备。

背景技术

作为用于微波频带和毫米波频带的谐振器的例子，已知有日本未审专利公开62-193302中描述的发夹式谐振器(hairpin resonator)。这种发夹式谐振器的大小可以减小到比直线谐振器小得多。

此外，作为能制作紧致的另一种类型谐振器，已知在日本未审专利公开2-96402中描述的螺旋谐振器。在这种螺旋谐振器中，由于谐振器线被制成螺旋形，所以较长的谐振线可以分布在较小的区域中，且设置了谐振电容器，可以进一步减小谐振器的大小。

在传统的谐振器中，由于一个谐振器是由一条半波长线形成的，所以，电能集聚的区域和磁能集聚的区域分别分布在介质基片的每个指定区域上。更具体地说，电能存放在接近半波长线的开放端部分，磁能存放在接近其中心部分。

在这样一种谐振器中，必须会发生由于微带线固有的边缘效应引起的特性减弱。换句话说，电流集中在接近线条的外表面上。在这种情况下，由于电流集中发生在线条的外表面的某一深度，因此，即使增加线条的厚度，由于边缘效应引起的特性减弱问题仍未得到解决。

发明内容

因此，为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种谐振器，它有效地抑制了由于线条边缘效应引起的功率损耗。此外，本发明的另一个目的在于提供引入了这种谐振器的滤波器、双工器以及通信设备。

根据本发明的一个方面，提供一种谐振器，包括基片；以及多条螺旋线组，多条螺旋线的端头基本上分布在基片上的特定点周围的螺旋线组的内缘和外缘，以使每条螺旋线彼此不相交。

根据本发明的另一个方面，提供一种谐振器，包括基片以及多条螺旋线组，每条线条相对于某一螺旋线旋转对称设置。对于这种结构，当每条线条以线条组的半径矢量(半径)方向剖面观看时，在螺旋线的右侧和左侧，幅度和相位基本上相同的电流流过的线路以均匀的距离分布，这样，可以有效地抑制边缘效应。

根据本发明的另一个方面，提供一种谐振器，包括基片和其上的多条线条组，每条线条以极坐标表示，由单调增加或减少的线来指示，极坐标有一条表示角度的轴和另一条表示半径矢量的轴。每条线以这样的方式分布在基片上，以使线的宽度在小于通过把2π弧度除以线条数获得的值的角度宽度内，并且，整个线条组的宽度在任意半径矢量上都保持在2π弧度的角度宽度内。

例如，如图2所示，当线条的位置用极坐标表示时，任意半径矢量上的线条的左端角度为θ₁，在任意半径矢量上的其右端的角度为θ₂，线条的角宽度用Δθ＝θ₂-θ₁来表示。在这种情况下，当线条数被设置为n时，线条的角宽度Δθ满足Δθ＜2π/n。此外，整个线条组在任意半径矢量r_k上的角宽度θ_w被设置成2π或更小。

对于这种结构，形状与指定螺旋线相同的螺旋线被相邻地设置。因此，显微条件下观看到的线条的物理边缘是实际存在的，在每条线条边缘上产生微弱的边缘效应。然而，当多条线条组在显微条件下被看作是单条线时，这样说，在某条线条的右侧，相邻的是一条形状与某一条线条相同的另一条线条的左侧边缘。因此，在线条宽度方向上线条的边缘消失了；换句话说，线条边缘的存在变得模糊了。

因此，由于在线条边缘上的电流集中在很大程度上被减弱了，因此，可以抑制整体的功率损耗。

而且，在上述的谐振器之一中，连接到线条的内端部分上的电极可以设置在多条线条组的中央。对于这种结构，作为其内边缘端的线条的内端部分由电极一起连接到指定的相同电位上。因此，线条的内端部分的边界条件完全一致，线条以所要的谐振模式稳定地谐振，同时抑制了伪模式。

而且，在本发明的谐振器中，相邻线条的等电位部分可以通过导电部件相互连接。这种结构可以使谐振器的操作稳定，而不会对谐振模式产生任何影响。

而且，在本发明的谐振器中，可以把多条线条的每条线条的一端部分或两端部分都接地到接地电极上。

在这种状态下，当每线条中仅一端接地时，谐振器形成为1/4波长的谐振器。因此，可以缩短线条长度来获得所要的谐振频率，这样可以减小谐振器的整体大小。此外，当把每条线条的两端都接地时，接地部分上的电场分量为零，其结果是可以获得良好的屏敝特性。

而且，在根据本发明的谐振器中，多条线条中的每条线条可以由折叠线形成。对于这种结构，可以利用适于膜形成和微处理的这种简单结构形成线条。

而且，在根据本发明的谐振器中，多条线条的宽度和相邻线条之间的距离可以基本上等于线条一端部分至其另一端部分。对于这种结构，使用在谐振器中的线条是具有相等宽度的螺旋线，而且，螺旋线可以在最接近的条件下，设置在靠近谐振器的中心部分，这样，可以使谐振器占用的面积最小。

而且，在根据本发明的谐振器中，多条线条的每线条的宽度可以几乎等于或窄于线条导电材料的趋肤深度。对于这种结构，该宽度变成电流流动的距离，以维持通过两侧上的线条干扰左侧和右侧上的空间的磁通，因此，可以抑制相位与谐振相位偏离的反抗电流。因而，这可以在本质上减少功率损耗。

而且，在根据本发明的谐振器中，多条线条中的每条线条可以是通过层叠薄膜介质层和薄膜导电层来形成薄膜多层电极。对于这种结构，可以减轻在膜厚度方向上基片接口的趋肤效应，进一步减小导体损耗。

而且，在根据本发明的谐振器中，可以把介质材料填充到多条线条的相邻线条之间的空间中。这可以防止这些线条之间短路，而且，当线条是上述薄膜多层电极时，可以有效地防止层间的短路。

而且，在根据本发明的谐振器中，多条线条中的至少一条线条可以用超导材料形成。由于本发明的谐振器具有这样的结构，基本上不会发生由于边缘效应引起的较大的电流集中，因此，可以充分地利用超导材料的减小损耗的特性，以使谐振器在等于或低于临界电流密度的程度上高Q值地工作。

而且，在根据本发明的谐振器中，多条线条可以设置在基片的两个表面上，而且基片边缘可以用导电腔屏敝。对于这种结构，可以满意地保持谐振电磁场的对称特性，从而可以获得较低的损耗特性。

根据本发明的另一个方面，提供一种包括上述谐振器之一的滤波器，在其中形成信号输入/输出单元。这可以得到紧致的减少了插入损耗的滤波器。

根据本发明的另一个方面，提供一种包括上述用作发送滤波器或接收滤波器之一或者两种滤波器的双工器。它提供了低插入损耗的紧致的双工器。

根据本发明的另一个方面，提供一种通信设备，它包括上述的滤波器或双工器之一。这种结构可以使RF发送/接收单元中的插入损耗减少，因此，通信质量，诸如噪声特性和传送速度可以得到改善。

附图说明

图1A到1D是根据本发明的第一实施例的谐振器结构的示图，其中图1A是谐振器的俯视图，图1B是其截面图，图1C是只描述了图1A所示的八条线条之一的示图，图1D是部分放大的截面图；

图2是线条的示图，其中线条的图案通过从极坐标到直角坐标的变化；

图3A、3B和3C是谐振器的电磁场分布的例子的示图，其中图3A是多螺旋图案的平面图，该图案通过加黑线条的整个区域指出，而不个别地指出它们；图3B示出了当在线条的内部周边和外部周边处的加电最大时，通过螺旋图案的线A-A切割的截面的电场分布和磁场分布；图3C指出如图3B所示的每一个线条在同样的截面中在同样的时间的电流强度，以及通过线条之间的空间的磁场的Z分量的平均值，即，沿着垂直于附图表面的方向；

图4A到4C是说明另一个谐振器的电磁场分布的例子；

图5是由线电流源进行的磁场分布的分析模型；

图6A和6B示出说明在两个分析模型中的磁场密度分布；

图7A和7B示出说明在模型中磁场幅度的X分量的分布；

图8A和8B示出模型中磁场幅度的Y分量的分布；

图9是磁场的Y分量的强度对于X方向的位置的示图；

图10是相邻的线条之间的电流的相位差与能量加载有效面积之间的关系；

图11A到11C示出根据本发明的第二实施例的谐振器的结构的示图，其中

图11A是谐振器的平面图，图11B是其截面图，图11C是其部分放大的截面图；

图12A到12C示出根据本发明的第三实施例的谐振器的结构的示图，其中，

图12A是谐振器的平面图，图12B是其截面图，图12C是部分放大的截面图；

图13A到13C示出根据本发明的第四实施例的结构的示图，其中图13A是谐振器的平面图，图13B是其截面图，图13C是部分放大的截面图；

图14是示出根据本发明的第五实施例的谐振器的结构的示图；

图15是描述谐振器的线条图案的推导的参考图；

图16是示出根据本发明的第六实施例的线条图案的例子的示图；

图17A到17E是示出根据第六实施例的谐振器的线条图案的其它例子的说明；

图18是示出线条的数量Q₀和f₀之间的关系的曲线图；

图19A到19C示出说明根据本发明的第七实施例的谐振器的结构的示图，其中图19A是示出形成在基片上图案的俯视图，图19B是整个谐振器的截面图，

图19C是部分放大的示图；

图20是根据本发明的第八实施例的谐振器的线条的放大的截面图；

图21是根据本发明的第九实施例的谐振器的线条的放大的截面图；

图22是根据本发明的第九实施例的另一个谐振器的线条的放大的截面图；

图23是根据本发明的第十实施例的谐振器的线条的放大的截面图；

图24是根据本发明的第十一实施例的谐振器的结构的示图；

图25A到25E示出说明根据本发明的第十一实施例的其它谐振器的结构的示图，其中图25A是设置在多螺旋图案的外部周边的等电位连接线条的例子，它作为电压波腹，图25B是设置在其内部周边的等电位连接的例子，它作为电压波腹；图25C是设置在其内部周边和外部周边的等电位连接线条的例子；图25D是设置在其某一个位置的等电位连接线条的例子，它作为波节电压；而图25E是设置在电压波节的某一位置处其作为电压波腹的内部周边和外部周边的等电位连接线条的例子；

图26A和26B示出说明根据本发明的第十二实施例的谐振器的更高的模式的例子的示图；

图27A和27B示出根据本发明的第十三实施例的滤波器的结构的示图，其中图27A是介质基片的俯视图，其上形成有多螺旋图案，图27B是整个滤波器的前视图；

图28是示出根据本发明的第十四实施例的双工器的结构的示图；

图29是双工器的方框图；

图30是示出根据本发明的第十五实施例的通信装置的结构的方框图；

图31A到31C是说明根据本发明的第十六实施例的谐振器的结构的示图，其中图31A是谐振器的平面图，图31B是其截面图，图31C是其部分放大的截面图；

图32A到32C是根据本发明的第十七实施例的谐振器的结构的示图，其中图32是谐振器的平面图，图32B是其截面图，图32C是部分放大的截面图；

图33A到33C示出说明根据本发明的第十八实施例的谐振器的结构的示图，其中，图33A是谐振器的平面图，图33B是其截面图，图33C是部分放大的截面图；

图34A到34C示出了根据本发明的第十九实施例的谐振器的结构，其中图34A是谐振器的平面图，图34B是其截面图，图34C是部分放大的截面图，及

图35A和35B是说明根据本发明的第十二实施例的滤波器的结构。

具体实施方式

参照附图，将给出根据本发明的谐振器、滤波器、双工器和通信装置的实施例的描述。

原理和第一实施例：图1到10

在介质基片1的整个下表面上形成接地电极3。在介质基片1的上表面上如此设置具有相同形状的八根螺旋线2(其中螺旋线的两端断开)，即螺旋线不相互交叉。在没有螺旋线的区域周围设置每一个螺旋线的一端，它等效于图1A中所示的螺旋的中心，作为基片1的中心部分。为了简化说明，在图1C中只示出了一个螺旋线。较好地，螺旋线的宽度大致上等于螺旋线的导电材料的趋肤深度。

图2是曲线图，其中图1中所示的八个螺旋线的形状由极坐标指出。在这种情况下，八个螺旋线中的每一个螺旋线的内部周边端的径向矢量r₁和外部周边端的径向矢量r₂固定，螺旋线的端部的角度方向上的位置设置得均匀间隔。如上所述，当每一个螺旋线在任意径向矢量的左端的角度为θ₁，而它的右端的角度为θ₂，由等式Δθ＝θ₂-θ₁表示。在这种情况下，由于符号n指出的螺旋线的数量为8，则螺旋线中的一个螺旋线的角宽度Δθ满足Δθ＜2π/8(＝π/4)弧度。另外，螺旋线的整个组在任意的径向矢量r_k处的角宽度θ_w设置为小于或等于2π弧度。

将这些螺旋线通过互感和电容耦合，以用作单个谐振器，它是谐振线。

不必固定径向矢量r₁和r₂，它们不需要设置得角度均匀。另外，螺旋线的形状不必相同。但是，如下面将描述的，对于特性和易于生产方面，较好地是固定径向矢量r₁和r₂，并以均匀的角度设置具有相同形状的螺旋线。

图3A到3C示出在一组多个螺旋线中的电磁场和电流的分布的例子，其中这被称为“多螺旋图案”。

每一个螺旋线在其边缘具有更大的电流。当在水平剖面示图中沿螺旋线径向矢量方向看时，由于另一个具有相同的幅值和相位的电流所通过的线条以固定的间隔设置在螺旋线的右侧和左侧，可以缓和螺旋线的边缘效应。换句话说，当将多螺旋图案看作单个螺旋线时，单个螺旋线的内部周边和外部周边等于电流分布的节点，其中心等于电流分布的波腹，其中，以正弦波的形式分布电流。结果，宏现地不发生边缘效应。

图4是用于比较的例子，其中图3所示的每一个螺旋线的宽度增加到螺旋线的趋肤深度的两倍或三倍的宽度。当螺旋线的宽度如上所述地增加时，出现如图4中所示的由每一个线条的边缘效应引起的显著的电流集中，这导致破坏了损失减小的效应。

虽然如果不进行三维分析，无法得到如图3和4中所示的电磁场分布，但是由于计算过程巨大，故难以执行精密的分析。下面的情况描述了对于磁场分布的静磁场分析的结果，该磁场分布由具有不同幅值和相位的多个线电流形成。

(分析模型)

图5示出了多个线电流源的分析模型，由多个微带线的截面图表示。

模型1(其中电流以相同的相位和幅值分布) $i_k=A/\sqrt{2},(k=\mathrm{1,2},\·\·\·n)$

模型2(其中电流分布在0和180度相位之间，具有正弦波幅度曲线)

i_k＝A sin{(2k-1)π/2n)，(k＝1，2，…n)

(计算磁场分布)

根据Biot-Savart定律进行截面中磁场分布的计算。

下面的等式示出，由线电流源产生的磁场矢量，它在通过由轴x和y给出的坐标p后，沿Z方向连续无限地流动。

等式1 $H=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{I}_0{e}_z\×(r-p)}{4\mathrm{\π}{(r-p)}^2}$

在这个分析模型中，由多个线电流源产生的磁场分布由下面的等式得到。

等式2 $H=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0{i}_k}{4\mathrm{\π}}(\frac{e_z\×(r-p_k)}{{(r-p_k)}^2}-\frac{e_z\×(r-{p_k}^{\left(m\right)})}{{(r-{p_k}^{\left(m\right)})}^2})$

在这个情况下，p_k ^(m)是关于以接地电极作为对称面的反射p_k的位置的坐标。另外，由于电流反向地流动，故第二项具有负的符号。

(计算的例子)

设置条件：

螺旋线数量n＝20

总的线宽w_o＝0.5mm

基片高度h_o＝0.5mm

线电流源的坐标

X_k＝[{(2k-1)/2n}-(1/2)]W₀

Y_k＝h₀ (k＝1，2，…，n)

图6A和6B分别示出关于模型1和2的磁场分布的强度。在附图中，附加的纵向的线表示一组多个螺旋线的的端部，附加的横向的线表示基片的分界面。结果表明在具有正弦分布示的模型2中，等高线在x和y方向都不太紧密。最后，可以知道，当式样1和2具有相等的磁场荷载量时，模型2具有更小的表面电流，由此可以达到使功率损失更小。

图7A和7B分别示出了模型1和2中的磁场的x分量的分布。在该附图中，沿着纵向的附加的线表示一组多个螺旋线的端部，沿横向的附加线表示基片的界面。附图示出，和模型1比较，由于在模型2中的隔离更为令人满意，故模型2更为适合于元件的集成化，其中包含通过安排相邻的谐振器形成滤波器的情况。

图8A和8B分别示出模型1和2中的磁场的y分量的二次分布，图9示出其原始分布。在图8A和8B中，沿着纵向的附加的线表示一组多个螺旋线的端部，而沿着横向的附加线表示基片界面。这个结果示出，模型2在电极边缘给出更小的磁场密度，由此，螺旋线的边缘效应大大改善，并且由此而可以得到更好的损失特性。

由上述多螺旋图案得到的边缘效应抑制结果在线上的任意一点上，螺旋线和与其左右最相邻的螺旋线之间电流相位差为最小的情况下可以非常明显地显露。图10示出了上述相位差和导体损失之间的关系。在这种情况下，当螺旋线和相邻的螺旋线之间的电流相位差为0度时，可以有效地维持谐振的能量。当相位差为±90度时，电抗性电流允许失去减小导体损失的效果。在这种情况下发生的电抗性电流是这样的电流(密度)，其相位从谐振器的磁场偏移，并且电抗性电流不对发送产生贡献。当电流-相位差进一步增加到±180度时，允许减小谐振能量。结果，在大致±45度的范围内的电流一相位差可以被看作有效区域。

由此，可以设置使用多螺旋线图案的平面电路型低损失谐振器的原理将概括如下：

(1)将具有相同形状的多个线条以旋转对称的形式设置得使线条相互绝缘。

按照这样的安排，线条的物理长度、电长度和谐振频率都是相同的。另外，出现在基片界面上的相等相位的线条以同心圆的形式分布。结果，从电磁的角度，提供了没有边缘的模型，由此可以有效地抑制线条的边缘效应引起的功率损失。

(2)在每一个线条的任意一点上，将线条和与其左侧和右侧最近的相邻的线条之间的相位差设置得最小。

但是，线条宽度和线条之间的空间大致上是固定的，并且安排得尽可能的窄。另外，线条上没有锐的弯曲，以便避免了这种情况，即，线条的锐的弯曲部分与它的其它部分相邻的情况。

按照这种安排，线条之间的空间中产生的电场矢量和通过空间的磁通密度更小，这导致了由于电功率穿过线条之间的空间而引起的损失的减小。换句话说，这有效地抑制了微观程度上的每一个单线条的边缘效应。

(3)每一个线条的宽度设置得大致上等于或者小于线条的趋肤深度。

按照这样的安排，磁场侵入从线条的右侧和左侧相互干扰，由此，有有效电流通过的导体部分的面积增加，并且流过线条的电抗性电流减小，结果可以减小导体的损失。

[第二实施例]

在如图11A和11C中所示的第二实施例中，每一个由多螺旋图案形成的每条线条2形成的内部周边和外部周边通过通孔接地到接地电极。这允许线条用作两端短路的谐振线条。在这种结构中，由于谐振线条的两端短路，故谐振器具有良好的屏蔽特性，由此对电磁泄漏到外面以及与外部电磁场引起的影响不会非常敏感。

[第三实施例]

在图12A到12C的第三实施例中，多螺旋图案的每一个线条的内部周边通过通孔接地到接地电极3。其外部周边断开。这种安排允许线条用作1/4波长谐振器。由于谐振器可以提供较短的线条长度提供理想的谐振频率，故可以进一步减小谐振器在基片上的占用面积。

[第四实施例]

在由图13A到13C所指出的第四实施例中，由槽线形成多螺旋图案。

[第五实施例]

图14是一个多螺旋图案的例子，其中相邻的线条之间的空间均匀地确定，以使螺旋曲线具有相同的宽度。这个例子使用八个线条，其中代表性的一个表示得比其它的宽。在这种情况下，将多螺旋图案所占据的面积设置为1.6mm×1.6mm，每一个线条的宽度和线条之间的空间都设置为10μm，作为内周半径的最小半径设置为25.5μm，作为外周半径的最大半径设置为750.0μm，每一个线条的长度设置为11.0mm，基片的相对介电系数设置为80。在这些设置的条件下，当以相对介电系数的60％作为有效值时，谐振器的谐振频率接近于2GHz。

下面将给出对等宽多螺旋的推导(它为n转旋转对称)过程的描述。

(1)给出线条的数量。

(2)给出距离，即沿径向的宽度Δw，它通过转动旋转角Δθ＝2π/n增加。

(3)给出最小半径r_o＝Δw/Δθ，它由上述条件确定。

(4)通过下面的等式定义无量纲参数u(r)和v(r)，它由半径确定。

u(r)＝r/r₀ $v\left(r\right)=\sqrt{(u{\left(r\right)}^2-1)}$

(5)等宽螺旋曲线的坐标由下面的极坐标的公式表示。

向右绕：θ(r)＝v(r)-tan^-1(v(r))

向左绕：θ(r)＝-v(r)+tan^-1(v(r))

(6)内周半径(r_a)和外周半径(r_b)满足条件r_o≤r_a＜r_b。

(7)下面的等式用半径r(r_a≤r＜r_b)作为参数，提供x和y的坐标。

x坐标：x₁(r)＝r cos(θ(r))

y坐标：y₁(r)＝r sin(θ(r))

(8)通过下面的等式，得到剩下的螺旋n-1的x和y坐标。

x坐标：x_k(r)＝r cos(θ(r)+Δθ·(k-1))

y坐标：y_k(r)＝r sin(θ(r)+Δθ·(k-1))

其中(k＝2，3，...，n)

(9)谐振频率的设置

通过基片的相对介电常数的有效值得到线条的长度(它等于理想的谐振频率)，得到外周半径r_b，以便符合计算得到的线条长度L_total。

线条长度： $L_{\mathrm{total}}=S\underset{\mathrm{ra}}{\overset{\mathrm{rb}}{r}}\·(\mathrm{d\θ}\left(r\right)/\mathrm{dr}$ $=S_{\mathrm{ra}}^{\mathrm{rb}}\sqrt{\{{(r/r_0)}^2-\}\mathrm{dr}}$

虽然由上述等式得到的尺寸最为可取，但是也可以从实用的观点，使用由那些通过计算得到的稍有不同的值。

下面，将描述等宽螺旋曲线的推导。图15示出了下面的等式中参数之间的关系。

(设置分析模型的条件)

等宽螺旋线的数量：n

在1/n转中增加的宽度(线宽和线条之间的间隔)：Δw

(1)1/n转的角度

Δθ＝2π/n

(2)定义半径常数r_o

r₀＝Δw/Δθ

(3)微分的关系表达式

rdθ/dr＝tanα

dw/(rdθ)＝Δw/(rΔθ)＝r₀/r＝cosα

(4)极坐标微分方式 $\mathrm{d\θ}=\sqrt{\{{(r/r_0)}^2-1\}}\mathrm{dr}/r$

(5)变量变换(无量纲参数的引入)

当设置u＝r/ro时，得到等式 $\mathrm{d\θ}=\sqrt{(u^2-1)}\mathrm{du}/u.$ 当 $v=\sqrt{(u^2-1)}=\sqrt{\{{(r/r_0)}^2-1\}}$ 时，得到等dθ＝{v²/(v²+1)}

(6)微分等式的解

θ＝v-tan^-1v

[第六实施例]

虽然第一到第五实施例采用曲线，也可以使用一组直线，它是一组折叠线条。图16是当两个线条都由折叠线形成，具有24个角度时的例子。如图所示，为使线宽和相邻的线条之间的间隔相等，当折线以等角距离弯曲时，它大致上等效于等宽螺旋曲线。

图17A的三个线条具有24个角度，图17B的四个线条具有24个角度，图17C的12个线条具有24个角度，图17D的24个线条具有24个角度，图17E的48个线条具有24个角度。

在图16和17所示的每一个谐振器中，每一个线条的宽度和相邻的线条之间的间隔设置为2μm。但是，在这种情况下，线条的长度未设置得达到2GHz，并且在螺旋开始从中心绕的位置处的部分显示图案。

图18示出了当折叠的线条用作线条时，Q_o和(f_o/单f_o)关于线条数量n的关系。

在这种例子中，通过固定绕线的外周(在直径为2.8mm的圆内)，将线条从外侧绕到内侧，按照这种方法可以得到谐振频率为2GHz。分母的单fo是从物理长度得到的谐振频率，而分子的fo是通过测量得到的谐振频率。如在图中显然的，由于使用的线条的数量与线条之间的寄生电容成反比，故减小了由寄生电容引起的fo的减小，而由为了得到相同的谐振频率的线条占据的面积增加了。但是，相邻的线条之间的相位差更小，由此减小了损失，这导致Qo得到改进。

上述相邻的线条之间的相位差在线条上的任意点上都等于离线条最近的左侧和右侧相邻的线条上的电流相位之间的差。这可以定义为电角度的值(空间相位差)，它表示某一个线条沿纵向的电压或电流的节点或波腹和相邻的线条相比时得到的偏差。由于空间相位差在多螺旋图案的内侧更小，而它在其外侧更大，故为了设计，设置平均空间相位差，作为索引。在这种情况下，当线条的数量由符号n表示时，由等式Δθ＝180°/n(在半波长谐振器的情况下)给出平均空间相位差Δθ。

如上所述，由于线条数量越大，平均空间相位差越小，故该结构对特征有利。但是，线条的数量由于图案形成精度中的限制，不能无限制地增加。当得到的特性为优先时，则线条的数量最好是24或更大。换句话说，在半波长谐振器的情况下，当线条的数量是24时，通过等式Δθ＝180°/24＝7.5°，得到平均空间相位差Δθ，结果，平均空间相位差最好是7.5°或者更小。另外，当易于生产为优先时，线宽和线条之间的间隔应该设置为2或3微米，而线条的数量(它自动由线条所占据的面积确定)应该最大。

[第七实施例]

在图19A到19C的例子中，在设置在金属腔中的介质基片1的两个表面上都形成表面对称的多螺旋图案的线条。按照这种结构，由于增加了谐振电磁场的对称特性，而避免了电流密度分布的集中，可以得到低损失的特性。

[第八实施例]

图.20是形成在基片上的线条的放大的截面图。在这种情况下，每一个线条的宽度大致上等于线条的导体部分的趋肤深度。按照这种安排，宽度成为保持通过导体部分的右侧和左侧空间的磁通量的电流在左右干扰的距离，这可以减小具有偏离谐振相位的相位的电抗性电流。结果，可以大大减小功率损失。

[第九实施例]

图21是线条的放大的截面图。在该图中，在介质基片的表面上，按照顺序层叠了薄膜导体层、薄膜介质层、另一个薄膜导体层和另一个薄膜介质层。另外，将导体层设置在结构的顶部，以形成薄膜多层电极，它具有三层结构，作为每一条线条。按照这种方法，沿着薄膜弧度方向层叠多层薄膜，由此可以缓和基片的界面引起的趋肤效应，这进一步减小了导体损失。

在图22中，将介质材料添入薄膜多层电极的空间中。按照这种结构，可以容易地防止相邻的线条和层之间的短路，结果，可以改进可靠性和特性的稳定。

[第十实施例]

图23是导体部分的放大的截面图。在这个例子中，将超导电体用作线条电极的材料。例如，可以使用诸如钇或铋之类的高温超导材料。通常，当将超导材料用作电极时，必须确定电流密度的最大值，以便不减小容许功率特性。但是，在本发明中，由于线条形成为多螺旋图案，故它们大致上没有边缘，从而不发生大的电流集中。结果，在超导体的临界电流密度处的值或低于该值处，使线条容易工作。相应地，可以有效地使用超导体的低损失特性。

[第十一实施例]

图24示出了使用由多螺旋图案形成的线条的另一个谐振器的结构。在这个例子中，两端都开路的线条通过它们之间的相互感应和电容耦合形成谐振器。在该图中，圆形的点线是典型的等电位的线条，其中线条的内周和外周与电压的波腹相等，中间位置与电压节点相等。但是，由于越靠近外周，相邻的线条之间的相位差和线条之间的电容越大。因此，通过与内周和外周之间的中间位置分开，使电压节点出现在更为接近于外周的位置。

在第十一实施例中，具有等电位的线条的部分由导体部件相连，该导体部件在下面将称为等电位连接线。图25示出了一个这样的例子。

如上所述，由于具有等电位的线条的部分由导体部件相连，故线条特定位置的电位被迫相等，由此使工作稳定。另外，由于线条上的最初具有等电位的部分相连，故对谐振模式的影响小。在图25A到25E的所示的例子中，虽然将等电位连接的线条设置在作为电压波腹或节点的位置，仍然可能连接线条上的其它位置的等电位的部分。

[第十二实施例]

虽然上述实施例采用了谐振器的基本模式，但是有这样一种情况，二次谐波或更高的谐振模式会发生。在图26A和26B中，产生了二次模式，其中在线条长度上产生了一个波长谐振。当根据当前幅度来考虑时，在图26B中存在两个波腹。在第一区域，电流以向外的方向流动，而在第二区域中，电流以向内的方向流动。在过了半个周期之后，发生相反的组合。在这种情况下，由于第二区域中相邻线条之间的相位差大于第一区域，因此产生了线条之间的电容，第二区域的面积变得稍小于第一区域的面积。虽然谐振频率大于基本模式，但是，它变成等于或小于两倍的基本模式，因为在线条之间产生了电容。虽然未装载的Q小于基本模式，但是，当在设计滤波器中使用它时，它具有加宽滤波器频带的正效应。

[第十三实施例]

在图27A和27B所示的实施例中，在介质基片1的上表面上，设置有与图1所示相同的多螺旋图形的三个谐振器，形成外部耦合电极5，从而把这些电极在三个谐振器的两端上容性耦合到谐振器上。外部耦合电极5被引导到滤波器的前表面上，它是其外表面，作为输入端和输出端。接地电极形成在介质基片的下表面和四边的表面上。此外，在介质基片的顶部，叠合了另一个介质基片，在其顶部和四边表面上，形成接地电极。这种结构允许滤波器引入形成了三层结构的谐振器。

有了这种结构，由于相邻谐振器形成感应耦合，所以通过引入了三级谐振器便可以获得具有带通特性的滤波器。

[第十四实施例]

图28是双工器的结构俯视图，其中，除去了上屏敝盖。在该图中，参照号10和11表示具有如图27所示的介质基片结构的滤波器。滤波器10用作发送滤波器，滤波器11作用接收滤波器。参照号6表示绝缘基底，在其顶部安装了滤波器10和11。在基片6上，形成支线7、天线(ANT)端、发送(TX)端以及接收(RX)端，通过导线焊接连接滤波器10和11的外部耦合电极以及形成在基片6上的电极部分。几乎在整个部分上，除了基片6上表面的端部分，都形成接地电极。屏敝盖沿着基片6上部的虚线部分设置，如图中所示。

图29是双工器的等效电路图。有了这种结构，发送信号不能进入到接收电路，接收信号不能进入到发送电路。此外，对于发送电路的信号，仅发送频带的信号可以通过天线，对于从天线接收到的信号，仅接收频带的信号可以通过接收设备。

[第十五实施例]

图30是通信设备结构的框图。该通信设备使用结构如图28和29所示的双工器。该双工器以这样的方式安装在印刷电路板上，使发送电路和接收电路形成在印刷电路板上，发送电路连接到TX端，接收电路连接到RX端，天线连接到ANT端。

[第十六实施例]

在上述的谐振器的实施例中，形成多螺旋图形的多条线条的内端部分保持独立，或者如图25所示，它们由等电位连接线连接。然而，在如下所述的其它实施例中，包括实施例16，连接到线条内端部分上的电极设置在多螺旋图形的中心。

在图31A至31C所示的结构的谐振器中，接地电极形成在介质基片1的整个下表面上，在其上表面上形成多螺旋图形。此外，一中央电极8连接到多螺旋图形的每条线条2的内缘端上。

这样，由于中央电极8设置在多条线条组的中心，所以线条的内端部分通过中央电极8连接在一起，具有相等的电位。因此，这些线条的内端部分的边界条件完全一致，这样以1/2波长谐振模式下进行稳定的线条谐振，线条的内缘端和外缘端成为开放端。在这种状态下，抑制了伪模式。

而且，由于在中央电极8与接地电极3之间产生电容，所以谐振器的容性分量增加了。因此，为了在这些线条之间获得相同的谐振频率，可以缩短线条长度，这样，可以减小整个谐振器占用的面积，同时保持多螺旋图形获得的低损耗特性。

而且，中央电极8也可以用作外部输入/输出的电极。例如，中央电极8可以用作当通过导线焊接设置在指定地方上的外部输入/输出端与中央电路8时所需要的电极。

[第十七实施例]

在图32A至32C所示的谐振器中，中央电路8以多螺旋图形设置，每条线条的内缘端与外缘端都通过穿通孔接地到接地电极3上。这样，如上述的例子一样，通过设置中央电极8可以实现谐振模式的稳定性和外部连接的多样性。对于连接中央电极8和接地电极3的穿通孔，可以使用如图11所示的腔体或填充了导电材料的孔。

[第十八实施例]

在图33A至33C所示的谐振器中，中央电极8以多螺旋图形设置，每条线条的内缘端通过穿通孔接地到接地电极3上。每条线条的外缘端保持开放。这个结构可以使谐振线工作成1/4波长谐振器。这样，如上述例子一样，通过设置中央电极8可以实现谐振模式的稳定性和外部连接的多样性。

[第十九实施例]

在图34A至34C所示的例子中，中央电路8设置在具有如图13所示的由槽线形成的多螺旋图形的谐振器内。如上，在槽线结构中，通过设置中央电极8可以实现谐振模式的稳定性、减小谐振器的大小以及实现外部连接的多样性。

[第二十实施例]

图35A和35B示出了使用图31A至31C所示的谐振器的滤波器结构。除了每个谐振器引入了中央电极之外，其它结构与图27所示的滤波器相同。在介质基片1的上表面上布置有具有中央电极的三个多螺旋图形，并且，形成外部耦合电极5，以容性耦接到位于这种结构的两端上的谐振器。如图所示，外部耦合电极5被引出，作为滤波器的前表面(外表面)上的输入端和输出端。接地电极形成在介质基片的下表面和四边表面上。此外，在介质基片的上部，叠合了另一个介质基片。接地电极也形成在另一介质基片的上表面和四边表面上。这种结构可以使滤波器形成三层结构的谐振器。

对于这种结构，在相邻谐振器之间形成感性耦合，从而可以获得三级谐振器构成的通带特性。而且，由于每个谐振器都可以做得很小，所以也可以把整个滤波器做得较小。此外，由于谐振器具有良好的伪模式抑制效应，因此，可以获得良好伪特性的滤波器特性。

Claims (16)

1、一种谐振器，包含：

基片；以及

多条螺旋线组；

其特征在于，多条螺旋线的端头分布在基片上的特定点周围的螺旋线组的内缘和外缘，以使每条螺旋线彼此不相交。

2、如权利要求1所述的谐振器，

其特征在于，螺旋线在基片上形成的特定点周围以旋转对称形式设置，以使每条螺旋线彼此不相交。

3、如权利要求1所述的谐振器，其特征在于在基片上形成多条线组，每条线以极坐标表示，由单调增加或减少的线来指示，极坐标有一条表示角度的轴和另一条表示半径矢量的轴；

每条线以这样的方式分布在基片上，以使线的宽度在小于通过把2π弧度除以线条数获得的值的角度宽度内，并且，整个线条组的宽度在任意半径矢量上都保持在小于或等于2π弧度的角度宽度内。

4、如权利要求1、2和3之一所述的谐振器，其特征在于，连接到线条内端部分的电极设置在多条线组的中心。

5、如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，多条线条的等电位部分通过导电部件相互连接。

6、如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，多条线条中每条的至少一端头部分接到接地电极上。

7、如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，多条线条由折叠线形成。

8、如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，多条线条的宽度和相邻线条之间的距离等于从线条的一端至其另一端的距离。

9、如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，多条线条中每条线条的宽度等于或者窄于线条导电材料的趋肤深度。

10、如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，多条线条中每条线条是由把薄膜介质层和薄膜导电层叠合形成的薄膜多层电极。

11、如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，介质材料被填充在多条线条的相邻线条之间的空间内。

12、如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，多条线条中至少一条是由超导材料形成的。

13、如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，多条线条设置在基片的两个表面上，且相互表面对称，基片的边缘用导电腔屏敝。

14、一种滤波器，包含根据权利要求1的谐振器和在该谐振器上形成信号输入/输出单元。

15、一种双工器，包含根据权利要求14的滤波器，其中，该滤波器至少被用作发送滤波器和接收滤波器之一。

16、一种通信设备，包含至少一个根据权利要求14的滤波器以及根据权利要求15的双工器。

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