CN1141752C - 介质滤波器、介质双工器和通信设备 - Google Patents

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Abstract

一种介质滤波器，包括形成在介质基片的两个主表面上的电极，其中，每一个电极具有多个开口，如此形成这些开口，从而形成在设置于介质基片的一主表面上的电极中的多个开口的位置相应于形成在设置于介质基片的另一个主表面上的另一个电极中的开口的位置。介质基片设置在上导电壳体和下导电壳体之间。无电极耦合部分形成在开口之间，由此使谐振器相互耦合，或使谐振器和输入/输出装置耦合。由此，本发明提供了一种谐振器，它可以容易地和另一个谐振器或输入/输出装置耦合，并提供了一种具有宽带特性的滤波器。

Description

介质滤波器、介质双工器和通信设备
技书领域
本发明涉及一种用于微波或毫米波范围的介质滤波器、介质双工器和通信设备。
背景技术
近年来，随着移动通信系统和多媒体的不断普及，对高速和大容量通信系统的需求不断增加。由于通过这些通信系统传送的信息量增加，故用于通信中的频率范围被扩展，并从微波范围增加到毫米波范围。虽然被广泛地用于微波范围中的TE01δ模式介质谐振器可也可以用于毫米波范围，但是由于TE01δ模式的介质谐振器的谐振频率由圆柱状介质的外部尺寸决定，故在生产中需要极高的准确度。但是，由于在烧制介质材料的过程中发生的收缩，不可能生产出一种具有恰好对应于所需谐振频率的尺寸的圆柱介质。在通过在金属壳体中设置多个TE01δ模式介质谐振器，使它们相互隔开特定的距离，从而制造出介质滤波器的情况下，需要较高的定位准确度，因为介质谐振器和诸如金属环之类的输入/输出装置之间的耦合度，或介质谐振器之间的耦合度由这些元件之间的距离决定。
为了解决上述问题，本发明的发明人在第8-265015号未审查的日本专利公告中建议了一种具有较高尺寸准度的介质谐振器以及一种具有较高定位准确度的介质滤波器。
图8和图9描述了上面引用的专利申请中揭示的介质谐振器的基本结构。图8是根据该专利申请的介质滤波器的部件分解透视图，而图9是沿图8的X-X线取的截面图。
如图8和9中所示，介质滤波器110包含介质基片120、上导电壳体111和下导电壳体112。
介质基片120由具有特定的相对介质常数的基片制成。介质基片120的一个主表面完全由电极121a覆盖，但形成在电极121a中的具有特定的尺寸的两个圆形开口122a除外，而另一个主表面完全由电极121b覆盖，但形成在电极121b中具有特定尺寸的两个圆形开口122b除外。开口122a和122b形成在相对的主表面上的相应的位置处。
上导电壳体111由金属制成，是盒状的，并且下部开着。上导电壳体111如此设置在电极121a的开口122a附近，使得上导电壳体111由介质基片120隔开。下导电壳体112由金属板制成，其两侧弯成直角。介质条带113a和113b设置在下导电壳体112的两端。
介质条带113a和114b如此位于上导电壳体111和下导电壳体112之间，从而它们用作NRD(无辐射介质)传输线。另外，如图8中所示，介质基片120如此设置在介质条带113a和113b上，从而各个介质条带113a和113b的端部重叠在介质基片120的另一个主表面上相应的开口112b。介质条带113a和113b还用作间隔物，使介质基片120和下导电壳体112的底部的内表面隔开一固定的距离。
在这个结构中，电磁能大致上限制在两个分别形成在电极121a和121b中的相对的开口122a和122b之间的介质基片120的部分，由此介质基片120的这两个部分用作谐振器。结果，得到具有两级谐振器的介质滤波器。
在上述结构中，谐振区域由形成在电极中的开口的尺寸决定。由于具有极高尺寸准确度的开口可以通过例如蚀刻的方法形成，故可以实现具有根据谐振频率以较高尺寸准确度形成的谐振器的介质滤波器，并且它们相互以极高的准确定位。另外，在介质滤波器110的谐振器中，电磁能大体上非常紧密限定在介质基片120在两个开口122a和122b之间的部分，于是谐振器具有较高的无载Q。
但是，在介质滤波器110中，电磁能的极其紧密的限制导致了相邻谐振器之间的弱耦合，而相邻的谐振器之间的弱耦合导致了窄带宽。
尤其地，当介质基片120由厚度为0.33mm，相对介质常数为9.3单晶蓝宝石基片制成时，开口122a和122b如此形成，从而它们具有3.26mm的尺寸，并且相邻开口122a之间的距离和相邻开口122b之间的距离都是0.4mm，上导电壳体111的顶部和下导电壳体112的底部内表面之间的距离设置为3.2mm，得到的中心频率为60GHz的介质滤波器110的耦合系数低于0.5％，并且阻带宽只有大约120MHz那么窄。
可以通过缩小谐振器之间的距离(相邻的开口122a之间的距离和相邻的开口122b之间的距离)，由此增加耦合系数来扩展这样的滤波器的带宽。但是，在实践中，对于谐振器之间的距离有一下限，说得更具体些，实际的下限是大约0.1mm。即使当谐振器之间的距离减小到实际的下限时，耦合系数仍然低到1.5％，而带宽为360MHz那么窄。
当通过缩小相邻的开口122a或相邻的开口122b之间的距离来达到缩小谐振器之间的距离时，要在电极121a或121b上进行困难的形成图案的步骤。
另一个问题是，谐振器和输入/输出NRD介质条带113a和113b之间的弱的外部耦合。为了达到需要的外部耦合，需要将形成在介质基片120的另一个主表面上的电极中的两个开口122b的位置关于介质条带113a和113b的位置最佳化。但是，这样的最佳化是困难的。
发明内容
由于上述原因，本发明的一个目的是提供一种谐振器，它可以容易地和相邻的谐振器或输入/输入装置耦合。本发明的另一个目的是提供一种具有较宽的带宽的滤波器。
根据本发明的一个方面，提供了一种介质滤波器，包括介质基片，上部导体，下部导体和形成在介质基片的两个主表面上的两个电极，每一个所述电极具有多个开口，如此形成所述开口，从而形成在所述介质基片的一个主表面上的一个电极中的所述多个开口的位置，相应于形成在所述介质基片的另一个主表面上的另一个电极中的开口的位置，所述介质基片设置在上部导体和下部导体之间，所述上部导体和下部导体设置在与所述介质基片隔开的相对位置，相对开口之间的部分用作谐振器；所述介质滤波器，还包括用于使谐振器相互耦合或使谐振器和输入/输出装置耦合的无电极耦合部分，它至少形成在所述介质基片的一个主表面上。
这种结构导致了相邻谐振器之间耦合系数的增加。结果，得到的介质滤波器具有较宽的通带。无电极耦合部分可以用和用于制作开口的相同的步骤形成，由此不会发生生产率的降低。
较好地，无电极耦合部分至少直接地连接在介质基片的一个主表面上相邻的开口。
这样的无电极耦合部分导致了比通过(不相互连接开口)的无电极耦合部分得到的耦合系数更大的耦合系数。
根据本发明的另一个方面，提供了一种介质双工器，包含至少两个介质滤波器、连接到各个所述介质滤波器的输入/输出耦合装置和共同接到所述介质滤波器的天线连接装置；所述介质滤波器中的至少一个介质滤波器包括介质基片，上部导体，下部导体和形成在介质基片的两个主表面上的两个电极，每一个所述电极具有多个开口，如此形成所述开口，从而形成在所述介质基片的一个主表面上的一个电极中的所述多个开口的位置，相应于形成在所述介质基片的另一个主表面上的另一个电极中的开口的位置，所述介质基片设置在上部导体和下部导体之间，所述上部导体和下部导体设置在与所述介质基片隔开的相对位置，相对开口之间的部分用作谐振器；用于使谐振器相互耦合或使谐振器和输入/输出装置耦合的无电极耦合部分，它至少形成在所述介质基片的一个主表面上。
根据本发明的还有一个方面，提供了一种通信设备，包含介质双工器、连接到所述介质双工器的至少一个输入/输出耦合装置的发射电路、连接到至少一个输入/输出耦合装置的接收电路，该输入/输出耦合装置不同于连接到所述发射电路的所述输入/输出耦合装置、和连接到所述介质双工器的天线连接装置的天线；所述介质双工器包含至少两个介质滤波器、连接到各个所述介质滤波器的输入/输出耦合装置和共同接到所述介质滤波器的天线连接装置；所述介质滤波器中的至少一个介质滤波器包括介质基片，上部导体，下部导体和形成在介质基片的两个主表面上的两个电极，每一个所述电极具有多个开口，如此形成所述开口，从而形成在所述介质基片的一个主表面上的一个电极中的所述多个开口的位置，相应于形成在所述介质基片的另一个主表面上的另一个电极中的开口的位置，所述介质基片设置在上部导体和下部导体之间，所述上部导体和下部导体设置在与所述介质基片隔开的相对位置，相对开口之间的部分用作谐振器；用于使谐振器相互耦合或使谐振器和输入/输出装置耦合的无电极耦合部分，它至少形成在所述介质基片的一个主表面上。
这样，可以容易地得到具有较宽带宽的介质双工器和通信设备。
附图说明
图1是部件分解透视图，描述了根据本发明的介质滤波器的第一实施例；
图2是部件分解透视图，描述了第一实施例的介质滤波器的一种更改。
图3是部件分解透视图，描述了根据本发明的介质滤波器的第二实施例；
图4是部件分解透视图，描述了根据本发明的介质双工器；
图5是部件分解透视图，描述了根据本发明的介质双工器的另一个实施例；
图6是部件分解透视图，描述了根据本发明的介质双工器的另一个实施例；
图7是示意图，描述了根据本发明的通信设备；
图8是部件分解透视图，描述了由本发明的发明人建议的介质滤波器；及
图9是沿图8中的X-X线取的截面图。
具体实施方式
下面描述本发明的第一实施例。
如图1中所示，介质滤波器10包括介质基片20、上导电壳体11和下导电壳体12。
介质基片20由具有特定相对介电常数的基片制成。介质基片20的一个主表面完全由电极21a覆盖，但两个具有特定尺寸、形成在电极21a中的圆形开口除外，另一个主表面完全由电极21b覆盖，但具有特定的尺寸、形成在电极21b中的两个圆形开口除外。开口22a和22b形成在相对的主表面上的相应的位置处。无电极耦合部分25a形成在一个主表面上的两个开口22a之间，而无电极耦合部分25b形成在另一个主表面上的两个开口22b之间。
上导电壳体11由金属形成，它是盒状的，并且下侧开口。上导电壳体11如此设置在电极21a的开口22a的附近，从而上导电壳体11由介质基片20隔开。
下导电壳体12由金属板制成，其两侧弯成直角。介质条带13a和13b设置在下导电壳体12的两端，从而介质条带13a和14b用作NRD(无辐射介质)传输线，由此如在传统的结构中那样用作输入/输出装置。
在上述结构中，电磁能部分地集中在无电极耦合部分(该部分形成在电极21a的两个开口22a之间)以及无电极耦合部分25b(该部分形成在电极21b的两个开口22b之间)。这导致了两个谐振器之间耦合(一个形成在两个开口22a之间，另一个形成在两个开口22b之间)的增加。
图2描述了另一个介质滤波器10a，其中，每一个开口22a具有扩展的部分，用作相互延伸的无电极耦合部分25c，并且每一个开口22具有延伸的部分，用作相互延伸的无电极耦合部分25d，当在介质滤波器10中时，由此增加两个谐振器之间的耦合。
现参照图3，下面描述第二实施例。和参照图1在上面描述的第一实施例类似的部分由类似的标号指出，并且在下面不再作更详细的描述中。
在这个实施例中，和图1所示的第一实施例不同，无电极耦合部分如此形成在介质基片上，从而形成在电极中的相邻的开口通过无电极耦合部分相互连接。
即，如图3所示，无电极耦合部分25e形成在介质基片20的一个主表面上的电极21a的两个开口22之间，从而两个开口22a通过无电极耦合部分25e相互连接。类似地，无电极耦合部分25f形成在介质基片20的另一个主表面上的电极21b的两个开口22b之间，从而两个开口22b通过无电极耦合部分25f相互连接。
这种结构导致了谐振器之间的耦合(其中一个形成在两个开口22a之间，而另一个形成在两个开口22b之间)比在上述参照图1的第一实施例的结构所能得到的耦合更强。由此，得到的介质滤波器10b具有更大的耦合系数。
本实施例和图1中所示的第一实施例的另一个不同之处是，每一个开口22b具有一个向外延伸的凹口。各个凹口26如此形成，从而它们位于相应的介质条带13a和13b的上方。凹口26导致了和用作输入/输出传输线的介质条带13a和13b之间的较强的耦合。
在第一或第二实施例中使用的无电极耦合部分可以通过在形成开口的同时进行图案形成的方法形成，也可以通过蚀刻或者用研磨石料研磨的方法部分地去除电极的方式形成。在无电极耦合部分通过在形成开口的同时进行图案形成的方法形成的情况下，耦合系数可以在开口形成后调节，其做法是通过蚀刻或者用研磨石料研磨的方法部分地去除电极。
虽然在第一和第二实施例中，用作耦合装置的无电极耦合部分形成在介质基片的两个主表面上，无电极耦合部分可以根据所需的耦合系数只形成在一个主表面上或另一个主表面上。
虽然在第一和第二实施例中，用作耦合装置的无电极耦合部分形成在开口之间，但无电极耦合部分的形状、尺寸和位置不限于第一和第二实施例中所实施的那些，而可以根据所需的耦合系数改变或调节。
另外，虽然在第一和第二实施例中，滤波器包括两个谐振器，但是谐振器的数量不限于两个。本发明也可应用于包括三个或更多个谐振器的滤波器。不仅在相邻的谐振器之间可以产生耦合，并且谐振器可以跳过一个或多个谐振器与一个远离的谐振器耦合。
还有，虽然在第一和第二实施例中，开口做成圆形，但开口的形状不限于圆形。开口可以做成诸如矩形等任意的形状，以得到和按照本发明的类似的效果。
还有，虽然在第一和第二实施中，输入/输出传输线通过NRD传输线(它由位于上导电壳体和下导电壳体之间的介质条带形成)来实现，但是输入/输出传输线不限于这样一种类型。例如，微带线、环或探针也可以用作输入/输出装置。但是，在这种情况下，与第一和第二实施例不同，输入/输出装置不支承介质基片，因此需要使用另一个元件(诸如垫片)来支承介质基片。
参照图4，下面将描述根据本发明的介质双工器的实施例。图4是根据本发明的介质双工器的实施例的部件分解透视图。
如图4中所示，介质双工器30包括两个介质基片20、上壳体14和下壳体15。电极形成在每个介质基片20的两个相对表面的每一个表面上。每一个形成在每个介质基片20上的电极都如此部分地去除，以便形成五个圆形开口22a1-22a5或22a6-22a10。类似的开口也在设置于介质基片的后表面上的电极中的相应的位置处形成。介质谐振器由通过开口22a1-22a5和22a6-22a10确定的部分和上壳体14和下壳体15构成。每一个谐振器的谐振频率由开口22a-22a5和22a6-22a10的形状、介质基片20的厚度和其它的因素的形状决定。
下部壳体15包含基板16和设置在基板16上的金属框17构成。在金属框17的内壁上形成一个台阶，从而把介质基片20放置在台阶上。电极形成在基板16的表面上预定的区域中。作为输入和输出耦合装置的输入微带线31和34以及输出微带线32和33也分别形成在基板16的表面上，分别在发射部分和接收部分中。发射部分中的输出微带线33和接收部分中的输入微带线34连接到一微带线(图中未示出)，以连接到天线。电极大致上形成在基板16的整个的后表面上。为了避免不想要的模式的影响，形成在基板16的表面上的电极，除了微带线31-34之外，都通过通孔19电气连接到形成在基板16的后表面上的电极。
在具有上述结构的介质双工器30中，介质基片20位于形成在下壳体15的内壁上的台阶上，并通过导电粘合剂之类的材料固定在台阶上。上壳体14牢固地位于下壳体15的金属框17中。
根据本实施例的介质双工器30包括第一介质滤波器41(它包括在介质基片20上由五个开口22a1-22a5形成的介质谐振器)和第二介质滤波器42(它包括由另外五个开口22a6-22a10形成的介质谐振器)。第一介质滤波器41的五个介质谐振器相互磁耦合，从而它们用作发射带通滤波器。第二介质滤波器42的五个介质谐振器具有不同于第一介质滤波器的介质谐振器的谐振频率，并且它们也相互磁耦合，从而它们用作接收带通滤波器。在第一介质滤波器的输入级处与介质谐振器耦合的微带线31连接到外部发射电路。在第二介质滤波器的输出级处与介质谐振器耦合的微带线32连接到外部接收电路。在第一介质滤波器41的输出级处与介质谐振器耦合的微带线33和在第二介质滤波器42在输入级处与介质谐振器耦合的微带线34共同连接到用作连接到外部天线的天线连接装置的微带线。
在上述方式结构的介质双工器30中，第一介质滤波器41通过具有预定频率的信号。第二介质滤波器42的圆形开口直径设置为不同于第一介质滤波器的圆形开口直径值，从而第二介质滤波器42通过具有不同于前一频率的频率信号。结果，介质双工器30用作带通介质双工器。
如此在上壳体14中设置一个分隔条，并在下壳体15中设置另一个隔条，从而每个分隔条位于第一介质滤波器41和第二介质滤波器42之间，因此使它们相互隔离。
在本发明的介质双工器30中，如在第二实施例中那样，形成有无电极耦合部分25e，从而形成在介质基片20上的五个开口22a1-22a5和22a6-22a10通过无电极耦合部分25e相互连接，因此增加了相邻的介质谐振器之间的耦合，于是得到宽带介质双工器。
下面参照图5和图6描述根据本发明的介质双工器的另一个实施例。和前面的实施例类似的部分用类似的标号指出，并且不在下面对它们作进一步的描述。
在图5中所示的介质双工器30a中，五个圆形开口22a1-22a5及另外五个圆形开口22a6-22a10形成在介质基片20a上，而圆形无电极耦合部分25g形成在五个圆形开口22a1-22a5的相邻开口之间，亦形成在五个圆形开口22a6-22a10的相邻开口之间。不同于前面的发射和接收部分具有它们各自的介质基片的实施例，图5所述的介质双工器30a具有单个的介质基片20a，其上形成有发射和接收部分。
在图6所示的介质双工器30b中，圆形开口22a6-22a10形成在介质基片20上的接收部分中，而矩形开口22c1-22c5形成在介质基片20是发射部分中。因此，对接收部分中由介质基片20上的开口22a6-22a10形成的介质谐振器以TE010模式发生谐振，而发射部分中由介质基片20上的开口22c1-22c5形成的介质谐振器以矩形槽模式发生谐振。如此形成无电极耦合部分25e，从而形成在各自的介质基片20上的五个开口22a6-22a10和五个开口22c1-22c5都通过无电极耦合部分25e相互连接。
现在参照图7，描述根据本发明的通信设备的一个实施例。图7是描述根据本发明的通信设备的示意图。
如图7中所示，本实施例的通信设备50包含介质双工器30、发射电路51、接收电路52和天线53。这里，根据前面的实施例的介质滤波器用作双工器30。把连接到图6所示的第一介质滤波器41的输入/输出耦合装置连接到发射电路51。把连接到第二介质滤波器42的输入/输出耦合装置连接到接收电路52。把天线连接装置连接到天线。
如从上述描述中可以看到的，本发明具有各种优点。即，根据本发明的介质滤波器在相邻的谐振器之间具有较大耦合系数，因此介质滤波器具有宽带的特性。耦合系数可以简单地通过形成无电极耦合部分来增加，因此，相对于传统的技术(通过在更加接近的位置上形成开口来增加耦合系数)来说容易增加耦合系数。
尤其地，当形成各个谐振器的开口通过无电极耦合部分相互连接时，得到的介质滤波器在谐振器之间具有的耦合系数比由不直接相互连接的开口得到的耦合系数更大。

Claims (6)

1.一种介质滤波器，包括介质基片，上部导体，下部导体和形成在介质基片的两个主表面上的两个电极，每一个所述电极具有多个开口，如此形成所述开口，从而形成在所述介质基片的一个主表面上的一个电极中的所述多个开口的位置，相应于形成在所述介质基片的另一个主表面上的另一个电极中的开口的位置，所述介质基片设置在上部导体和下部导体之间，所述上部导体和下部导体设置在与所述介质基片隔开的相对位置，相对开口之间的部分用作谐振器；
所述介质滤波器的特征在于，还包括用于使谐振器相互耦合或使谐振器和输入/输出装置耦合的无电极耦合部分，它至少形成在所述介质基片的一个主表面上。
2.如权利要求1所述的介质滤波器，其特征在于，所述无电极耦合部分至少直接连接所述介质基片的一个主表面上的相邻开口。
3.一种介质双工器，包含至少两个介质滤波器、连接到各个所述介质滤波器的输入/输出耦合装置和共同接到所述介质滤波器的天线连接装置；
所述介质双工器的特征在于，所述介质滤波器中的至少一个介质滤波器包括介质基片，上部导体，下部导体和形成在介质基片的两个主表面上的两个电极，每一个所述电极具有多个开口，如此形成所述开口，从而形成在所述介质基片的一个主表面上的一个电极中的所述多个开口的位置，相应于形成在所述介质基片的另一个主表面上的另一个电极中的开口的位置，所述介质基片设置在上部导体和下部导体之间，所述上部导体和下部导体设置在与所述介质基片隔开的相对位置，相对开口之间的部分用作谐振器；用于使谐振器相互耦合或使谐振器和输入/输出装置耦合的无电极耦合部分，它至少形成在所述介质基片的一个主表面上。
4.如权利要求3所述的介质双工器，其特征在于，所述无电极耦合部分至少直接连接所述介质基片的一个主表面上的相邻开口。
5.一种通信设备，其特征在于，包含介质双工器、连接到所述介质双工器的至少一个输入/输出耦合装置的发射电路、连接到至少一个输入/输出耦合装置的接收电路，该输入/输出耦合装置不同于连接到所述发射电路的所述输入/输出耦合装置、和连接到所述介质双工器的天线连接装置的天线；所述介质双工器包含至少两个介质滤波器、连接到各个所述介质滤波器的输入/输出耦合装置和共同接到所述介质滤波器的天线连接装置；
所述介质滤波器中的至少一个介质滤波器包括介质基片，上部导体，下部导体和形成在介质基片的两个主表面上的两个电极，每一个所述电极具有多个开口，如此形成所述开口，从而形成在所述介质基片的一个主表面上的一个电极中的所述多个开口的位置，相应于形成在所述介质基片的另一个主表面上的另一个电极中的开口的位置，所述介质基片设置在上部导体和下部导体之间，所述上部导体和下部导体设置在与所述介质基片隔开的相对位置，相对开口之间的部分用作谐振器；用于使谐振器相互耦合或使谐振器和输入/输出装置耦合的无电极耦合部分，它至少形成在所述介质基片的一个主表面上。
6.如权利要求5所述的通信设备，其特征在于，所述无电极耦合部分至少直接连接所述介质基片的一个主表面上的相邻开口。
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