CN1190269A - 介质谐振器装置 - Google Patents

Abstract

一种介质谐振器装置有一个介质体。各电极分别形成在介质体的上下表面上。介质谐振器装置垂直于介质体上下表面谐振。介质体上的各电极是通过交替层叠薄膜电极层和薄膜介质层而形成的一多层薄膜电极。把多层薄膜电极层夹在其中的各薄膜介质层用作一介质谐振器。多层薄膜电极起到多个介质谐振器的一层叠结构的作用。因此,电流分布在多个薄膜电极层上,由此可减轻介质体表面上的电流集中。最终,减少了整个谐振器装置的导电损失。

Description

介质谐振器装置

本发明广泛涉及介质谐振器装置，尤其涉及用于毫米波或微波波段的介质谐振器装置。

迄今为止，把TE01^*模式介质谐振器和TE模式介质谐振器用作功率比较高的微波波段介质谐振器。在TE01^*介质谐振器中，一圆柱形或管状介质体设置在一保护罩内。在TM模式介质谐振器中，在一介质板或一介质体的表面上设置一电极。特别是，由于TE模式介质谐振器结构紧凑，可以获得一个较高的无载Q(Q_o)系数，它们用在例如一移到通讯蜂窝系统中的一基站的共用天线装置(antennasharing unit)中。

在TM模式介质谐振器中，位移电流沿电场分布流动，而在形成于谐振器表面上的电极中有一电流流动。这样，由于电极的导电损失而使谐振器Q_o系数下降。因此，当用一种具有较高的相对介质常数的介质材料使介质谐振器小型化时，谐振器表面的电流密度上升，由此降低谐振器Q_o系数。即，介质谐振器的小型化与增加Q_o系数之间的关系是相互牺牲的关系。

因此，本发明的一个目的是提供一种小型化的介质谐振器，同时又能保持较高的Q_o系数。

为实现本发明的目的，根据本发明的一个方面，提供一种介质谐振器装置，这种装置包括：一第一介质谐振器；一形成在介质谐振器的一表面上的第一薄膜电极层；一形成在第一薄膜电极层上的介质层；一形成在介质层上的第二薄膜电极层；和一使第一薄膜电极层和第二薄膜电极层短路连接的第三薄膜电极层，第一电极层和第二电极层的端部短路连接。

由于各薄膜电极层的端面短路连接，形成在介质谐振器装置上的每一介质层用作一介质谐振器。这样，介质谐振器装置具有多个重叠的介质谐振器。一电流流动，同时从谐振器装置的表面分布到各个电极层，由此减少导电损失。

在前述的介质谐振器装置中，每一薄膜电极层的厚度基本上等于或小于介质谐振器装置的谐振频率的集肤深度(skin depth)。通过使用薄的电极层，介质谐振器彼此电磁耦合，由此使电流分布在各个电极层上。

此外，各个介质谐振器的谐振频率可彼此相等。那么，在每一薄膜电极层中流动的电流可与在介质谐振器装置的表面上流动的电流同相，由此降低在每一薄膜电极层中的电流密度。从而介质谐振器装置的导电损失也下降。

根据本发明的另一个方面，提供一种介质滤波器，它包括多个电磁耦合的介质谐振器。每一介质谐振器的一个表面上至少有一层介质层和至少一对把该介质层夹在其间的电极层。由于在介质谐振器装置的部分表面上形成一表面电极，从而可获得一导电损失降低的介质滤波器。

根据下面结合附图对较佳实施例的描述将使本发明的其它目的、特征和优点显得更加清楚。

图1A和1B分别是本发明第一实施例的介质谐振器装置的立体图和剖视图；

图2是图1A和1B所示的介质谐振器装置的部分放大的剖视图；

图3A示出了图1A所示的介质谐振器装置的电磁场分布；

图3B示出了在图1A示出的介质谐振器装置电极中流动的电流的分布；

图4A和4B示出了在图1A和1B示出的介质谐振器装置的多层薄膜电极中流动的电流；

图5A和5B示意性地示出了在图1A和1B中示出的介质谐振器装置的多层薄膜电极中流动的电流的分布；

图6A和6B分别是本发明第二实施例的介质滤波器的立体图和剖视图；

图7A和7B示出了用于图6A和6B所示的介质滤波器的两个垂直连接的介质谐振器装置之间的耦合状态；

图8A和8B示出了用于图6A和6B所示的介质滤波器的两个水平连接的介质谐振器装置之间的耦合状态；

图9A、9B和9C示出了本发明第三实施例的介质谐振器装置的不同结构；

图10A和10B分别是一个立体分解图和一个剖视图，它们示出了本发明第四实施例的介质谐振器装置的结构；

图11A和11B分别是一个立体分解图和一个剖视图，它们示出了本发明第五实施例的介质谐振器装置的结构；

图12是一示出本发明第六实施例的介质滤波器的立体图；

图13A、13B和13C示出了图12所示的介质滤波器中的介质谐振器装置的耦合模式和耦合状态；以及

图14A和14B分别是一立体图和一剖视图，它们示出了本发明第七实施例的介质滤波器的结构。

下面结合图1至5说明本发明的第一实施例的介质谐振器装置的结构。

图1A和1B分别是本发明第一实施例的介质谐振器装置的立体图和侧视图。总的用标号10表示的介质谐振器有一个介质体1。在介质体1的上表面和下表面上分别形成多层薄膜电极2，而在介质体1的侧表面上分别设置单层电极5。

图2是图1B所述的介质谐振器的A部分的放大的侧视图。薄膜电极层3a、3b、3c和3d以及薄膜介质层4a、4b和4c交替重叠，以形成多层的薄膜电极2。薄膜电极层3和薄膜介质层4的数量不受图2所示的层数的限制。

可通过重复下面的过程制造多层薄膜电极2。首先喷射铜(Cu)形成一薄膜电极层3，随后喷射介质常数比介质体1低的材料以形成一薄膜介质层4。一由Ti或Cr制成的粘结层介于电极层3与介质层4之间，以加强它们之间粘结性能。多层薄膜电极2形成之后，把Cu镀在介质体1的侧表面以形成单层电极5。因此，在多层薄膜电极2的周围部分形成短路连接(short circuiting)。尽管要镀的Cu的数量能在多层薄膜电极2形成短路就足够了，但所镀的Cu薄膜可延伸到多层电极2的最外层上。为了大量生产上述的介质谐振器装置，可用上述方法在一介质母板上形成多层薄膜电极2，再把母板分割成各块介质谐振器装置。然后在每一谐振器的侧表面镀上Cu以形成单层电极5。

图3A示出在图1A和1B所示的TM110模式介质谐振器装置内所产生的电磁场分布。图3B示出TM110模式介质谐振器电极中的电流分布。如图3A所示，四棱柱形介质谐振器装置的一个顶点定为原点，从原点延伸的三条边分别定为x、y和z轴。电场矢量沿z轴(实线)延伸，而磁场矢量位于x和y轴平面(虚线)。在上述的电磁场分布中，在谐振器装置10上表面上的多层薄膜电极2的电流从重心流到电极2的边缘，而在单层电极5中的电流从上往下流，如图3B所示。此外，在位于谐振器装置10的下表面上的薄膜电极2中的电流从边缘流到电极2的重心。

图4A和4B示出了图2所示的薄膜电极层3中的电流流动。每一薄膜介质层4a、4b和4c交替地夹在薄膜电极层3a、3b、3c和3d之间，由此形成一个很薄的介质谐振器。由所述介质层4形成的每一谐振器的谐振频率被确定为是基本上等于只包含一个介质体1的整个谐振器装置10的谐振频率。因此，在上下电极层中流动的电流彼此是同相的。这样，如图4A所示，介质谐振器装置10的一电流ia在薄膜电极层3a中流动，由介质层4a产生的一电流ib在电极层3a和3b中流动，由介质层4b产生的一电流ic在电极层3b和3c中流动，由介质层4c产生的一电流id在电极层3c和3d中流动。因此，组合电流ia ib在电极层3a中流动，组合电流ib ic在电极层3b中流动，组合电流ic id在电极层3c中流动。图中所示的白的箭头示意性地示出了组合电流的方向和大小。以这种方式，减轻了在介质体1表面的电流集中程度，而电流分布到谐振器装置10的电极层3a、3b和3c上。

对于介质体1而言，例如，可使用一种相对介质常数约为40的介质陶瓷。对于薄膜电极层3，可使用相对介质常数小于40的介质材料。通过使用上述材料，由电极层3形成的谐振器的谐振频率可基本上等于介质体1的谐振频率。各电极层3的厚度定为等于或小于介质体1的谐振频率的集肤深度。介质体1内的电磁场穿过薄膜电极2到达电极2的顶层，由此耦合介质体1和各介质层4a、4b和4c。

图5A示出了在图4A所示的薄膜电极2的各薄膜电极层3中流动的电流分布。图5B示出了在单层电极中流动的电流分布。在图5A和5B中，H_y表示沿y轴的磁场(垂直于附图平面的方向)；E_z表示沿z轴的电场；以及J_z表示沿z轴的电流密度。当一单层电极形成在介质体1上时，电流密度朝电极的顶表面指数衰减，大量的电流在介质体1的表面流动。可是，根据本实施例的结构，电流密度如图5A所示分布在薄膜电极层上，由此减轻了电流密度的集中。美国专利申请第08/604952号对设计前述多层薄膜电极的工艺进行了详细的说明，在此援引该专利申请的公开内容作为参考。

上述构造的介质谐振器的改进的Q_o系数的例子如下。大小为13.2mm×13.2mm×3.0mm、相对介质常数r为38的一种介质陶瓷用作介质体，导电率F为5.0×10⁷S/m的导电材料用作电极。这样形成一种谐振频率f_o为2.6GHz的TM110模式介质谐振器装置。介质谐振器装置的Q_o的表达式是1/Q_o＝1/Q_cu+1/Q_cs+1/Q_d，其中形成在介质体上下表面上的电极的Q用Q_cu表示，形成在介质体侧表面上的电极的Q用Q_cs表示，以及介质体的Q用Q_d表示。如果形成在介质体各个表面上的电极有单层电极形成，则各个参数如下：Q_cu＝2143，Q_cs＝4714，Q_d＝20000。因此，根据上述的等式，介质谐振器的Q_o等于1372。换句话讲，如果介质体上下表面上的电极是由五层电极层的多层薄膜电极所形成的，各个参数分别如下：Q_cu＝4286，Q_cs＝4714，Q_d＝20000。因此，介质谐振器的Q_o系数等于2018，大约是使用单层电极的介质谐振器的Q_o系数的1.47倍。

下面结合图6至8说明用本发明的第二实施例的介质谐振器装置形成的一种介质滤波器。

图6A是一个组合了四个介质谐振器装置而形成的介质滤波器的立体图；图6B是图6A所示的介质滤波器的部分剖视图。介质谐振器装置11、12、13和14除了无电极部W1设置在介质谐振器装置11和12之间的接触表面之外，从根本上来讲是类似于图1所示的谐振器装置。无电极部是介质谐振器没有被一电极所覆盖的一个区域。例如在无电极部W1中，这种未覆盖电极的部分设置在谐振器装置11的上表面和谐振器装置12的下表面并彼此对齐。一无电极部W2形成在谐振器装置12与13之间的接触表面上。此外，一无电极部W3形成在谐振器装置13与14之间的接触表面上。同轴连接器15和16分别连接于谐振器装置11和14的侧表面上。多层薄膜电极分别设置在谐振器装置12和13的上表面和谐振器装置11和14的下表面上，而在具有无电极部W1和W3的表面上形成单层电极。为了进一步降低导电损失，可在谐振器装置12和13的下表面和谐振器装置11和14的顶表面分别设置多层薄膜电极。这样，每一电极层在无电极部W1或W3形成一个断开的端面；即，各薄膜电极在无电极部W1或W3不是彼此导电连接的。采用图形蚀刻来部分切割电极，以此获得这种无电极部。

图6B是形成在介质谐振器装置11侧表面上的安装部分的剖视图。一耦合圈由同轴连接器15的中心导体所形成并插入设置在介质谐振器装置11的介质体中的一孔中。

图7是图6A所示的介质谐振器11与12之间的耦合状态的侧视图。图7A示出了偶数模式(even mode)的电场分布，图7B示出了奇数模式(odd mode)的电场分布。所给出的部分都具有无电极部W1，奇数模式的电容下降使奇数模式的谐振频率f_odd比偶数模式的谐振频率f_even高，由此使介质谐振器装置11和12电耦合。

图8示出图6所示的介质谐振器装置12与13之间的耦合状态。图8A示出奇数模式的磁场分布，图8B示出偶数模式的磁场分布。所给出的介质谐振器装置具有无电极部W2，用增加的电感分量使偶数模式的谐振频率下降，由此使奇数模式的谐振频率f_odd比偶数模式的谐振频率f_even高。这样，介质谐振器装置12和13被磁耦合。如在介质谐振器装置11和12中的那样，介质谐振器装置13和14通过无电极部W3而电耦合。在图6所示的介质滤波器中，电耦合或磁耦合以给定的次序顺序建立在同轴连接器15、介质谐振器装置11、12、13和14和同轴连接器16之间。这样，就能获得一种具有带通滤波器(bandpass filter)特性的四级谐振器滤波器。

如象前述的实施例那样，在每一介质谐振器装置的上下表面上形成多层薄膜电极，由此提高Q_o系数，例如提高到传统谐振器的1.47倍。因此，上述带通滤波器的插入损失就可减少，例如减少1至1.47倍。

图9A、9B和9C分别是本发明第三实施例的具有不同结构的介质谐振器装置的立体图。在第一和第二实施例中描述的各个谐振器装置使用了基部为正方形的棱柱形介质板。但也可采用图9A所示的矩形棱柱介质板或介质体或图9B所示的圆柱形介质板或介质体。或使用一种具有例如如图9C所示的基部为至少五条边的多边形的多边形介质板或介质体。不管使用怎样的结构，都应在介质板的上下表面上形成多层薄膜电极。

图10示出本发明第四实施例的一介质谐振器装置的结构。如图10A所示，在具有底表面的管状腔22内形成一体的圆柱形介质体21，一盘状介质板23结合到管状腔22的开口上。这样形成了如图10B所示的在圆柱形坐标上TM010模式的介质谐振器装置。在介质板23的上表面和管状腔22的下表面上分别设置多层薄膜电极2，而在介质板23的外周表面和管状腔22的外周表面上形成单层电极5。

图11示出了本发明的第五实施例的一介质谐振器装置的结构。图11A是一立体分解图，图11B是图11A所示的各部件装配好之后沿线A-A截取的剖视图。在一多棱管状腔22内一体地形成一棱形介质体21，介质板23和24结合到管状腔22的两个开口上。在该实施例中，管状腔22的上下表面上设置有多层薄膜电极2，而在介质板23和24的内表面上形成单层电极5。

如图11B所示的设置在多层薄膜电极2的左右边缘的介质板23和24还支承各电极，以使薄膜电极2短路。短路电极是通过如下的加工制成的。在介质板23和24的每一表面上形成薄的电极膜，使介质板23和24分别与管状腔22的开口接触。有了这种结构，薄的电极膜使薄膜电极2的边缘短路。短路电极最好是由薄的电极形成，因为大体积的短路电极对谐振器装置的特性有不良的影响。

下面结合图12和13描述本发明的第六实施例的介质滤波器的结构。

参阅图12，TM双模式介质谐振器装置11和12都由一介质板形成。在每一谐振器装置的介质板的上下表面上形成多层薄膜电极，而在介质板的外周表面上设置单层电极。此外，在两谐振器装置之间的接触表面上形成一无电极部W。具有内耦合圈的同轴连接器15和16并排设置在两谐振器装置表面的同一平面中。

图13示出图12所示的介质谐振器装置11和12的谐振模式和耦合状态。用虚线表示的箭头代表磁场分布。如图13A和13B所示，两个谐振器装置11和12以退化模式诸如一TM120模式(此后简称为TM12模式)和一TM210(此后简称为TM21模式)谐振。同轴连接器15和16的耦合圈磁耦合于TM12模式。如在图13C所示的耦合状态中所看到的那样，由于无电极部W的存在，介质谐振器装置11和12以TM21模式彼此磁耦合。此外，各个介质板的拐角部分斜切，以使TM21模式的偶数模与TM12模式的奇数模之间的谐振频率产生差异，由此耦合两个模式。因此，在图12所示的介质滤波器中，磁耦合以规定次序建立在同轴连接器15、介质谐振器11的TM12模式、介质谐振器11的TM21模式、介质谐振器12的TM21模式、介质谐振器12的TM12模式和同轴连接器16之间。所以，可获得一种四级的谐振器带通滤波器。

图14A和14B分别是本发明第七实施例的介质滤波器的立体图和剖视图。多个介质谐振器装置11、12、13和14的平表面彼此结合以形成一个多层的介质滤波器。此外，在各个介质板之间的接触表面上形成无电极部W1、W2和W3以电耦合介质谐振器装置11、12、13和14，由此制造出一多级滤波器。在这种情况下，在介质板的平表面上各电极都由多层薄膜电极所形成，单层电极设置在介质板的外周表面上。这样就可以降低介质谐振器装置的导电损失，由此获得一种插入损失很小的滤波器。

Claims (12)

1.一种介质谐振器装置，它包括：

一第一介质谐振器；

一形成在所述介质谐振器的一表面上的第一薄膜电极层；

一形成在所述第一薄膜电极层上的介质层；

一形成在所述介质层上的第二薄膜电极层；以及

一使所述第一薄膜电极层和所述第二薄膜电极层短路的第三薄膜电极层，所述第一电极层和第二电极层在它们的端部短路连接。

2.如权利要求1所述的介质谐振器装置，其特征在于，所述第一、第二和第三薄膜电极层的各个厚度基本上等于或小于所述第一介质谐振器的谐振频率的集肤深度。

3.如权利要求1所述的介质谐振器装置，其特征在于，所述介质层和所述第一和第二薄膜电极层形成一第二介质谐振器，所述第二介质谐振器的谐振频率等于所述第一介质谐振器的谐振频率。

4.如权利要求1所述的介质谐振器装置，其特征在于，还包括交替层叠在所述第二薄膜电极层上的一组多个介质层和多个薄膜电极层，其中所述第三薄膜电极层短路连接所述第一薄膜电极层、所述第二薄膜电极层和所述多个电极层的各个端部。

5.如权利要求1所述的介质谐振器装置，其特征在于，一第四薄膜电极层形成在所述第一介质谐振器的表面上，该表面与其上形成所述第一薄膜电极层的表面相对。

6.如权利要求5所述的介质谐振器装置，其特征在于，所述第三薄膜电极层短路所述第一、第二和第四薄膜电极层。

7.一种介质滤波器，它包括：

一第一介质谐振器，它具有至少一层介质层和一对把所述介质层夹在其中的第一和第二电极层、一第三电极层和一短路连接所述第一和第二电极层端部的第四电极层，所述介质层和所述第一和第二电极层形成在所述第一介质谐振器的一个表面上，所述第三电极层形成在所述第一介质谐振器的另一个表面上；

一第二介质谐振器，它具有至少一个介质层和一对把所述介质层夹在其中的第五和第六电极层、一第七电极层和一短路连接所述第五和第六电极层端部的第八电极层，所述介质层和所述第五和第六电极层形成在所述第二介质谐振器的一个表面上，所述第七电极形成在所述第二介质谐振器的另一表面上；

一电磁耦合于部分所述第一介质谐振器的输入装置；

一电磁耦合于部分所述第二介质谐振器的输出装置；以及

用于电磁耦合于所述第一和第二介质谐振器的装置。

8.如权利要求7所述的介质滤波器，其特征在于，所述电磁耦合装置包括一第一部分和一第二部分，在第一部分去掉形成在所述第三电极层的一个电极，在第二部分去掉形成在所述第七电极层的一个电极，所述第一部分和所述第二部分彼此相对。

9.如权利要求7所述的介质滤波器，其特征在于，所述第三电极层和所述第七电极层各包括多个介质层和交替地把所述多个介质层夹在其间的多个电极层。

10.如权利要求8所述的介质滤波器，其特征在于，每一所述电极层在所述第一部分或所述第二部分形成一开口的端面。

11.一种介质谐振器，它包括：

一至少有一个开口的空心壳体，所述空心壳体的外表面覆盖有一电极层；

一第一介质体，它作为一介质块形成并设置在所述壳体内；以及

一位于所述壳体上以覆盖所述开口的第二介质体，一介质层和一对把所述介质层夹在其中的第一电极层形成在所述第二介质体的外表面上，还有一短路连接所述一对第一电极层端部的第二电极层形成在所述第二介质体的外表面上。

12.一种介质谐振器，它包括：

一至少有一个开口的空心介质体，一介质层和一对把所述介质层夹在其中的电极层形成在所述空心介质体的一个表面上并延伸到所述开口，所述一对电极层在所述开口及其附近形成一个开口的端面；

一设置在所述空心介质体内的介质体；以及

一覆盖所述开口的覆盖件，一形成在接触所述开口的所述覆盖件的表面上的电极层，其中所述覆盖件和所述开口彼此对齐，由此短路连接所述开口的端面。

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