CN1134085C - 介质谐振器装置 - Google Patents

Abstract

揭示一种介质谐振器装置，其中包括可适用于小型化的平面电路型介质谐振器装置的特性；增加谐振器的无载Q0，以便在形成带通滤波器等情况下减小介入损耗；减小滤波器特性随谐振器的长度、谐振器之间的间隙等结构尺寸变化的变化；以及增加调节谐振频率的自由度以提高生产效率。在这样的安排下，在介质板的每一个主表面上设置有电极，该电极具有相互对着的开口，后者作为矩形裂缝模式的介质谐振器；其中谐振器长度比所用谐振频率中的半波长更长以便用更多模式谐振。

Description

介质谐振器装置

技术领域

本发明涉及一种介质谐振器装置，用于微波频带和毫米波频带。

背景技术

通常对结合有诸如滤波器、振荡器等一类介质谐振器装置均提出了小型化要求。响应于这一要求，开发了一种平面电路型介质谐振器装置。例如，装备有“平面电路型介质谐振器的对-毫米波带通滤波器”(1996，电子学会，信息与通信工程师常务会议C-121)，和“平面电路型介质谐振器装置”(日本专利申请第9-101458号)。

图14和15示出上述专利申请中的介质谐振器装置的例子。图14是该装置的分解透视图。在该图中，在介质板1的两个主表面上置备有三个相互对着的矩形开口电极。在I/O基片7的上表面上置备有用作探针的微带线9和10，而在同一基片7的基本上整个的下表面则形成接地电极。  依次在I/O基片7上重叠以间隔器11、介质板1、和罩子6来形成单个介质谐振器装置。图15A、15B和15C分别示出形成在介质板1中的三个谐振器的电磁场分布图。图15A是介质板1的平面图；图15B是三个电极开口4a、4b和4c的截面图；而图15C则是沿介质板1的窄侧方向的截面图。相互对着的其间有介质板1的长度为L和宽度为W的矩形电极开口4a、4b和4c，彼此以间隙g加以形成。这样的安排允许形成的介质谐振器，在其每个电极开口4a，4b和4c上具有矩形裂缝模式，致使在整个结构中形成具有三级谐振器的滤波器。

图14和15所示的传统型的介质谐振器装置整体上被极端地小型化了，因为这是个其中谐振器形成在介质板内的平面电路型装置。但是，例如在结合有矩形裂缝模式的介质谐振器的传统型装置中，无载Q(下面称为Q0)不高于具有横电模式TE_O1δ的介质谐振器中的无载Q，因在介质板的两个主表面上所形成的导体损耗不小。这导致诸如当形成带通滤波器时使介入损耗增加一类问题。

为了增加谐振器的Q0，使谐振器的宽度(电极开口的宽度W)比其长度(电极开口的长度L)更长是有效的。但是，在这种情况下，其中电场方向和基本谐振模式正交的模式(那里电极开口的宽度和长度之间的定向关系颠倒过来)的谐振频率接近于基模的频率，导致寄生特性的退化。

另外，在传统型矩形裂缝模式谐振器中，滤波器特性相对于谐振器的长度L和间隙g的结构尺寸中的变化而有很大的变化。这导致生产效率降低。

另外，在该传统型的装置中，通过对磁场和电场的干扰调节谐振频率也降低了生产效率，大的干扰量而难于调节控制。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种介质谐振器装置，它具有平面电路型介质谐振器装置的特点，适合于小型化，并且还可克服上述诸问题。

为此目的，本发明提供一种介质谐振器装置，它包括介质板；设置在板的每一个主表面上的电极；至少一对形成在电极内的矩形的相互对着的开口；信号输入单元，用于通过与由电极开口形成的谐振器单元耦合而从外部输入信号；以及信号输出装置，用于通过和谐振器单元耦合而将信号输出到外部；其中至少一个开口的沿介质板较长侧方向的长度L比由所用谐振频率的半波长确定的基本谐振模式的半波长更长，从而以比基本谐振模式高的更高模式进行谐振。

这种结构允许谐振器单元以基本谐振模式的更高模式谐振，由此导致形成电阻挡层，而无电磁分布的信号之间的损耗。有了无导电损耗的电阻挡层，整个导电损耗就减小，而谐振器Q0则增加，从而在形成滤波器过程中使介入损耗减小。由于所形成电阻挡层的数量表示为n-1(当谐振程度表示为n时)，故谐振程度越大，整体的导电损耗就越小。但是，由于这使谐振器的长度增加，故在考虑装置小型化的同时最终就决定了谐振程度n。

另外，在矩形裂缝模式的谐振器中，随着谐振程度变大，谐振器内部电磁场能量的锁定效应变大，从而使滤波器特性相对于谐振器长度L和谐振器之间的间隙g的变化变小。因此，本发明可以增加生产效率。

另外，虽然在基本模式谐振器的情况下，电磁场的强度分布只形成一个波，但在更高模式谐振器的情况下存在着相应于谐振程度的数量分布，以致于根据电磁场能量的分布而可使对电场或磁场的干扰效应不相同。例如，在电磁场强度大的区域中的金属螺丝的介入量允许谐振频率的粗调节，而电磁场强度小的区域中的金属螺丝的介入量则允许谐振频率的细调节。

最好，所述介质谐振器装置中，开口是矩形的。

最好，所述介质谐振器装置中，设置多个开口对，以形成相互耦合的谐振器；并包括具有不同宽度W的开口对。

最好，所述介质谐振器装置中，设置多个开口对以形成相互耦合的谐振器；并将基本模式谐振器和更高模式谐振器设置在一起。

最好，所述介质谐振器装置中，把用作为和信号输入单元或信号输出单元相耦合的谐振器的开口宽度W扩展到长于用作为其它谐振器的开口宽度。

最好，所述介质谐振器装置中，和信号输入单元或信号输出单元相耦合的谐振器是基本模式谐振器。

本发明还提供一种发送/接收共有装置，包含介质谐振器装置，发送信号输入端口，接收信号输出端口和I/O端口；所述介质谐振器装置包含：介质板；设置在所述板上的每一个主表面上的电极；形成在电极中的至少一对矩形的相互对着的开口；信号输入单元，用于通过和由电极开口构成的谐振器相耦合而从外部输入信号；以及信号输出单元，用于通过和谐振器耦合而将信号输出到外部；其中，至少一个开口沿介质板较长侧方向的长度L比由所用谐振频率中的半波长确定的基本谐振模式的半波长更长，从而以比基本谐振模式高的更高模式谐振；把介质谐振器装置用作为设置在发送信号输入端口和I/O端口之间的发送滤波器，以及设置在接收信号输出端口和I/O端口之间的接收滤波器。

本发明还提供一种收发设备，它包含：发送/接收共有装置，该发送/接收共有装置包含介质谐振器装置，发送信号输入端口，接收信号输出端口和I/O端口；所述介质谐振器装置包含：介质板；设置在所述板上的每一个主表面上的电极；形成在电极中的至少一对矩形的相互对着的开口；信号输入单元，用于通过和由电极开口构成的谐振器相耦合而从外部输入信号；以及信号输出单元，用于通过和谐振器耦合而将信号输出到外部；其中，至少一个开口沿介质板较长侧方向的长度L比由所用谐振频率中的半波长确定的基本谐振模式的半波长更长，从而以比基本谐振模式高的更高模式谐振；把介质谐振器装置用作为设置在发送信号输入端口和I/O端口之间的发送滤波器，以及设置在接收信号输出端口和I/O端口之间的接收滤波器；连接到所述发送/接收共有装置的发送信号输入端口的发送电路；连接到所述发送/接收共有装置的接收信号输出端口的接收电路；及连接到所述发送/接收共有装置的I/O端口的天线。

附图说明

图1是根据本发明实施例的介质谐振器装置的分解透视图；

图2A、2B和2C分别示出介质谐振器装置中所使用的谐振器的电磁场分布图；

图3示出关于基波模式谐振器和双模式谐振器的谐振器宽度和无载Q之间的关系图；

图4示出关于基波谐振器和双模式谐振器的谐振器长度和谐振器频率的变化率之间的关系图；

图5是关于基波谐振器和双模式谐振器的谐振器之间的间隙变化率和耦合系数之间的关系图；

图6是关于基波谐振器和双模式谐振器的调节谐振频率用螺丝的介入量和谐振频率变化率之间的关系图；

图7A、7B和7C分别示出描述根据本发明另一实施例的介质谐振器装置的介质板结构的平面图；

图8A、8B和8C分别示出描述根据本发明另一实施例的介质谐振器装置的介质板结构的平面图；

图9A、9B和9C分别示出描述根据本发明另一实施例的介质谐振器装置的介质板结构的平面图；

图10A是介质谐振器装置的分解透视图，图10B是根据本发明另一实施例的介质板平面图；

图11A是介质谐振器装置的分解透视图，而图11B是根据本发明另一实施例的介质板平面图；

图12是描述天线共有单元结构的分解透视图；

图13是描述收发机的结构的方块图；

图14是描述传统介质谐振器装置结构的分解透视图；和

图15A、15B和15C分别示出传统介质谐振器装置中所使用谐振器的电磁分布的例子。

具体实施方式

现参照图1到6，将描述按本发明实施例的介质谐振器装置的结构。

图1是介质谐振器装置的分解透视图。在这幅图中，标号1指介质板；在介质板的每一个主表面上形成电极，该电极具有三对相互对着的矩形电极开口。标号7指I/O基片，在该基片的上表面上形成作探针用的微带线9和10；而在基片的大体上整个的下表面上则形成接地电极。标号11指间隔器，它是金属框形式。间隔器重叠在I/O基片7上，然后将介质板1放置在其上，以便在I/O基片7和介质板1之间产生特定的距离。在对着间隔器11的微带线9和10的每一个部分形成间隔器部分，俾使微带线9和10不致于并联。标号6指金属罩子，当它封闭间隔器11时，它在介质板1的周边实现电磁屏蔽。

图2A、2B和2C分别示出形成在介质板1上的三个谐振单元的电磁分布示图。图2A是介质板1的平面图；图2B是每一个相互对着的三个电极开口的截面图；图2C是沿介质板1的较短侧方向上的截面图。长度为L、宽度为W，并且通过设置在其间的介质板1而相互对着的矩形电极开口4a、5a、4b、5b、4c和5c以特定的间隙g加以形成。这种结构允许每一个电极开口4a、5a、4b、5b、4c和5c作为矩形-隙缝模式的介质谐振器支行，以及在相邻的谐振器之间产生磁性耦合。微带线9和由电极开口4a和5a形成的谐振器相磁性耦合；而微带线10则和由电极开口4c和5c形成的谐振器相磁性耦合。这种安排允许形成整体上由三级谐振器构成的滤波器。

在矩形裂缝模式的介质谐振器中，谐振频率由谐振器长度、谐振器宽度W和介质板1的厚度和介质常数决定。在这幅图中，谐振器长度L大致等于基本谐振模式谐振器的谐振器长度的两倍，也即，等于所使用的谐振频率中的波长。这允许形成第二更高模式(下面称为“双模式”)的谐振器，如图2A和2B中所示，由此导致在谐振器长度L的中心处产生一电阻挡层。图2A中带有箭头的实线指电动力线(electrodynamic line)；而图2B中的虚线则指磁力线。电磁场如这里所示地分布；其中虽然电流流向电极开口周围较短侧的部分，并在该部分产生导体损耗，但在中心电阻挡层处没有导体，以致在该部分不产生导体损耗。这样，整个导体损耗降低，从而产生具有高Q0的介质谐振器。

另外，由于更高模式的谐振器中的电磁场能量的锁定效应大于基本模式谐振器的，故在更高模式谐振器中滤波器特性相对于谐振器长度L和谐振器之间间隙g的变化的变化小于基本模式谐振器中的那些。这样，在某种程度上，不管电极2和3的尺寸精度如何，都能得到稳定的滤波器特性。

在图2B中，示出24a、25a、24b、25b、24c、和25c，作为，用于调节谐振器谐振频率的相应螺丝；其中24a、24b和24c分别位于产生在谐振器长度L中心的电阻挡层。螺丝25a、25b和25c分别位于谐振器长度L的顶端附近。由于调节谐振器谐振频率用的螺丝24a、24b和24c位于电磁场能量密度高的区域中，故螺丝的介入量大大地干扰了每一个谐振器的电磁场，从而允许谐振频率的粗调。另外，螺丝25a、25b和25c分别位于电磁场能量密度较低的区域，螺丝介入量稍微干扰每一个谐振器的电磁场，从而实现谐振频率的细调。按照这样的方式，粗调和细调的结合允许谐振器的谐振频率的粗细调节，导致生产效率的提高。

图3示出关于基本谐振模式(下面简称为“基本模式”)谐振器和双模式谐振器的无载比值Q相对于某些谐振器宽度W的关系。如这里所示，无论谐振器宽度W如何，都可得到高的无载比Q。当用该谐振器于中心频率为40GHz，分级带宽为2％的带通滤波器中时，双模式情况下的介入损耗比基本模式的大约有20％的改善。

图4示出关于基本模式谐振器和双模式谐振器当谐振器长度L不同时谐振频率的变化率。图5示出耦合系数的变化率相对于谐振器之间间隙g的变化率关系。这些结果清楚地显示，将双模式谐振器和基本模式谐振器相比，在双模式谐振器中，谐振频率随谐振器长度L，变化的变化，以及耦合系数随谐振器之间间隙g变化的变化均小于基本模式谐振器的。

图6示出关于基本模式谐振器和双模式谐振器的谐振频率变化率和调节谐振频率用螺丝的介入量之间的关系。在基本模式谐振器中，所示出的情况乃为把用于调节谐振频率的螺丝插入谐振器的中心。正如该图所示，在双模式谐振器中，谐振频率相对于调节谐振频率用螺丝的介入量的变化率，其插入中心的大；而插入靠近谐振器边缘的则小。

图7A、7B和7C分别示出一个例子，其中设置在介质板上的电极开口的形式是不同的。它们分别示出介质板的平面图，其中将具有不同宽度的谐振器放置在一起。谐振器长度L和谐振器宽度W1和W2可根据每一个谐振器必要的特性来确定。更具体地说，如图7B中所示，扩大与探针耦合的第一级谐振器和第三级谐振器的谐振器宽度W1允许谐振器和探针更可靠地耦合，而不管它们是具有更高能量锁定效应的双模式谐振器这一事实。

图8A、8B和8C分别示出一个例子，其中将具有不同宽度的多个谐振器设置在一起。每一个级的谐振器的长度L1和L2可根据每一个谐振器所需的特性加以确定。更具体地说，如图8A和8C所示，当和探针耦合的第一级谐振器或第三级谐振器是其中谐振器长度L设定为大致上是所用谐振频率的半波长的谐振器，也即，基本模式谐振器时，这使谐振器和探针之间易于耦合，从而，促使它易于和外部电路耦合。换句话说，基本谐振模式提供了比更高的谐振模式更低的电磁场锁定效应，以致于即使介质板位于离探针一段距离的位置，也可得到特定的耦合程度。

图9A、9B和9C分别示出一个例子，其中将具有不同宽度和长度的谐振器放置在一起。类似地，长度L1和L2以及宽度W1和W2可根据每一个谐振器所需的特性、谐振器和探针之间的耦合程度等加以确定。

虽然上述实施例对电极开口采用了矩形的形式，但电极开口的其它形式则示于图10和11中。

图10A和图11A分别示出介质谐振器装置的分解透视图；图10B和图11B分别示出该装置中所用介质板的平面图。在图10A和10B中，电极开口4a、4b和4c为多边形形式，其中将矩形的四个角切掉。在图11A和11B中，电极开口4a、4b和4c为矩形的四个角为圆形(R形)的形式。其它的安排和图1和图2A和2B中所示的那些相同。

图10A和10B，以及图11A和11B中所示有关电极开口形式的这样一些安排允许减轻电流在四个角上的集中，导致Q0的改善。另外，滤波器衰减特性也可以改善，因为主要模式和寄生模式之间的解谐程度可以由将角切掉的方式或使其变圆的方式加以控制。

虽然图10A和图10B所示的例子采用了八边形，它是通过简单地切去矩形电极开口的四个角而得到的，但也可使用其它多边形式。如图11B中所示的具有R形式的电极开口也包含在本发明所述的“大体上为多边形”的涵义中。

图12示出一个例子，其中将本发明的发送/接收共有装置用作为天线共有装置。在该图中，标号1指介质板；在板的每一个主表面上设置具有十对相互对着的矩形开口的电极。示出的41a到41e和42a到42e是上表面上的电极开口。标号7指I/O基片；在其上表面上形成用作为探针的微带线9、10和12；接地电极形成则在基片7的大体上整个下表面上。标号11指金属框形式的间隔器。把间隔器11重叠在I/O基片7上，以使介质板1重叠在其上，从而使I/O基片7和介质板之间以特定的距离加以安装。切割部分形成在对着间隔器11的微带线9和10的每一个部分，俾使微带线9和10不相并联。标号6指金属罩子，当它封闭间隔器11时实现对介质板1周围的电磁屏蔽。

在图12中，提供有五个介质谐振器，它由形成在介质板1上表面上的电极开口41a到41e和形成在相同介质板1的下表面上的相对的电极开口构成，其中相邻介质谐振器之间的连续耦合允许形成接收滤波器，它具有由五级谐振器产生的带通特性。类似地，提供有另外五个介质谐振器，该谐振器由介质板上表面上的电极开口42a到42e和介质板的下表面上相对的电极开口构成，而这五个介质谐振器则形成发送滤波器，它具有由五级谐振器产生的带通特性。

将I/O基片7的微带线9的顶端用作为接收滤波器的接收信号的输出端口(Rx端口)，而微带线10的顶端则用作为发送滤波器的发送信号的输入端口(Tx端口)。微带线12包含分支电路，并把线的顶端用作为天线端口。分支电路在发送信号和接收信号之间以如下方式进行分支，即在分支点和接收滤波器的等效分流表面之间的电学长度是发送频率四分之一波长的奇数倍；而分支点和发送滤波器的等效分流表面之间的电学长度则是接收频率四分之一波长的奇数倍。

间隔器11有一隔离物，用于将接收滤波器从发送滤波器分离。罩子6的下表面上形成另一个隔离物，用于将接收滤波器从发送滤波器分离，虽然图中并未示出该隔离物。另外，在其上把间隔器11附于I/O基片7上的部件上安排有多个通孔，用于电气连接I/O基片的两个表面上的电极。这种结构允许接收滤波器和发送滤波器之间的隔离。

如这里所述，即使将多个谐振器设置在单个基片上，本发明允许产生发送/接收共有装置，它具有减小的介入损耗。

图13示出结合有如上所述的天线共有装置的收发设备。在该图中，示出有接收滤波器46a和发送滤波器46b；其中由标号46指出的部件包含天线共有单元。如该图中所示，接收电路47连接到天线共有单元46的接收信号输出端口46c；发送电路48连接到发送信号输入端口46d；天线端口46e连接到天线49。因此，整个结构作为一个整体形成收发设备50。

根据本发明，由于谐振器单元以基本谐振模式的更高模式谐振，并且在电磁场分布的信号之间形成无损耗的电阻挡层，故因电阻挡层而没有导体损耗，从而使整个的导体损耗减小。相应地，在形成滤波器的情况下，减小了介入损耗，因为谐振器的Q0较高。

另外，由于滤波器特性随谐振器长度L和谐振器之间间隙g变化较小，以致于不一定要求在形成电极过程中有高的尺寸精度，故由此导致生产效率的增加。

另外，在本发明中，由于对电场或磁场的干扰效应可相应于其中分布有电磁场能量密度的位置而不同，故根据电磁场能量密度使干扰独立地作用于高分布的部分和低分布的部分，允许谐振频率的粗调，和细调两者。

在本发明的一个方面，即矩形电极开口的形成使介质板上电极开口的图案易于形成，以便得到具有特定谐振频率的谐振器。

在本发明的另一个方面，即扩大和信号输入单元或信号输出单元相耦合的谐振器单元的电极开口宽度使谐振器和信号输入单元或信号输出单元之间易于耦合，而不管谐振器是否是具有高能量锁定效应的更高模式的谐振器。

另外，在本发明的另一个方面，即把和信号输入单元或信号输出单元相耦合的谐振器单元作成具有基本谐振模式的谐振器单元可使谐振器和信号输入单元或信号输出单元之间易于耦合。

另外，在本发明的另一个方面，即采用这样的安排，使介质谐振器装置用作为发送滤波器和接收滤波器；把发送滤波器设置在发送信号输入端口和I/O端口之间，而把接收滤波器设置在接收信号输出端口和I/O端口之间，允许生产具有更低介入损耗的发送/接收共有装置。

在本发明的另一个方面，即采用这样的安排，将发送电路连接到发送/接收共有装置的发送信号输入端口；将接收电路连接到发送/接收共有装置的接收信号输出端口；而将天线连接到发送/接收共有装置的I/O端口，就可提供一种具有高效率的收发设备，也即高频电路中具有较小的损耗。

Claims (7)

1.一种介质谐振器装置，包含：

介质板；

设置在所述板上的每一个主表面上的电极；

形成在电极中的至少一对矩形的相互对着的开口；

信号输入单元，用于通过和由电极开口构成的谐振器相耦合而从外部输入信号；以及

信号输出单元，用于通过和谐振器耦合而将信号输出到外部；

其特征在于，至少一个开口沿介质板的较长侧方向的长度(L)比由所用谐振频率中的半波长确定的基本谐振模式的半波长更长，从而以比基本谐振模式高的更高模式谐振。

2.如权利要求1所述的介质谐振器装置，其特征在于设置多个开口对，以形成相互耦合的谐振器；并包括具有不同宽度(W)的开口对。

3.如权利要求1所述的介质谐振器装置，其特征在于设置多个开口对以形成相互耦合的谐振器；并将基本模式谐振器和更高模式谐振器设置在一起。

4.如权利要求2所述的介质谐振器装置，其特征在于把用作为和信号输入单元或信号输出单元相耦合的谐振器的开口宽度(W)扩展到长于用作为其它谐振器的开口宽度。

5.如权利要求3所述的介质谐振器装置，其特征在于和信号输入单元或信号输出单元相耦合的谐振器是基本模式谐振器。

6.一种发送/接收共有装置，包含介质谐振器装置，发送信号输入端口，接收信号输出端口和I/O端口；其特征在于所述介质谐振器装置包含：介质板；设置在所述板上的每一个主表面上的电极；形成在电极中的至少一对矩形的相互对着的开口；信号输入单元，用于通过和由电极开口构成的谐振器相耦合而从外部输入信号；以及信号输出单元，用于通过和谐振器耦合而将信号输出到外部；其中，至少一个开口沿介质板的较长侧方向的长度(L)比由所用谐振频率中的半波长确定的基本谐振模式的半波长更长，从而以比基本谐振模式高的更高模式谐振；把介质谐振器装置用作为设置在发送信号输入端口和I/O端口之间的发送滤波器，以及设置在接收信号输出端口和I/O端口之间的接收滤波器。

7.一种收发设备，其特征在于包含：

发送/接收共有装置，该发送/接收共有装置包含介质谐振器装置，发送信号输入端口，接收信号输出端口和I/O端口；所述介质谐振器装置包含：介质板；设置在所述板上的每一个主表面上的电极；形成在电极中的至少一对矩形的相互对着的开口；信号输入单元，用于通过和由电极开口构成的谐振器相耦合而从外部输入信号；以及信号输出单元，用于通过和谐振器耦合而将信号输出到外部；其中，至少一个开口沿介质板的较长侧方向的长度(L)比由所用谐振频率中的半波长确定的基本谐振模式的半波长更长，从而以比基本谐振模式高的更高模式谐振；把介质谐振器装置用作为设置在发送信号输入端口和I/O端口之间的发送滤波器，以及设置在接收信号输出端口和I/O端口之间的接收滤波器；

连接到所述发送/接收共有装置的发送信号输入端口的发送电路；

连接到所述发送/接收共有装置的接收信号输出端口的接收电路；及

连接到所述发送/接收共有装置的I/O端口的天线。

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