CN1234625A - 介电谐振器、介电滤波器、振荡器、共用设备和电子设备 - Google Patents

Abstract

在一种介电谐振器中,具有彼此相对的电极非定型单元片和大体上相同形状和尺寸的电极位于介电板的相对的主表面上。夹在彼此相对的电极非定型单元片间的介电板的部分被作为介电谐振器单元片。而且,介电谐振器的特性通过粘结介电片到介电谐振器单元片内或相邻介电谐振器单元片间来调整。

Description

介电谐振器、介电滤波器、 振荡器、共用设备和电子设备

本发明涉及一种介电谐振器，例如用在微波带和毫米波带中的介电滤波器、振荡器、共用设备和通信设备，每一种都包括介电谐振器。

为实现先进的可移动通信服务和多媒体通信服务，必须高速传输大容量的信息。因此，具有宽带宽的毫米波带是比较合适的。除了用于通信，作为新的有效利用毫米波带特性的应用途径，已制成了用于吸收碰撞能量的摩托车雷达。毫米波雷达可确保安全，特别是在有雾或下雪时，而此时利用光的传统激光雷达是无效的。

如果主要由微带线路形成的传统电路结构被用于毫米波带，Q值随着损失的增加而减小。而且，对于广泛使用的TE_01δ介电谐振器，大量的谐振能量泄漏出了谐振器。因为这个原因，当用在毫米波带的谐振器和电路具有相对较小的尺寸时，存在线路之间耦合不理想的问题，设计和特性复制也变得困难。

为解决这个问题，发明者设计了PDIC^TM(平面介电集成电路)，提出了用于这种技术的一种毫米波带模式。

采用这种模式的平面电路式介电谐振器的一个例子见日本未审查专利说明书第8-265015号。

图19说明了介电谐振器的结构。在图19中，画出了一个介电片3，与介电片3的主表面相对的是用环形的非定型电极片制成的具有预先给定的形状且彼此相对的电极，介电片3上部的电极用数字1表示，非定型电极片的电极用4a和4b表示。在这种结构中，介电谐振器被夹在电极非定型单元片之间的部分被用作介电谐振器单元片。

在一个采用平面电路介电谐振器的器件中，如图19所示，为保护盒24提供了金属的调整螺钉，可以调整螺钉插入保护盒内的长度。通过调整螺钉，可以调整介电谐振器单元片的谐振频率和相邻介电谐振器单元片间的耦合系数。

然而，在使用金属调整螺钉时，当调整螺钉靠近谐振器单元片时，调整螺钉产生插入损失，无载Q也会减少。因为这个原因，当介电谐振器用作滤波器时，存在其滤波特性被破坏的问题。而且，由于部分调整螺钉突出到保护盒的外部，造成器件的外部尺寸较大的问题。

相应地，本发明的目的之一是提供一介电谐振器，它的特性可以调整而不会使无载Q减少。

本发明的另外一个目的是提供一个传输、接收共用器件和一个包括介电谐振器的通信器件，它们具有小的尺寸和极好的特性。

根据本发明，一个介电谐振器包括：在一电极片的相对主表面上形成的电极，此电极至少有一对彼此相对且具有相同形状和大小的非定型单元片的电极，被夹在彼此相对的非定型电极片间的介电谐振器的单元片作为本发明的介电谐振器的单元片，其中一个介电片粘附在介电谐振器单元片上或在相邻介电谐振器单元片之间。谐振器单元片的谐振频率，相邻介电谐振器单元片之间的耦合系数、外部Q系数和乱真特性由介电片的粘附位置、介电常数、尺寸大小和形状来调整。

最好是具有与介电板不同的介电常数的介电谐振器的一部分用在介电谐振器单元片的介电板中或用在相邻介电谐振器单元片间的介电板中。这样可以调整谐振器单元片的谐振频率、相邻介电谐振器单元片间的耦合系数、外部Q系数和乱真特性。

介电滤波器由一信号输入、输出装置构成，用在介电谐振器单片中用以输入或输出信号。谐振器单元片的谐振频率、相邻介电谐振器单元片间的耦合系数、外部Q系数和乱真特性由介电片的粘附位置、介电常数、尺寸大小和形状决定。因此，可制成上述的具有预定特性的介电滤波器。

而且，振荡器可形成一负特性阻抗电路，与耦合线路相连并与介电谐振器单元片相耦合。如上所述，谐振器单元片的谐振频率、相邻介电谐振器单元片间的耦合系数、外部Q系数和乱真特性由粘附在介电板上的介电片的粘附位置、介电常数、尺寸大小和形状决定，或者由尺寸大小和具有不同介电常数的介电板的一部分的形状决定。因此，可制成上述的具有预定特性的振荡器。

根据本发明，共用设备由至少一个与许多介电谐振器单元片相连的信号输入、输出装置构成。例如，双工天线有一传输滤波器和一接收滤波器，多工天线至少由三个滤波器构成。因此，可得到具有较低插入损失和极好分向特性的共用设备。

而且，可制成通信设备之类的电子设备，包括介电谐振器、介电滤波器和共用设备之一的高频电路单元片。这样可得到具有较低损失和乱真特性的高频电路。

图1A和图1B是说明本发明的第一种实施例的介电滤波器的结构的示意图。

图2A是说明介电片在介电谐振器单元片中的粘附位置的示意图。

图2B是说明谐振频率和介电常数间相对关系的示意图。

图2B说明了当介电片粘附位置改变时，谐振频率随相对介电常数的变化情况。

图3A是说明相邻介电谐振器单元片间介电片的尺寸大小的示意图。

图3B是说明耦合系数和介电常数间关系的示意图。

图4是在基本模式和乱真模式中介电谐振器传输特性的一个例子的示意图。

图5A是说明介电片在介电谐振器单元片上粘附位置的示意图。

图5B是说明基本模式和乱真模式间的频率差值和介电片的介电常数之间关系的示意图。

图6A是说明介电片在介电谐振器单元片上粘附位置的示意图。

图6B是说明基本模式和乱真模式间的频率差值和介电片的介电常数之间关系的示意图。

图7A和图7B是埋在介电谐振器单元片中的介电片的一个例子的示意图。

图8A由两幅说明埋在介电谐振器单元内的介电碎片位置的示意图构成。

图8B和图8C是说明基本模式和乱真模式间的频率差和介电碎片的介电常数之间关系的示意图。

图9A由两幅说明埋在介电谐振器单元片内的介电碎片位置的示意图构成。

图9B和图9C是说明基本模式和乱真模式间的频率差和介电碎片的介电常数之间关系的示意图。

图10A和图10B是埋在介电谐振器单元片中的介电碎片的另一个例子的示意图。

图11A和图11B是埋在介电谐振器单元片中的介电碎片的一个更进一步的例子的示意图。

图12A和图12B是在介电谐振器单元片中具有下陷部分的一个例子的示意图。

图13A和图13B是在介电谐振器单元片中具有下陷部分的另一例子的示意图。

图14A和图14B是在介电谐振器单元片中具有穿孔的一个例子的示意图。

图15A和图15B是说明传输、接收共用设备的结构的一个例子的示意图。

图16是说明通信设备的结构的一个例子的框图。

图17A和图17B是说明振荡器结构的一个例子的示意图。

图18是振荡器的等值电路图。

图19是说明传统的介电滤波器结构的一个例子的示意图。

本发明的第一个实施例将参照图1～图6进行说明

图1A是介电滤波器的一部分剖面透视图。图1B是除去介电滤波的保护盒后介电滤波器的平面示意图。图1A中介电板3用介电陶磁制成，在介电板的上表面是具有电极非定型部分4a和4b的电极1。在介电板3的下表面是与电极非定型单元片彼此相对且与单元片4a和4b有同样形状和大小的电极非定型单元片，这样，电极的非定型单元片间彼此相对，在TEO1O模式中分别作为电极谐振器单元片。这些介电谐振器的谐振频率，比如说，处于20GHZ带内。

平行六面体介电片21a、21b、21c、21d和21e如图所示被固定，例如用粘环氧树胶类的粘结剂，粘结到介电板3上预定的位置。

如上所述，通过在介电板上提供介电片，可以调整介电谐振器的特性。首先对谐振频率进行调整的一个例子将参照图2进行说明。

图2A是说明介电片在介电谐振器单元片(电极非定型单元片)内位置的平面示意图。图2B是说明当介电片的粘附位置改变时谐振频率随相对介电常数的变化。在这种情况下，谐振器单元片的直径(电极非定型单元片的直径)是4.35mm，介电谐振器单元片的厚度(介电板的厚度)是1.0mm，相对介电常数ε_r是30。介电片面积为1×1mm²，厚度为0.5mm。

如图2B所示，当在电极非定型单元片内提供介电片时，谐振频率减小。这是由于当介电片的相对介电常数更高时，谐振频率更低，而且，由于价电片的粘结位置更远离中心位置，减少谐振频率的效果得以提高。相应地，根据需要调整的谐振频率，可恰当地选择具有一定介电常数、大小和形状的介电片粘结固定到预定位置。而且，如图1所示，至少有两个介电片被粘附到一个介电谐振器单元片上。例如，通过放置介电片使之相对大的面积靠近电极非定型单元片的周边，可以粗略地调整谐振频率，通过放置介电片使之相对小的面积靠近电极非定型单元片的中心，可以细微地调整谐振频率。

上述的调整可通过在用测量计测量谐振频率的同时检测介电片粘结位置的方法来进行，然后将介电片粘结到可得到预定特性的位置。

下面，将参照图3用举例的方法来说明。每一介电谐振器单元片的谐振频率被调整后，介电谐振器单元片间的耦合系数也得到调整。图3A说明了用以调整耦合系数的介电片放置的位置。图3B说明了当介电片的面积改变时耦合系数随相对介电常数的变化。在此情况下，两谐振器单元片的放置情况与上述相同。两介电谐振器单元片间缝隙为0.5mm。图3A中画出了面积为1×1mm²厚度为0.5mm和面积为2×2mm²，厚度为0.5mm的两种介电片。如图3B所示，当各介电片放置在介电谐振器单元片之间时，相邻介电谐振器单元片间的电感耦合增加，这样耦合系数增加。此外，即使相对介电常数相等，由于介电片尺寸更大也使耦合系数增加。相应地，可如此选择介电片的大小和相对介电常数以便得到预定耦合系数或者得到由耦合系数确定的预定滤波器特性。

图4说明了在TE010模式和与TE010模式相接近的乱真模式中由上述的介电谐振器单元片制成的谐振器的透光特性。在图4中，标号1、2、3和4分别表示在HE110模式、HE210模式、TE010模式和HE310模式中的响应。在此情况下，HE210模式和HE310模式是与TE010模式接近的乱真模式。若这个介电谐振器用作介电滤波器，则TE010模式中的谐振频率及它与乱真模式中的谐振频率的差值df(HE210)和df(HE310)都是很重要的。

下面将参照图5和图6来说明一个对乱真特性进行调整的例子。

图5A和图6A说明了在电极非定型单元片中介电片的放置位置，图5B和图6B说明了当介电片在此位置时的频率差df(HE210)和df(HE310)。图5A和5B说明的是介电片放置在距电极非定型单元片中心有一定距离的位置的例子，图6A和6B说明的是介电片放置在电极非定型单元片的中心时的例子。在此情况下，介电片面积为1×1mm²，厚度为0.5mm，谐振器单元片的放置和上述图2中的一样。HE210模式、HE310模式和类似于TE010模式的乱真模式的谐振频率差随介电片在电极非定型单元片中的放置位置以及相对介电常数的改变而变化，如图5B和6B所示。这些谐振频率差随介电片的粘结位置、介电常数、大小和形状而变化。这样，TE010模式的谐振频率可达到预定值，而且TE010模式的乱真模式的谐振频率差也能被调整。

下面将参照图7～图9来说明第二个实施例的介电谐振器的放置情况。

在第一个实施例中，假定此例是介电片被粘结固定到介电板的上表面。在第二个实施例中，与介电板3有不同介电常数的碎片被埋在介电板中。图7A是这个介电板的平面示意图，图7B是其横截面示意图。在此例中，介电碎片22a被埋在电极非定型单元片4a内，介电碎片22b和22c分别被埋在电极非定型单元片4b内。

图8A和图9A说明了所埋的介电碎片的位置，图8B和图9B说明了乱真模式和基本模式(TE010模式)间频率差的相对关系。在任一种情况下，介电碎片大小为1×1mm²，所埋深度为h。在图8A中，介电碎片所埋位置距介电谐振器单元片的中心有一定距离，在图8B和8C中，所埋深度分别为0.6mm和1mm。在图9A中，介电碎片埋在介电谐振器单元片的中心。在图9B和9C中，深度h分别为0.6mm和1mm。

如上所述，基本模式的邻近乱真模式的谐振频率差可通过介电碎片所埋位置、深度和它的介电常数来调整。

在图7所示例子中，具有预定深度的介电片被埋在介电板的上表面。例如，如图10所示，介电碎片22a、22b和22c被埋在介电板3的上表面，介电碎片22d和22e被埋在其下表面。另外，如图11所示，如此放置介电碎片22a、22b和22c以便它们可延伸穿过介电板的上、下表面。而且，介电碎片可埋在介电板3的内部而不露出来。

在上述的实施例中，所述的例子是介电碎片与介电板具有不同的介电常数。然而，对于介电碎片，可以使用空气。也就是说，可在介电板中形成一下陷部分或一穿孔。

图12是说明下陷部分23a、23b和23c位于介电板3上表面的例子。图13是说明下陷部分23a、23b和23c位于介电板3的上表面和下陷部分23d和23e位于下表面的例子。图14是说明介电板3具有通孔23a、23b和23c的例子。

图15A和图15B是说明传输、接收共用设备的结构的一个例子。图15A是说明上部盖子8被除去后的情况的平面示意图。图15B是整个传输、接收共用设备的横截面示意图。具有5个电极非定型单元片4a～4e的电极1位于介电板3的上表面，其下表面的电极2具有的电极非定型单元片5a～5e分别与上述的电极非定型单元片4a～4e相对。这样，在介电板3中形成5个TE010模式的介电谐振器单元片。

介电片21a、21c、21e和21g被粘结到上述的介电谐振器单元片的预定位置，这样可调整预定的谐振频率。此外，通过在预定的相邻介电谐振器单元片间粘结介电片21b、21d和21f，可调整电子谐振器单元片间的耦合系数。

这些电极非定型单元片4a、4b、4c、5a、5b和5c形成的三个介电谐振器单元片用于由三级谐振器构成的接收滤波器。此外，由电极非定型单元片4d、4e、5d和5e形成的两个介电谐振器单元片用于由两级谐振器构成的传输过滤器。

介电板3穿过框架7附着在基板6的上部侧面。盖子8位于介电板3的上侧面。微带线路9r、10r、10t和9t在基板6的上表面形成四个能量引出装置。接地电极12大体上位于基板6的整个下表面。

介电片21h被粘结到介电板3较低表面的靠近微带线路9t的位置，然后，可调整由电极非定型单元片4e和5e形成的介电谐振器单元片与微带线路9t间的耦合系数以获得外部Q系数(Qe)。

在上述情况中，微带线路9r和9t的末端分别被用作接收信号出口和传输信号入口。微带线路10r和10t的末端与一用于分向的微带线路相连，并延伸到外面作为输入、输出口。在此情况下，从微带线路10r和10t的分向点到接收滤波器的第一级的等值短路平面的电子长度被定为(λ_gt/4)的奇数次方，其中λ_gt表示微带线路中对应传输频率时的波长。而且，从微带线路10r和10t的分向点到传输滤波器的最后一级的等值短路平面的电子长度被定为λ_gt/4的奇数次方，其中λ_gt表示微带线路中对应接收频率时的波长。

而且，除了用前面所说的粘结介电片的方法，用精细切割工具在介电板的预定位置形成下陷部分的方法也可使谐振频率和耦合系数得到调整。

如上所述，由于特性是在单个的基板上和盖子8的内部调整的，用于调整特性的螺钉伸出到外面的情况得以消除，传输、接收共用设备整体可做得更小型化。

图16是说明上述的传输、接收共用设备被用作天线共用设备的一个通信器件的实施例。在图16中，画出了上述的接收滤波器46a和传输滤波器46b，它们形成天线共用设备4b。如图16所示，接收电路47与天线共用设备46的接收信号输出口46c相连，传输电路48与传输信号输入口46d相连，而且，天线49与天线端口46e相连，这样就形成了整个的通信设备50。这个通信设备可响应手提电话等之类的高频电路单元片。

如上所述，通过使用采用了本发明的介电滤波器的天线共用设备，可制成小尺寸、低损失和具有乱真特性的天线共用设备的紧凑的通信设备。

下面将参照图17A、17B和18说明一种振荡器的构造的例子。

图17是说明这个振荡器的整体结构。图17A是这个振荡器的平面示意图，图17B是介电谐振器单元片的横截面示意图。在图17B中，具有一对彼此相对的电极非定型单元片4和5的电极1和2位于介电板3的上、下表面，作为基本模式的TE010模式中的介电谐振器DR位于电极非定型单元片内。通过将介电片21粘附到介电谐振器DR单元片上来确定介电谐振器DR的谐振频率。

在图17A和17B中，在上表面具有相对较低介电常数的绝缘电路板31，其上也有电极形状例如条状线32、33等之类的东西。一个片部件被固定在预定的位置。终端插入孔19a、19b、19c和19d位于四个位置。FET43和一变容二极管47一边的末端分别与条状线32和33相连。变容二极管47另一边的末端与接地电极39相连。电感器40和电阻膜48包含在条状线32和电极41之间作为控制终端。在条状线32的末端和接地电极42间具有电阻膜44，从而条状线32的末端是电阻端接的。片状电容器被包含在接地电极42和电极41间用作控制终端。TET43的源与导线38相连用以输出。电阻膜46和电感器37位于FET43的源和接地电极36之间。而且，电感器34和35位于FET43的漏极和电极28之间用作偏置终端，片状电容器45被包含在用作偏置终端的电极28和接地电极36之间。

图18是图17A和图17B所示振荡器的等值电路图。在此情况下，条状线32是与介电谐振器DR相耦合的主线，条状线33是与介电谐振器DR相耦合的支线。通过这种电路结构可形成一种带反射型的振荡电路。用加在电极41上的控制电压来改变变容二极管47的容量的方法对介电谐振器DR的谐振频率进行控制。

在上述的控制电压下振荡频率的变化率由变容二极管的特性决定。另一方面，振荡频率变化范围内的参考值(例如中心频率)主要由介电谐振器DR的谐振频率决定。相应地，振荡频率变化范围内的参考值通过所用的图17所示的介电片21的大小和粘附位置来使之为预定值。

上面提到的本发明的介电谐振器，它的应用并不限于介电滤波器、共用设备和振荡器。本发明的介电谐振器也可用于包含介电谐振器的不同类型的高频模块。

比外，本发明的共用设备的应用并不限于天线共用设备之类的三孔口天线共用器，也可用于包括介电滤波器、共用设备、振荡器之类的具有高频电路单元片的电子设备。

根据本发明，由于使用调整螺钉造成无载Q系数减少的情况得以消除。这样，所形成的介电滤波器可以减少插入损失。而且，由于调整螺钉的一部分没有伸出到保护盒的外面，可以容易地实现整个设备的小型化。

谐振单元片的谐振频率、相邻介电谐振器单元片间的耦合系数、外部Q系数和乱真特性可通过所用介电片在介电板上的粘结位置，具有与介电板的介电常数不同的部分的位置和这个部分的介电常数、大小和形状的方法加以调整。这样，调整可以在一个宽广的范围内进行，并有许多调整项目可以考虑。

Claims (6)

1、一种介电谐振器，包括：位于介电板相对主表面上的电极，这里所说的电极具有至少一对彼此相对的非定型单元片和大体上相同的形状和尺寸，介电板夹在所说的彼此相对的电极非定型单元片间的部分作为介电谐振器单元片，其中一介电片粘结到所说的介电谐振器单元片上或相邻介电谐振器单元片之间。

2、一种介电谐振器，包括：位于介电板相对主表面上的电极，这里所说的电极具有至少一对彼此相对的电极非定型单元片和大体上相同的形状和尺寸，介电板夹在所说的彼此相对的电极非定型单元片间的部分作为介电谐振器单元片，其中具有与所说的介电板不同的介电常数的部分位于所说介电谐振器单元片中的介电板内或者位于相邻介电谐振器单元片间的介电板内。

3、一种介电滤波器，包括一个与权利要求1和2之一所述的介电谐振器单元片相耦合的用于输入或输出信号的信号输入、输出装置。

4、一种振荡器，包括一个与权利要求1和2之一所述的介电谐振器单元片相耦合的耦合线路和一个与所说耦合线路相连的负特性电路。

5、一种共用设备，包括多个权利要求3所述的信号输入、输出装置，至少有一个所说的信号输入、输出装置与大量的所说介电谐振器单元片相耦合。

6、一种电子设备，包括在权利要求1和2之一所述的介电谐振器、权利要求3所述的介电滤波器、权利要求4所述的振荡器和权利要求5所述的共用设备之一的高频电路单元片中。

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