CN1169256C - 滤波器装置、双工器和通信装置 - Google Patents

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Abstract

一种双模谐振器，包括导电的腔体，该导电的腔体安装有具有至少一端电气连接到该腔体的导电棒和通过其插入导电棒的绝缘体芯，该双模谐振器双向工作并且将由腔体和导电棒产生的TEM模式与由腔体和绝缘体芯产生的TM模式连接。TEM单模谐振器由腔体和导电棒构成。双模谐振器和TEM单模谐振器构成滤波器装置。

Description

滤波器装置、双工器和通信装置
技术领域
本发明涉及到一种滤波器装置，它具有多个谐振器、双工器和通信装置，例如，基站通信装置。
背景技术
在已有技术中，使用在微波频段并能够处理相对大功率的谐振器包括腔体谐振器和半-同轴的谐振器。半-同轴谐振器又称作同轴腔体谐振器，并且是相对有用地构成紧凑的滤波器等等，因为它的品质因数(Q)比较高而且因为它比腔体谐振器更紧凑。
图11是包含腔体盖已经去掉的半-同轴谐振器的滤波器顶视图。具有由腔体盖覆盖的开口的腔体1包括在谐振器腔体中央的一些圆柱形导电棒4，以便形成多个半-同轴的谐振器。相邻的谐振器通过已知的排列方法彼此连接在一起。
具有TM双模介质谐振器的滤波器也可用于提供一种紧凑谐振器。
图12显示使用TM双模介质谐振器的滤波器的例子。在图12中，腔体1包括处在每个谐振器空间中的十字形电介质芯3，以便提供两种多路复用的垂直TM(横向磁场)模式。
随着微单元蜂窝式移动通信系统的出现，例如便携式电话，在基站中对更小型滤波器的需要已经增加。此外，当安装滤波器的数目已经增加时，更多的成本-效益滤波器已经日益增加需要。
然而，对于每个谐振器来讲，具有半-同轴谐振器的滤波器仍然需要量较大，因而不能减少整个滤波器装置的尺寸。具有TM双模谐振器的滤波器装置包括在所有级中形成电介质芯的谐振器，因此总体上可能是小型化；然而，对于整体模具来讲这需要复杂的制造工艺，从而难以达到成本-效益。
发明内容
因此，本发明通过提供包含小型而且廉价的滤波器装置，双工器，和通信装置等这些特点来解决上述问题。
为此，在本发明的第一方面，一种滤波器装置，包括：
双模谐振器包含导电腔体，在导电腔体内，导电棒的至少一端电连接到腔体，所述导电棒插入绝缘体芯，其中，所述双模谐振器双向工作并且将由腔体和导电棒产生的TEM模式与由腔体和绝缘体芯产生的TM模式耦合；以及
TEM单模谐振器包含导电腔体，该导电腔体安装有至少一端电连接到所述腔体的导电棒。
双模(即，TEM-模式和TM-模式两种模式)谐振器可以用来获得小型的滤波器装置。此外，双模谐振器与TEM单模谐振器连接构成滤波器装置，该滤波器装置在有限空间内具有低成本的预定级数的谐振器。
本发明的另一个方面，一种双工器，包括：
接收滤波器包括多个双模谐振器，每个双模谐振器包括导电腔体，在导电腔体内，导电棒的至少一端电连接到腔体，所述导电棒插入绝缘体芯，其中，所述双模谐振器双向工作并且将由腔体和导电棒产生的TEM模式与由腔体和绝缘体芯产生的TM模式耦合，其中，所述的谐振器彼此耦合；
以及，为接收滤波器提供输入和为发射滤波器提供输出的共享输入/输出端口。
通常比发射滤波器需要更多级数谐振器的接收滤波器是由多个双模谐振器构成，因此可以减小尺寸。发射滤波器包括双模谐振器和TEM单模谐振器，因而在校准方向上能够提供如接收滤波器中同样长度的谐振器，同时满足所需的频率特性。因此，具有接收滤波器和发射滤波器的双工器能够被做得比较小，在接收和发射滤波器中的谐振器长度可以与谐振器的校准方向一致。因此该双工器可以容易地组装到通讯装置中。
双工器还可以包括低噪声放大电路，其用于放大从接收滤波器输出的接收信号，其中，低噪声放大器电路、发射滤波器和接收滤波器都借助于壳体来安装。这将提供了从接收滤波器到低噪声放大器电路较短的距离，因此抑制了引入的噪音，以致于能够从双工器输出高信噪比的接收信号。
双工器还可以包括处于共享输入/输出端口和天线端口之间的低通滤波器，其用于在发射和接收频带范围之内传输的信号分量，而且用于在比该发射和接收频带范围较高的频率范围中阻滞信号分量。这可以抑制由于寄生模式产生的非期望信号的发射。
还有在本发明的另一个方面之内，通信装置，例如基站通信装置，其包括上述的双工器，以及包括连接到双工器的发射机和接收机。因而基站通信装置可以做的小型并且获得成本-效益。
附图说明
从下面参照附图描述的本发明实施例中，本发明的其他特点和优点将变成得更清楚。
图1是根据本发明第一实施例的滤波器装置中的双模谐振器横截面视图；
图2A到2C举例描述图1所显示的滤波器装置中双模谐振器的谐振模式的电磁场分布；
图3是显示双模谐振器的两个谐振模式彼此耦合的顶视图；
图4A和4B是根据第一个实施例滤波器装置的两种装置的顶视图；
图5是显示彼此耦合的两个双模谐振器结构的透视图；
图6是双模谐振器和TEM单模谐振器彼此耦合的结构的透视图；
图7A和7B是分别根据本发明第二个实施例的双模谐振器的顶视图和纵向横断面视图；
图8是根据本发明第三个实施例的双工器横截面视图；
图9是根据本发明第四个实施例的基站通信装置的方框图；
图10是图9所显示的基站通信装置的分解透视图；
图11是常规滤波器装置的结构视图；以及
图12是另一种常规滤波器装置的结构视图。
具体实施方式
现在参考图1到6描述本发明第一实施例的滤波器装置的结构。
图1是双模谐振器的横截面视图。在图1中，腔体1有一个可以用腔体盖2覆盖的开口。腔体盖2包括位于它中间的频率-调节螺丝，它通过提供在导电的棒4顶部和腔体盖2内表面之间的预定间隙长度来调节谐振频率。
绝缘体芯3的两个纵向端面都粘结到腔体1的内壁表面。例如，已经用银电极金属化的绝缘体芯3的末端表面被焊接和粘结到腔体1的内壁表面，以致绝缘体芯3被定位在腔体空间的中央。腔体1和腔体盖2是通过铸造或切割金属材料来制造的，或者通过在陶瓷或树脂元件上沉淀导电薄膜来制造。
耦合-调节部件17安装在腔体1内下表面上的预定位置。该耦合-调节部件17可以整体地模铸在腔体1上，或者可以在长方形金属块上攻丝来形成。耦合-调节部件17允许在TEM模式和TM模式之间要调节的耦合量，这将在后面描述。绝缘体芯3有形成在其中的耦合-调节孔h。绝缘体棒(没有显示)可以通过耦合-调节孔h从外部插入，而且取决于插入的量来调节TEM模式和TM模式之间的耦合量。
图2A到2C显示双模谐振器的模式中示例的电磁场分布。在图2A到2C中，实线箭头表示电场矢量，而虚线箭头表示磁场矢量。图2A是由绝缘体芯3和腔体产生的TM模式中的电磁场分布。在这种模式中，电场矢量是在绝缘体芯3的纵向上，而磁场矢量垂直于绝缘体芯3的纵向上环绕。虽然绝缘体芯3是长方形的，但是在这里对于模式的表示法使用柱面坐标系统，并且在电场强度分布中的波数量可以表示为TMθrh，其中值h是处在传播方向上，值r是处在垂直于传播方向的辐射平面上，值θ是处在垂直于传播方向的沿圆周方向的平面上。因此，图2a显示的模式可以表示为TMO10模式，但是这种模式与标准的TMO10模式不同。在这个例子中，因为绝缘体芯3不是圆柱形，而且导电棒4位于绝缘体芯3的中央，所以这种模式是类似的TMO10模式。
图2B是由腔体和导电棒构成的半-同轴谐振器的顶视图，而图2C是图2B中显示的半-同轴谐振器的前视图。这种模式是TEM模式，其中电场矢量是在从导电棒的辐射方向直接朝着腔体内壁表面方向，而磁场矢量在沿圆周方向环绕在导电棒周围。然而，与标准的半-同轴谐振器不一样，图2B和2C中显示的半-同轴谐振器是由绝缘体芯3加载的，并且在导电棒4的顶端和腔体的上表面之间存在开口。因此，这种模式是类似的半-同轴谐振器模式。
图1中显示的谐振器元件的尺寸是合适的，以致该谐振器可以用作为2GHz频带的具有1910MHz谐振频率的TM模式和2155MHz谐振频率的TEM模式的谐振器。
在图2A到2C中，因为在TM模式和TEM模式中，绝缘体芯3纵方向上的电场矢量强度是平衡的，所以如果不改变这些模式就不能彼此耦合在一起。因此，造成两种模式中的电场强度不平衡，结果两种模式彼此耦合。
图3是两种模式互相连接的机械结构例子的顶视图，显示的是在腔体盖2移去之后的谐振腔体1。TEM-模式的电场矢量ETEM指向自导电棒4的辐射方向，而TM-模式的电场矢量ETM指向沿着绝缘体芯3的方向。为了相互耦合这两种模式，造成从绝缘体芯3的纵向端到中心部分(导电棒4)的电场强度和从绝缘体芯3的另一端到中心部分的电场强度不平衡。为了这个目的，提供图3中显示的耦合-调节孔h，因此导致它附近的电场强度不均匀。这个结果使得TEM模式和TM模式耦合。该耦合量取决于耦合-调节孔h的尺寸(内径或者深度)，或者绝缘体棒(没有显示)插入耦合-调节孔h中的量。
根据第一个实施例，绝缘体芯3中央的孔和导电棒4之间存在隙缝，因此能够抑制由于导电棒4中电流产生的导体损耗而且增加谐振器的品质因数。在某些实施例中，这个隙缝不是必要的，形成在绝缘体芯中的孔可以与导电棒啮合。
图4A和4B是两种类型滤波器装置的顶视图，腔体的盖从该滤波器装置上已经移开。图5是图4B所显示的RWa和RWb皆振器结构的透视图。图6是图4A所显示的RWa和RSb皆振器结构的透视图。在图5和6中，腔体的空间是用双-点链线表示的。
举例来说，铝谐振腔体1被分割成为四个部分。圆柱形导电棒4a，4b，4c，和4d整体地形成在谐振腔体1上。每一个导电棒4a，4b，4c，和4d与谐振腔体一起构成TEM模式谐振器。在图4A和4B中，多个实质上长方形的绝缘体芯3a，3b，3c，和3d与谐振腔体一起构成TM谐振器。
在图4A中，谐振器RWa和RWb是双模谐振器，而谐振器RSb和RSc是TEM单模谐振器。耦合环9a和9d具有粘结到谐振腔体1内壁表面的第一端，而第二端分别连接到同轴电缆连接盒8a和8d的中间导体。耦合窗15ab，15bc，和15cd提供在相邻谐振腔体空间之间的边界上。
耦合环9a与由绝缘体芯3a产生的TM模式耦合在一起，而该TM模与由导电棒4a产生TEM模耦合在一起。该TEM模经过耦合窗口15ab与导电棒4b产生的TEM模式耦合在一起。该TEM模式还经过耦合窗口15bc与由导电棒4c产生的TEM模式耦合在一起。该TEM模式经过耦合窗口15cd与由导电棒4d产生的TEM模式耦合在一起。该TEM模式与由绝缘体芯3d产生的TM模式耦合在一起。耦合环9d与该TM模式耦合在一起。最后，具有图4A显示的结构，两个双模谐振器和两个TEM单模谐振器，就是说，总共六级谐振器彼此依次耦合在一起，作用就像具有带通特性的滤波器。
在图4B中，双模谐振器RWa，RWb，和RWc，以及TEM单模谐振器RSd，就是说，总共七级谐振器形成一个滤波器。尤其是，耦合环9a与由绝缘体芯3a产生的TM模式耦合在一起，而该TM模式与由导电棒4a产生的TEM模式耦合在一起。该TEM模式与由导电棒4b产生的经过耦合环10ab的TEM模式耦合在一起。该TEM模式与由绝缘体芯3b产生的TM模式耦合在一起。该TM模式与由绝缘体芯3c产生的经过耦合环10bc的TEM模式耦合在一起。该TEM模式与由导电棒4c产生的TEM模式耦合在一起。该TEM模式经过耦合窗口15cd与由导电棒4d产生的TEM模式耦合在一起。耦合环9d连接导电棒4d到同轴电缆连接盒8d的中间导体。因此，耦合环9d与由导电棒4d产生的TEM模式耦合在一起。
耦合环10ab即不与由绝缘体芯3ab产生的TM模式耦合也不与由绝缘体芯3b产生的TM模式耦合，而且这两种TM模式也没有直接地相互耦合。耦合环10bc即没有与由导电棒4b产生的TM模式耦合也没有与由导电棒4c产生的TEM模式耦合，而且这两种TM模式相互也没有直接耦合。
图7A是本发明第二实施例的已经移去谐振腔体盖的滤波器装置顶视图，而图7B是滤波器装置的纵向横截面视图。在第二实施例中，绝缘体芯3的末端表面与谐振腔体的内壁表面分开一定间隔。在图7B中，用于支撑绝缘体芯3的支撑部件5是用低介电常数金属制造的管，并且粘结到绝缘体芯3上。导电棒4通过绝缘体芯3插入到附着的支撑部件5，因此，绝缘体芯3基本上被安装在谐振腔体的中央。
如果在绝缘体芯3的纵向端面与谐振腔体内壁表面之间存在间隙，则电场强度也在传播方向上变化，所以这个谐振的模式可以表示为TMO1δ模式，在此δ是小于1的数，这意味着尽管完整的波没有在传播方向上实现，但是强度改变了。
按照这种结构，在绝缘体芯3的端面与谐振腔体的内壁表面之间的间隙中就产生静电电容，因此减少了面对绝缘体芯3的纵向端面的谐振腔体的两个内壁表面之间的静电电容。这将导致增大谐振腔体(面对谐振腔体内壁表面之间的距离)的尺寸，以便获得TM模式中需要的谐振频率。然而，谐振腔体中电流的电流密度减小，因此增加了谐振器的品质因数。
现在参考图8描述本发明第三实施例双工器的结构。
在图8中，发射滤波器Ftx包括双模谐振器RWtxa与RWtxd，和TEM单模谐振器RStxb与RStxc。接收滤波器Frx包括双模谐振器RWrxa，RWrxb，RWrxc，和RWrxd。该双工器还包括用于输入传输信号的同轴连接器8tx，用于连接天线电缆的同轴连接器8ant、用于输出接收信号的同轴连接器8rx。
双模谐振器RWrxc的TEM模式经过耦合环10cd与双模谐振器RWrxd的TEM模式耦合在一起。耦合环9rx与双模谐振器RWrxa的TM模式耦合在一起。耦合环9tx与双模谐振器RWtxd的TM模式耦合在一起。组合导体18将耦合环9tx的第一端和9rx的第一端相互连接，并且利用预定的相位将发射信号与接收信号耦合，以便连接合成号到天线同轴电缆连接器8ant的中间导体。
在图8中，跨越-连接导体19rx(24)提供耦合进入双模谐振器RWrxa的TEM模式的磁场，以及提供耦合进入双模谐振器RWrxb的TM模式的磁场。该跨越-连接导体19rx(24)允许接收滤波器Frx中的第二和第四级谐振器彼此耦合在一起。跨越-连接导体19rx(57)提供耦合进入双模谐振器RWrxd的TEM模式的磁场，以及提供耦合进入双模谐振器RWrxc的TM模式的磁场。该跨越-连接导体19rx(57)允许接收滤波器Frx中的第五和第七级谐振器彼此耦合在一起。以这种方法，谐振器每隔一级连接，而且选择耦合的极性，因此，在接收频带附近产生大的衰减。
跨越-连接导体19tx(13)容许双模谐振器RWtxa的TEM模式与TEM单模谐振器RStxb的TM模式耦合在一起。在第一和第三级的谐振器彼此耦合在一起，因此，在发射滤波器Ftx的接收频带附近产生较大的衰减。
跨越-连接导体19tx(367)容许TEM单模谐振器RStxb的TM模式与双模谐振器RWtxd的TM模式耦合在一起，而且还与耦合环9tx耦合在一起。跨越-连接导体19tx(367)允许第三和第六级谐振器彼此耦合在一起。同时，它容许在第三级的谐振器和在第七级的输出耦合环彼此耦合在一起。以这种方法，在第三和第六级的谐振器彼此耦合在一起，以及在第三级的谐振器与输出耦合环彼此耦合在一起。这将在高频范围附近以及在发射频带的低频范围附近产生较大的衰减。
因此，可以在预定位置提供跨越-连接导体，以便容易地在多级谐振器中相互耦合预定谐振器。
现在参考图9和10来描述本发明第四实施例通信装置的结构。在这个例子中所描述的装置是基站，但是本发明同样地适用于便携式的通信装置。
图9举例说明元件之间的连接关系，而图10是整个装置的分解透视图。用于连接到天线电缆的同轴电缆连接器用ANT表示，用于连接到发射机的同轴电缆连接器用TX来表示，而用于连接到接收机的同轴电缆连接器用RX来表示。用于连接到另一个空间分集式天线电缆的同轴电缆连接器是用Div.ANT表示。通信装置包括多个低通滤波器LPF，它们用来在发射和接收频带范围内传输信号分量而在高于发射和接收频带范围的频率范围内阻滞信号分量。两个低通滤波器LPF都是分布-常数类型的同轴线滤波器。双工器DPX与图8所示的类型相同，而且由发射滤波器Ftx和接收滤波器Frx来构成。空间-分集接收滤波器BPF与双工器DPX中的接收滤波器Frx具有同样的结构。如有必要或者希望，通信装置还包括带通滤波器GGF，它在传输频率频带内传输信号分量。
经过带通滤波器GGF传输的信号通过Div.TX端子输出。尤其是，从连接到同轴电缆连接器ANT的天线(没有显示)发射的无线电波由另一个连接到端子Div.ANT的空间-分集式天线(没有显示)直接接收。该接收的信号通过低通滤波器LPF和带通滤波器GGF，然后从Div.TX端子输出。该输出的信号用来监视发射信号。
通信装置还包括低噪声放大器电路LNA，它以预定的增益分别放大来自双工器DPX中接收滤波器Frx的输出信号和来自空间-分集接收滤波器BPF的接收信号。放大的信号将被分成四个路线，然后从相应的同轴电缆连接器输出。
在图10中，机壳20包含两个安装在其中的低噪声放大器电路LNA，和包括在其上安装有两个低通滤波器LPF，双工器DPX和空间-分集接收滤波器BPF的中间板22。前面板23附着到机壳20的侧面开口，而机壳20用盖21盖上，因此构成了基站通信装置。
用于双工器DPX中接收滤波器Frx和空间-分集接收滤波器BPF的输出连接器经过中间板22的切口部分直接连接到低噪声放大器电路LNA的同轴电缆连接器。来自每个低噪声放大器电路LNA的输出信号由四个从前面板23输出的同轴电缆连接器引出。
在本发明已经参考举例说明的实施例描述后，应当理解，在不违背本发明的精神和范围内，本发明没有限制各种修改，变化，和改变。

Claims (5)

1.一种滤波器装置，包括：
双模谐振器包含导电腔体，在导电腔体内，导电棒的至少一端电连接到腔体，所述导电棒插入绝缘体芯，其中，所述双模谐振器双向工作并且将由腔体和导电棒产生的TEM模式与由腔体和绝缘体芯产生的TM模式耦合；以及
TEM单模谐振器包含导电腔体，该导电腔体安装有至少一端电连接到所述腔体的导电棒。
2.一种双工器，包括：
根据权利要求1所述的作为发射滤波器的滤波器装置，发射滤波器包括双模谐振器和TEM单模谐振器，其中，谐振器彼此耦合；
接收滤波器包括多个双模谐振器，每个双模谐振器包括导电腔体，在导电腔体内，导电棒的至少一端电连接到腔体，所述导电棒插入绝缘体芯，其中，所述双模谐振器双向工作并且将由腔体和导电棒产生的TEM模式与由腔体和绝缘体芯产生的TM模式耦合，其中，所述的谐振器彼此耦合；
以及，为接收滤波器提供输入和为发射滤波器提供输出的共享输入/输出端口。
3.根据权利要求2所述的双工器，其特征在于还包括低噪声放大电路，其用于放大从接收滤波器输出的接收信号，其中，低噪声放大器电路、发射滤波器和接收滤波器都装在壳体内。
4.根据权利要求2所述的双工器，其特征在于还包括处于共享输入/输出端口和天线端口之间的低通滤波器，其用于在发射和接收频带内传输信号分量，而且在比发射和接收频带范围高的频率范围中阻滞信号分量。
5.一种通信装置，包括：
根据权利要求2所述的双工器；和
分别连接到双工器的发射滤波器和接收滤波器的发射机和接收机。
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