CN1239353A - 高频电路元件 - Google Patents

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Abstract

低损耗、耐功率性优良、还能实现陡峭的边缘特性的高性能的高频电路元件。在由电介质单晶等构成的基板1的表面上形成多个例如圆盘形或椭圆形的第1、第2及第3带状导体2a、2b及2c。通过间隙部5a、5b，使带状导体2a、2b及2c互相耦合起来。在基板1的背面的整个面上，形成接地平面。从分别激励在第1平面电路谐振器4a所具有的2个正交方向上极化的谐振模7a、7b那样的方向，使第1及第2耦合端子6a、6b耦合到第1平面电路谐振器4a上。

Description

高频电路元件
本发明涉及用于通信系统等高频信号处理装置中的、把以滤波器及分波器等为主的谐振器作为基础而构成的高频电路元件。
在高频通信系统中，把以滤波器、分波器等为主的谐振器作为基础而构成的高频电路元件是必不可少的。特别是在移动通信系统等中，为了有效地利用频带，需要窄频带滤波器。还有，在移动通信的基站或通信卫星等中，强烈要求低损耗、且小型、能够耐大功率的滤波器。
作为当前使用的谐振器滤波器等高频电路元件，其主流为使用了电介质谐振器、使用了传输线结构及使用了表面弹性波元件的高频电路元件等。其中，使用了传输线结构的高频电路元件，因其小型，一直可用到微波、毫米波范围的高频，还有在基板上形成的二维结构易于与其它电路或元件组合，从而得到了广泛的利用。迄今，作为这种类型的谐振器，最普遍地利用传输线的1/2波长谐振器，进而使多个这样的1/2波长谐振器耦合起来，由此构成了滤波器等高频电路元件。
作为其它现有例，还有使用了平面电路结构的谐振器。作为其代表例，有把多个圆盘形谐振器并列的谐振器，或者，在圆盘形谐振器的一部分外周上设置凸起部，使双极模耦合起来，由此发挥滤波器特性的谐振器(《IEEE议事录，对于微波理论和技术的影响》，第44卷第7期，第1248～1257页，“带有平面双极模HTS谐振器的低损耗多路转换器”；《电子信息通信学会技术研究报告》，1993年，第93卷第363期(第93部分，第47～56页)，永井靖浩他著；《电子通信学会论文杂志》，第72/8号，第55-B卷第8期，三好旦六、大越孝敬著“微波平面电路的分析处理”)( Low Loss MulfiplexersWith Planar Duol HTS ResonatorsIEEE Traus actions onMicroware Theory and Technigues，Vol.44，No.7，PP.1248-1257，电子情报通信学会技术研究报告，1993,Vol.93,No.363(SEC93 47-56)永井靖浩他，电子通信学会论文志，72/8 Vol.55-B No.8マイクロ波平面回路の解析的取极ぃ(Analysis of Microware PlanarCircuit)三好旦六、大越孝敬)。
但是，在1/2波长谐振器等传输线结构的谐振器中，由于导体中的高频电流部分地集中了，故导体电阻所引起的损耗较大，在谐振器中引起Q值下降，在构成滤波器的情况下引起损耗增加。还有，在使用了通常能很好地利用的微波带线路结构的1/2波长谐振器的情况下，从电路向空间辐射所引起的损耗的影响也为问题所在。
当使结构小型化或者提高工作频率时，这些影响就变得更加显著。作为损耗较小、在耐功率性方面优良的谐振器，利用了电介质谐振器。但是，由于电介质谐振器具有立体结构且尺寸较大，故随着高频电路元件的小型化而存在问题。
还有，通过利用超导体，也可以谋求这些高频电路元件的低损耗化。但是，在上述的现有结构中，由于电流过度集中而使超导性丧失，故在利用大功率信号方面是困难的。即使在实际的测量例中，最大输入功率也只是几十毫瓦左右，达不到实用的水平。
还有，在圆盘形谐振器中使用了有代表性的平面电路谐振器的滤波器，由于其在广阔的面积上电流分布变得均匀了，故可以说这种滤波器具有优良的耐功率性能。但是，把多个圆盘形谐振器并列的滤波器，元件面积变得非常大，在为了实现陡峭的边缘特性而作成多级结构的情况下，成为特别严重的问题。还有，在一部分外周上设置了凸起部的那种平面电路结构的谐振器滤波器的情况下，没有用于作成多级(3级以上)结构的简易方法。
根据以上那样的情况，为了在微波、毫米波范围的高频区域内以二维结构来实现与其它电路或元件的匹配性良好、且高性能的小型谐振器滤波器等高频电路元件，解决传输线结构或平面电路结构的谐振器所具有的那样的问题是极其重要的。
本发明是为了解决现有技术中的上述问题而进行的，其目的在于提供低损耗、耐功率性优良，并且，还能实现陡峭的边缘特性的高性能的高频电路元件。
为了达到上述目的，与本发明有关的高频电路元件的结构具备：n个(n为2以上的整数)依次耦合的平面电路谐振器，其中，每一个谐振器具有2个正交的谐振模；以及2个耦合端子，这种高频电路元件的特征在于：上述2个耦合端子分别与第1个上述平面电路谐振器所具有的2个谐振模进行耦合。根据该高频电路元件的结构，由于可以把多个平面电路谐振器的每一个的2个正交的谐振模作为1个谐振器来进行作为谐振器耦合型滤波器的工作，故在构成多级结构的谐振器滤波器时，可用谐振器个数之半来构成。还有，由于与通常的传输线谐振器相比，平面电路谐振器的电流分布是均匀的，故平面电路谐振器的特征在于：导体损耗小。因此，可构成低损耗的多级谐振器滤波器。
还有，在上述本发明高频电路元件的结构中，较为理想的是，具备使得在第n个平面电路谐振器具有的2个谐振模之间发生耦合的装置。
还有，在上述本发明高频电路元件的结构中，较为理想的是，平面电路谐振器由：基板；在上述基板的表面上形成的带状导体；以及在上述基板的背面上形成的接地平面来构成。根据该较为理想的例子，由于能够根据在基板的一个面上形成的导体图形来确定电路形状，故可简化设计过程和制作过程。在此情况下，较为理想的是，带状导体的形状是圆盘形或椭圆形。根据该较为理想的例子，可使带状导体图形的轮廓部上的电流集中有效地减少，可更进一步地减小损耗。
还有，在上述本发明高频电路元件的结构中，较为理想的是，平面电路谐振器由：2块基板，由上述2块基板夹住的带状导体；以及在上述2块基板的与上述带状导体不相接的那个面上分别形成的接地平面来构成。根据该较为理想的例子，可以实现几乎不受电磁场辐射影响的、非常稳定且损耗小的高频电路元件。还有，在此情况下，较为理想的是，带状导体的形状为圆盘形或椭圆形。
还有，在上述本发明高频电路元件的结构中，较为理想的是，各平面电路谐振器具备带状导体；通过间隙部，把几个上述带状导体配置成直线状；把第1耦合端子耦合到位于n个上述带状导体中的一个端部的第1个带状导体轮廓上的，从上述第1个带状导体中心看与相邻于上述第1个带状导体的第2个带状导体相反一侧的位置上；把第2耦合端子耦合到与上述第1耦合端子的耦合位置大致偏离90°的位置上。根据该较为理想的例子，可更加准确地控制谐振模之间的耦合，可实现特性更加优良的多级谐振器耦合型滤波器。还有，在此情况下，较为理想的是，带状导体的形状为圆盘形或椭圆形。
还有，在上述本发明高频电路元件的结构中，较为理想的是，由导体壁包围元件的周围。根据该较为理想的例子，由于可防止来自平面电路谐振器的辐射损耗，故能更进一步地减小损耗。而且，通过改变由导体壁围成的空间的形状，能够以更大的自由度来调节模耦合量。
还有，在上述本发明高频电路元件的结构中，较为理想的是，作为平面电路谐振器的导体材料使用超导材料。根据该较为理想的例子，由于可大幅地减小平面电路谐振器中的插入损耗，还有，在平面电路谐振器中电流分布是均匀的，故可实现耐功率性能优良的高频电路元件。
附图说明：
图1为示出本发明第1实施例中的高频电路元件的平面图；
图2为示出本发明第1实施例中的高频电路元件的剖面图；
图3为示出本发明第1实施例中的高频电路元件的第3带状导体的形状之例的平面图；
图4为示出本发明第2实施例中的高频电路元件的平面图；
图5为示出把本发明第2实施例中的高频电路元件由导体壁围成的空腔内的状态的剖面图；
图6为示出本发明第2实施例中的高频电路元件的模耦合系数与间隙部的距离之关系的图；
图7为示出本发明第2实施例中的高频电路元件的带状导体的椭圆率与模耦合系数之关系的图；
图8为表示本发明第2实施例中的高频电路元件的频率特性的图；
图9为表示本发明第2实施例中的高频电路元件的另一频率特性的图；以及
图10为示出与本发明有关的高频电路元件之另一例的剖面图；
下面，利用实施例，进一步具体地说明本发明。
(第1实施例)
图1为示出本发明第1实施例中的高频电路元件的平面图，图2为其剖面图。
如图1、图2中所示，由真空喷镀、刻蚀等适当方法，在由电介质单晶等构成的基板1的表面上形成多个例如圆盘形或椭圆形的第1、第2及第3带状导体2a、2b及2c。而且，通过间隙部5a、5b，把第1、第2及第3这些带状导体2a、2b及2c配置成直线状。还有，在基板1的背面的整个面上，形成接地平面3。在该结构中，第1、第2及第3带状导体2a、2b及2c分别作为独立的第1、第2及第3平面电路谐振器4a、4b及4c而工作。还有，对第1带状导体2a，设置了第1及第2耦合端子6a、6b。
从分别激励在第1平面电路谐振器4a所具有的2个正交方向上极化的谐振模7a、7b那样的方向，把第1及第2耦合端子6a、6b耦合到第1平面电路谐振器4a上。其中，图1中表示谐振模的箭头，示出谐振模的电流方向，即电的极化方向。
作为典型的例子，圆盘谐振器中的TM11模为具有这样的电特性的谐振模。还有，第2平面电路谐振器4b也具有2个在正交方向上极化的谐振模8a、8b，第3平面电路谐振器4c也具有2个在正交方向上极化的谐振模9a、9b。可把谐振模7a、8a、9a定为极化方向互相相同，还有，可把谐振模7b、8b、9b定为极化方向也互相相同。
下面，说明有关上述那样构成的电路的工作。
输入到第1耦合端子6a上的信号，激励第1平面电路谐振器4a的谐振模7a。谐振模7a与第2平面电路谐振器4b的谐振模8a进行耦合。在此情况下，由于谐振模7a对谐振模7b、8b来说极化方向大致正交，故与这些谐振模7b、8b的耦合量非常小，达到可以忽略的程度。
其次，第2平面电路谐振器4b的谐振模8a与第3平面电路谐振器4c的谐振模9a进行耦合。
其次，利用适当方法，使得在平面电路谐振器4c中，在谐振模9a与谐振模9b之间发生耦合。作为使得在谐振模9a与谐振模9b之间发生耦合的方法，有：例如，如图3(a)中所示那样，把第3带状导体2c的形状作成在与谐振模9a及谐振模9b的极化方向成45°的方向上具有长轴的椭圆形，或者，如图3(b),(c)中所示那样，在该方向的轮廓部上形成凸起部10或切口部11等的方法。
同样，第3平面电路谐振器4c的谐振模9b依次与第2平面电路谐振器4b的谐振模8b及第1平面电路谐振器4a的谐振模7b进行耦合，最后，由第2耦合端子6b进行输出。
在上面的过程中，由于输入到第1耦合端子6a上的信号通过了六个谐振模，即7a、8a、9a、9b、8b、7b，故该电路作为6级谐振器耦合型带通滤波器而进行工作。
(第2实施例)
图4为示出本发明第2实施例中的高频电路元件的平面图，图5为示出把该高频电路元件固定在由导体壁围成的空腔内的状态的剖面图。
如图4、图5中所示，由真空喷镀、刻蚀等适当方法，在由镧矾土(LoAlO3)单晶等介电常数为24的基板12的表面上形成多个椭圆形的第1及第2带状导体13a、13b。而且，通过间隙部16，把第1及第2这些带状导体13a、13b配置起来，使各个带状导体的长轴在一直线上。还有，在基板12的背面的整个面上，形成由导体模构成的接地平面14。在该结构中，第1及第2带状导体13a、13b分别作为独立的第1及第2平面电路谐振器15a、15b而工作。还有，对第1带状导体13a，设置了第1及第2耦合端子17a、17b。
在第1带状导体13a的轮廓上的，与第二带状导体13b相反一侧的位置上，把第1耦合端子17a电容耦合到第1带状导体13a上。还有，在第1带状导体13a的圆周上的，与第1耦合端子17a的耦合位置偏离90°的位置上，同样把第2耦合端子17b电容耦合到第1带状导体13a上。在这里，把第1及第2耦合端子17a、17b的前端部(与第1带状导体13a的耦合部分)的线路宽度扩大。由此，使第1及第2耦合端子17a、17b与第1带状导体13a之间的耦合电容增大，可增大输入输出的耦合度。
由传输线把第1及第2耦合端子17a、17b延长到基板12的边缘部，在该部与外部引入电缆等进行耦合。
而且，如图5中所示，把基板12固定到由导体壁20围成的空间内，进行特性的研究。这样，由于如果把基板12配置到由导体壁20围成的空间内就能够防止来自第1及第2平面电路谐振器15a、15b的辐射损耗，故可进一步减小损耗。而且，通过改变由导体壁20所围成空间的形状，能够以更大的自由度来调节耦合量。
如果举出本高频电路元件的具体尺寸，则如下所述。基板12的大小(面积)为50.8mm×25.4mm，厚度为1mm。第1及第2带状导体13a、13b以半径7mm的圆形为基础，为了得到所需的特性而成为销有变形的形状。特别是，为了使得在第2平面电路谐振器15b的2个正交方向上极化的谐振模19a与谐振模19b耦合起来，把第2带状导体13b变成图3(a)中所示那样的椭圆形。还有，如图5中所示那样，从基板12的表面开始测量，由导体壁20所围成空腔的高度为10mm。
图6中示出，在图4的配置中的谐振模18a与谐振模19a之间的耦合系数kh与间隙部16的距离d之关系，以及谐振模18b与谐振模19b之间的耦合系数kp与间隙部16的距离d之关系。正如从图6可知，对于间隙部16的距离d的增加，谐振模18a与谐振模19a之间的耦合系数kh有减少的趋势，谐振模18b与谐振模19b之间的耦合系数kp有增加的趋势。总之，可知：利用间隙部16的距离d之值，可控制耦合系数kh、kp。
图7中示出，在把第2带状导体13b的形状变形为在与谐振模19b及谐振模19b的极化方向成45°的方向上具有长轴的椭圆形的情况下，两模之间的耦合系数。正如从图7可知，耦合系数大致与椭圆率成正比而增加。
从上述可知，通过使间隙部16的距离d以及第2带状导体13b的椭圆率改变，可调节各谐振模之间的耦合系数。以该结果为基础，在本实施例中，为了得到相对频带为1％、带内波动为0.01dB的4级等契的雪夫型滤波器特性，设间隙部16的距离d为3mm、第2带状导体13b的椭圆率为0.9％。图8中示出，利用HPeesof公司制造的电磁场模拟装置，即“Momentum(动量)”计算的频率特性。正如从图8可知，证实了可获得4级的带通滤波器特性。
进而，通过把第1带状导体13a定为椭圆形，可以使得在谐振模18a与谐振模18b之间发生直接耦合。由此，可得到椭圆函数型的滤波器特性。图9中示出利用HPeesof公司制造的电磁场模拟器，即“Momentum”实际求出的频率特性之一例。正如图9中所示，可知：凹口加入到紧接在通频带的两侧上，得到了陡峭的边缘特性。在此情况下，如果把第1带状导体13a的椭圆的长轴设定成为在与谐振模18a及谐振模18b的极化方向成45°的方向上通过第1及第2耦合端子17a、17b各自的耦合部位之间，就能够有效地插入凹口。
根据本发明高频电路元件的结构，由于通过有效地利用在平面电路谐振器的2个正交方向上极化的谐振模，可实现其级数为结构构件，即平面电路谐振器的个数之2倍的滤波器，故可谋求滤波器形状的小型化。还有，根据本结构，利用简易的方法可以实现用现有的、正交模的平面电路谐振器滤波器没有明确的构成方法的多级(3级以上)滤波器。
再者，在上述第1及第2实施例中，作为举例说明了把3个或2个平面电路谐振器并列的情况，但是，本发明不总限定于该结构，即使是在把4个以上平面电路谐振器并列的情况下，也同样可实现谐振器耦合型多级滤波器。在该情况下，也由于可实现其级数为结构构件、即平面电路谐振器的个数之2倍的滤波器，故在把更多的平面电路谐振器并列的情况下，还可增加级数，是非常有效的。
还有，在上述第1及第2实施例中，作为举例说明了由在基板上形成的圆盘形或者椭圆形的带状导体来构成平面电路谐振器的情况，但是，本发明不总限定于该结构，即使是其它形状的带状导体，只要是构成平面电路谐振器的形状，也同样可实现滤波器特性。但是，所谓该情况的平面电路谐振器意味着下述结构的谐振器，其电磁场为2维分布，由此，可以存在在窄频率范围内、在2个正交方向上极化了的谐振模。特别是，如果像上述第1及第2实施例那样使用圆盘形或者椭圆形的带状导体，则使带状导体图形轮廓部上的电流集中有效地减少，可进一步减小损耗。
还有，在上述第1及第2实施例中，作为举例说明了由在基板的表面上形成的带状导体、以及在基板的背面上形成的接地平面来构成平面电路谐振器的情况，但是，本发明不总限定于该结构的平面电路谐振器。例如，即使是图10中所示那样的三板型结构，即由21、22这2块基板夹住带状导体23，在各块基板21、22的外侧的面上分别形成接地平面24、25的结构；或者是共平面波导型结构，即在基板的同一表面上形成带状导体及接地平面的结构，只要是构成平面电路谐振器的形状，也同样可实现滤波器特性。
如果采用其中的三板型结构，则几乎没有电磁场辐射的影响，能够实现非常稳定、损耗小的高频电路元件。还有，如果采用共平面波导型结构，则由于通过只在基板的单面上进行加工就能形成元件，故可谋求简化制作过程。
还有，对于用于本发明高频电路元件中的平面电路谐振器的带状导体等中的导体材料，不作特别限定，可使用金属材料或超导材料等。作为金属材料，可举出金、银、铂、钯、铜及铝等，如果把从这些材料中选择的至少2种金属层叠后使用，则可得到良好的电传导性，在高频应用方面是有利的。还有，作为超导材料，也可采用金属系列材料(例如，铅、铟化铅等的铅系列材料，铌、氮化铌、锗化铌等的铌系列材料)，但是，为实用，希望使用温度条件比较宽松的高温氧化物超导体(例如，Ba2YCu3O7)。特别是，如果使用超导材料作为导体材料，则由于可大幅地减小插入损耗，还有，在平面电路谐振器中电流分布是均匀的，故可实现耐功率性能优良的高频电路元件。
正如上面说明了的那样，根据与本发明有关的高频电路元件通过以平面电路谐振器为基础而构成，由于能够缓和高频电流集中到导体膜中，故损耗小、并能处理大功率的高频信号。特别是，由于能够容易地实现迄今在使用了平面电路谐振器的模耦合型滤波器中设计困难的多级(3级以上)谐振器耦合型滤波器，故能容易地实现低损耗、耐功率性优良、并且具有陡峭的边缘特性的滤波器。

Claims (10)

1.一种高频电路元件，它具备：n个(n为2以上的整数)依次耦合的平面电路谐振器，其中，每一个谐振器具有2个正交的谐振模；以及2个耦合端子，其特征在于：上述2个耦合端子分别与第1个上述平面电路谐振器所具有的2个谐振模进行耦合。
2.根据权利要求1所述的高频电路元件，其特征在于：具备使得在第n个平面电路谐振器具有的2个谐振模之间发生耦合的装置。
3.根据权利要求1所述的高频电路元件，其特征在于，平面电路谐振器由：基板；在上述基板的表面上形成的带状导体；以及在上述基板的背面上形成的接地平面构成。
4.根据权利要求3所述的高频电路元件，其特征在于：带状导体的形状是圆盘形或椭圆形。
5.根据权利要求1所述的高频电路元件，其特征在于，平面电路谐振器由：2块基板；由上述2块基板夹住的带状导体；以及在上述2块基板的与上述带状导体不相接的那个面上分别形成的接地平面构成。
6.根据权利要求5所述的高频电路元件，其特征在于：带状导体的形状是圆盘形或椭圆形。
7.根据权利要求1所述的高频电路元件，其特征在于：各平面电路谐振器具备带状导体；通过间隙部，把n个上述带状导体配置成直线状；把第1耦合端子耦合到位于n个上述带状导体中的一个端部上的第1个带状导体轮廓上的，从上述第1个带状导体中心看与相邻于上述第1个带状导体的第2个带状导体相反一侧的位置上；把第2耦合端子耦合到与上述第1耦合端子的耦合位置大致偏离90°的位置上。
8.根据权利要求7所述的高频电路元件，其特征在于：带状导体的形状是圆盘形或椭圆形。
9.根据权利要求1所述的高频电路元件，其特征在于：由导体壁包围元件的周围。
10.根据权利要求1所述的高频电路元件，其特征在于：作为平面电路谐振器的导体材料使用超导材料。
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