CN1146074C - 介质谐振装置 - Google Patents

Abstract

揭示了一种介质谐振装置，尤其涉及用于微波或毫米波范围的介质谐振装置。在该介质谐振装置中，电极分别形成于介质片的两主表面上，其中每个电极具有形成于与在其它电极中形成的开口的位置对应位置处的开口。由各开口限定的部分用作介质谐振器。耦合线直接形成于电极开口中。传输线形成于电路板上。耦合线和相应的传输线通过键合线彼此连接。该结构可以使利用该介质谐振器的谐振电路的外Q最小。如果利用该谐振电路制造振荡器，可以得到大调频宽度及大输出。

Description

介质谐振装置

技术领域

本发明涉及一种介质谐振装置，特别涉及一种用于微波或毫米波范围的介质谐振装置。

背景技术

具有低相噪声和高谐振频率稳定性的介质谐振器用作如微波或毫米波范围等高频范围的谐振器或振荡器。

日本专利申请公开8-265015中，本申请的受让人提出了一种组件，其中电极设置于介质片的两主表面上，在该介质片的一部分上形成介质谐振器。设置于介质片上的电极用作地电位，设置于另一介质片的微波传输带叠置于该介质片上。这种设置用于如VCO等高频组件。

此外，日本专利申请8-294087和共同待审的美国专利申请08/965464中提出了类似的高频组件。图19和20展示了这种高频组件的结构。应该注意，这种高频组件在作为本申请基础的日本专利申请10-42017申请时还未对公众公开。所以，本发明人认为图19-20的高频组件不是本发明的现有技术。

图19中，参考数字1表示介质片。一个电极形成于介质片1的两个主表面的每一个上。每个电极具有形成于与另一电极的开口位置相对应位置处的开口(参考数字4表示一个开口)。由电极开口限定的部分用作介质谐振器。其表面上形成有包括微波带状线路的电路的电路板6设置于介质片的上表面上。在电路板6上还有耦合线11和12，所述耦合线11和12位于允许耦合线11和12与形成于电极开口4中的介质谐振器耦合的位置处。

在图20所示的例子中，每个都具有形成于彼此相对应位置的开口(参考数字5表示形成于一个电极中的开口)的电极分别设置于介质片1的两个主表面上，以便由电极开口限定的部分用作介质谐振器。介质片1设置于电路板6上，以便介质谐振器与形成于电路板6上的传输线耦合。介质片1和电路板6之间设置有隔垫，以便图20中介质片1下表面上的电极与电路板6上表面上的电极绝缘。

在其中每个都具有形成于彼此相对应位置的开口的电极分别设置于介质片的两主表面上的上述类型的介质谐振器中，几乎所有电磁场皆被限制在由电极开口限定的部分中，所以电磁能量集中在该部分。因此，通过在合适的位置设置耦合线可以实现强耦合。所以，例如可以用该介质谐振器实现具有大振荡调频宽度和/或大输出功率的振荡器。

在图19和20所示的振荡器中，调频宽度根据图16所示的谐振电路(耦合线12)的外Q(外部品质因数)(Qe2)改变。正如可以从图16看到的，通过减小外Q(Qe2)可以极大地增大调频宽度。

图17展示了谐振电路的反射系数与介质谐振器和带反射耦合线11的外Q(Qe1)间的关系。从图17可知，如果外Q(Qe1)减小，则谐振电路的反射系数增大。因为输出随谐振电路的反射系数的增大而增大，所以通过减小外Q(Qe1)可以增大输出。

图2展示了在以图19或20所示形式在介质片上形成谐振器的那类介质谐振器中的电磁场分布。图2中，参考数字2和3表示分别形成于介质片1的两主表面上的电极。限定于各电极2和3的圆形开口4和5中的部分用作TE010模式介质谐振器。在用于振荡器的常规谐振电路中，耦合线11和12位于离电极开口4和5的表面(此后称为电极开口面)稍远的位置，构成介质谐振器的一部分。如果耦合线与电极开口面间的距离增大，则加到耦合线上的电磁场快速下降，如图1所示。这意味着耦合度随耦合线与电极开口面间距离的增大迅速减小。

图18展示了作为耦合线与电极开口面间距离(该距离是在垂直于电极开口面方向测得的)函数的振荡输出。如图18所示，如果耦合线与电极开口面间的距离减小，则外Q减小，输出增大。

然而，在图19或20所示的介质谐振装置中，不可能将耦合线与电极开口面间的距离减小到小于一实际极限的值。即，在图19所示的例子中，因为耦合线11和12设置于电路板6的上表面上的缘故，为了减小从电极开口4的电极开口面到耦合线11和12的距离，需要减小电路板6的厚度。然而，电路板6厚度的减小限于一个实际可能的最小值。图20的例子中，需要减小隔垫的厚度。然而，隔垫也有其最小可能厚度。除此之外，隔垫厚度的减小导致了另一个问题，即，因为隔垫厚度的减小导致了线11和12的特征阻抗有很大变化，不可能获得所要求的特性。

还有一个问题是，耦合线相对谐振器的定位精确性。在毫米范围内，耦合线位置相对于谐振器的位置的很小改变也会导致特性的极大改变。因此，需要很高的定位精确性。然而，在常规介质谐振装置中，谐振器与耦合线由不同的工艺分别生产，所以很难实现所需要的高位置精确性。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种介质谐振装置，包括利用具有减小的外Q的介质谐振器的谐振电路，以便例如用该介质谐振装置实现具有大调频宽度和大输出的振荡器。

本发明再一目的是提供一种介质谐振装置，其谐振器和耦合线间具有高位置精确性，所以这种介质谐振装置具有很小的特征改变。

根据本发明的一个方案，提供一种介质谐振装置，该装置包括具有分别形成于介质片的两个主表面上的电极的介质谐振器，每个电极具有形成于与形成于其它电极中的开口的位置对应的位置处的开口，该介质谐振装置的特征为：与介质谐振器耦合的耦合线设置于至少一个形成于彼此对应位置处的开口中，以便适当地减小电极开口面与耦合线间的距离；传输线形成于所有的上述开口之外，并且传输线与耦合线电连接。

在该结构中，耦合线直接形成于电极开口面内，所以可以实现耦合线与介质谐振器间的强耦合。

如果传输线构成为利用形成于介质片上的一个电极作地电极的共面线的形式，则可以在介质片上同时形成传输线、耦合线和电极，这样一来，其上形成了介质谐振器部分，却不会利用附加基片。

在上述介质片的表面上，可以设置其上形成有用作上述传输线的微波带状线路的另一个介质片或介质膜。该结构中，在除耦合线外的传输线形成为微波带状线路的结构时，可以实现耦合线与介质谐振器间的强耦合。

传输线与耦合线间的连接可以通过形成于其间的互联件上的导体实现，其中形成于互联件上的导体与介质片的主表面上的电极绝缘。在该结构中，利用与安装其它片式元件类似的方法，在介质片的表面上安装互联件，可以容易实现介质传输线与耦合线间的连接。

在耦合线与传输线形成于介质片上时，可形成共面线的中心导体，以便共面线的中心导体和耦合线由单条线构成、该结构中，耦合线和传输线间的连接不需要另外的互联。

另外，位于共面线的中心导体两侧的两地电极可通过跨中心导体延伸的导体彼此相连。这种情况下，可以通过调节两地电极通过其彼此相连的导体的位置改变介质谐振器的谐振频率。

附图概述

图1是本发明一个实施例的VCO的主要部分的透视图；

图2是展示介质谐振器中电磁场分布的例子的剖面图；

图3是VCO的等效电路图；

图4是展示利用共面传输线的介质谐振装置的主要部分结构的例子的透视图；

图5是展示利用共面传输线的介质谐振装置的主要部分结构的另一个例子的透视图；

图6是展示利用共面传输线的介质谐振装置的主要部分结构的再一个例子的透视图；

图7是展示利用共面传输线的介质谐振装置的主要部分结构的又再一个例子的透视图；

图8是展示利用共面传输线形式的传输线的VCO的主要部分结构的例子的透视图；

图9是展示利用共面传输线形式的传输线的VCO的主要部分结构的另一个例子的透视图；

图10是展示利用共面传输线形式的传输线的VCO的主要部分结构的再一个例子的透视图；

图11是展示利用微波带状线路形式的传输线的VCO结构的例子的透视图；

图12是展示耦合线与微波带状线路间连接部分的结构的部分透视图；

图13是展示耦合线结构的另一例子的剖面图；

图14是利用PDTL模式介质谐振器的介质谐振装置的主要部分的透视图；

图15展示了PDTL模式中电磁场分布的例子；

图16是展示振荡器的调频宽度与耦合度关系的曲线图；

图17是展示谐振电路的反射系数与外Q的关系的曲线图；

图18是展示振荡器的输出与电极开口面和耦合线间距离的关系的曲线图；

图19是展示常规VCO结构的例子的局部透视图；

图20是展示常规VCO结构的另一个例子的局部透视图。

本发明的较佳实施方式

参见图1-3，下面介绍本发明电压控制振荡器(此后称为VCO)的第一实施例。

图1是一VCO组件的局部透视图。图1中，参考数字1表示介质片。电极2和3分别形成于介质片1的两个主表面上。每个电极2、3都有一开口，所述开口相互对准。图1中，参考数字4表示在设置在介质片1的上表面上的电极中形成的开口。参考数字6表示介质片形式的电路板，具有形成于与电极开口4相应位置处的开口。各种电路形成于电路板6的上表面上，如下所述。它们包括与形成于电极开口4中的耦合线11相连的传输线11’和与形成于电极开口4中的耦合线12相连的传输线12’。终端电阻器13设置于一条传输线11’与地电极14之间。另一方面，变容二极管16设置于传输线12’和地电极17之间。另外，偏置电路23与传输线12’的一端相连。

还提供一系列的反馈线20，其上安装有FET15。参考数字24表示一输出电路。FET15的栅与传输线11’的一端相连。FET15的漏和源分别与系列反馈线20和输出电路24相连。偏置电路22与系列反馈线20相连，偏置电路21与输出电路24相连。另外，片式电阻器25设置于偏置电路21和地电极之间。

因为电路板6的背面与形成于介质片1的上表面上的地电极接触，所以在如上所述的各传输线和地电极间形成微波带状线路。另外，地电极可以形成于电路板6背面(面对介质片1)的基本上整个面积上。

耦合线11和12形成于介质片1的上表面上，在一个通过电极开口暴露的区域内。耦合电极11和12分别通过键合线与形成于电路板6上的电极11’和12’相连。

图2是展示介质谐振器部分中电磁场分布的剖面图。如上所述，具有形成于彼此相对应位置处的圆形电极开口4和5的电极2和3设置在介质片1的两个主表面上，以便由开口4和5限定的部分用作TE010模式介质谐振器。在TE010模式中，电磁场的强度在电极开口4和5附近更靠近介质片1的表面处更大。

图3展示了上述VCO的等效电路。该图中，R表示介质谐振器。FET15形成负阻电路。负阻电路、耦合线11和与耦合线11耦合的介质谐振器R构成带反射振荡器。该振荡器的频率随连接到与介质谐振器R耦合的耦合线12的变容二极管16的电容而改变。

通过以上述方式在电极开口面内直接形成耦合线，可以实现介质谐振器和耦合线间的强耦合。另外，按该技术，由于构成介质谐振器的电极开口和耦合线形成于同一个介质片上，所以可以容易地实现介质谐振器和耦合线间的高位置精确性。结果，可以容易地生产较小特性变化的介质谐振装置。

在第一实施例中，尽管传输线形成为微波带状线路结构，但它们可以形成为共面线结构。图4展示了采用共面线的例子。图4中，形成于电极开口中的电极中，只示出了耦合线11。图4中，具有圆形开口4的电极2和包括中心导体11’的共面传输线皆形成于介质片1的上表面上。共面传输线的中心导体11’和耦合线11通过键合线彼此相连。在传输线按上述方式制成共面传输线形式时，如图1所示的电路板6将变得至少对于传输线来说是不必要的。因为地电极、传输线和耦合线都可以形成于介质片上，所以所需的制造工艺变得更简单。另外，容易实现介质谐振器与耦合线间的高位置精确度。

如图5所示，利用带状引线也可以实现该连接，以代替图4所示的键合线。

另外，如图6的所示，包括导体28的互联件27可设置于耦合线11和共面传输线的端子之间，以便共面传输线的中心导体11’通过地导体28与耦合线11相连。

再者，如图7所示，耦合线11可以通过空气桥26与共面传输线的中心导体11’相连。

图8示出了利用共面传输线形式的传输线构成的VCO的例子。图8中，参考数字30表示包括介质片1的谐振电路板，其中电极2和3具有形成于彼此对应的位置处的开口，这些电极分别设置于介质片1的两个主表面上，以便构成TE010模式介质谐振器部分。另外，耦合线11和12及包括共面传输线形式的传输线11’和12’的各种传输线形成于介质片1的上表面上。参考数字31表示负阻电路板。地电极形成于介质片下表面的基本整个面积上。包括FET15的负阻电路形成于介质片的上表面上。该负阻电路以与图1所示的负阻电路类似的方式构成。

在谐振电路板30中，终端电阻器13设置在介质片1的上表面上，以便传输线11’通过终端电阻器13与用作地电极的电极2相连。另外，变容二极管16设置于传输线12’和地电极之间。传输线12’还与偏置电路23相连。与该例子的情况一样，在既用共面线又用微波带状线路时，谐振电路板和负阻电路板可分别生产，两板上传输线通过键合线相连。

图9展示了利用共面传输线形式的传输线构成的VCO结构的另一例子。负阻电路板31与图8所示的类似。谐振电路板30与图8所示的电路不同在于耦合线11和12从电极开口4内延伸到外部区域以便用延伸部分作共面传输线。换言之，共面传输线的中心导体和耦合线由相同连续线构成。该结构中，用于耦合线和传输线间连接的引线键合变得不必要。关于谐振电路板30上的传输线与负阻电路板31上的传输线间的连接，这些传输线可利用焊料等而不用键合引线来直接连接。

图10是展示利用共面传输线式传输线构成的VCO的例子的透视图。图10中，参考数字26表示各空气桥，所说各空气桥在从耦合线11和12延伸的共面传输线的中心导体上延伸，以便中心导体两侧的两个地电极(电极2)通过空气桥彼此相连。通过在电极开口4的直径周围设置空气桥26，以便所得结构变得与图8所示结构等效，图8中，电极开口由连续地导体包围着，因而确保了以本征谐振频率发生振荡。如果空气桥26的位置远离电极开口4的直径偏移，则靠近电极开口直径的电磁场分布改变，所以谐振频率改变(减小)。该效果允许由空气桥26位置设置或调节谐振频率。

可以采用键合线或带状引线形成共面传输线的中心导体两侧的各地电极间的连接，代替图10所示的空气桥26。另外，可利用两层互联技术形成各个桥。

尽管图8-10所示例子中采用了共面传输线，但在传输线利用微波带状线路制造时，该电路还可以分面两个组件，即，谐振电路板30和负阻电路板31，如图11所示。尽管位置不同，但图11中，形成于谐振电路电极开口4中的介质谐振器、与介质谐振器耦合的耦合线11和12及与各耦合线11和12相连的传输线11’和12’都类似于图1所示的。负阻电路板31与图8所示类似。通过如上所述将该电路分成谐振电路组件和负阻电路组件，可以单独制造和调节这两个组件。

图12展示了连接形成于电路板6上的微波带状线路与形成于介质片上电极开口中的耦合线的另一技术。该例子中，电路板6包括形成于与形成在介质片上的电极开口4相对应位置处的开口，电路板6部分突出到开口中，以便突出的部分的端点到达形成于电极开口中的耦合线1 1的端点。微波带状线路形式的传输线11’和耦合线11通过焊料等在突起部分彼此相连。也可通过输线11’和耦合线11间的电容实现该连接，代替用焊料的连接。

在上述例子中，耦合线简单地形成于介质片1的表面上的电极开口中。另外，每个耦合线可形成为图13所示的沟槽结构。这种沟槽耦合线可通过以下步骤形成：在将形成耦合线的位置形成沟槽，然后在沟槽的内表面上形成电极。通过采用这种电极结构，可以减少导体损耗，并由此增大介质谐振器的Q0。

在上述实施例中，形成圆形电极开口，以实现TE010模式介质谐振器。另外，还可以形成矩形电极开口，以实现矩形槽模式谐振器，如图14所示。该模式中，平面介质输线用作谐振器，所以该模式可以称为PDTL模式。

图15展示了PDTL模式介质谐振器中的电磁场分布。通过在穿过PDTL模式的磁场方向的方向设置图14所示的耦合线11，可以磁耦合介质谐振器与耦合线。

Claims (6)

1.一种介质谐振装置，包括具有分别形成于介质片的两个主表面上的电极的介质谐振器，每个所述电极具有一开口，其中所述开口相互对准，所述介质谐振装置的特征在于：

与所述介质谐振器耦合的耦合线设置于至少一个开口中；及

传输线形成于所有的所述开口之外，其中所述传输线与所述耦合线电连接。

2.如权利要求1的介质谐振装置，其特征在于所述传输线是以形成于所述介质片上的一个所述电极作为地电极的共面线的形式构成的。

3.如权利要求1的介质谐振装置，其特征在于：

在所述电极的表面上设置有另一介质片或介质膜；及

微波带状线路形成于所述另一介质片或介质膜上，从而所述微波带状线路用作所述传输线。

4.如权利要求1的介质谐振装置，其中所述传输线和所述耦合线通过一导体彼此电气连接，在设置于所述耦合线和所述传输线的末端之间的互联件上形成所述导体，所述导体与所述介质片主表面上的电极绝缘。

5.如权利要求2的介质谐振装置，其中所述共面线包括中心导体，所述中心导体和所述耦合线以单条线的形式构成。

6.如权利要求2的介质谐振装置，其中所述共面线包括中心导体，位于所述共面线的中心导体两侧的两个地电极通过跨所述中心导体延伸的导体彼此相连。

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