CN1347167A - 用于介电陶瓷滤波器的改进的等效电路 - Google Patents

Abstract

一种带有等效电路的滤波器,它和实际上更大的滤波器工作得一样好而在性能上没有明显下降。

Description

用于介电陶瓷滤波器的改进的等效电路

发明背景

本发明利用一种改进的等效电路而能够开发和生产高电气性能的滤波器，其尺寸远小于利用现有技术所能做到的尺寸。

发明背景

具有洞穿其长度方向的同轴孔的陶瓷体形成一个谐振器(resonator)，它谐振在一由孔的长度和陶瓷材料的有效介电常数所决定的特定频率上。这个孔一般是圆形或椭圆形的。介电陶瓷滤波器是由多个谐振器组合而成的。滤波器的各个孔必须穿过整个陶瓷块，从顶表面一直到底表面。这意味着孔的深度和滤波器的轴向长度具有确切的同样长度。滤波器的轴向长度是根据所需要的频率和陶瓷体的可用的介电常数而确定的。

陶瓷块能起滤器的作用是因为在每两个相邻的谐振器之间各谐振器是感性地及/或容性地耦合的缘故。这些部件是由电极图案形成的，它是设计在陶瓷块耦合件的顶表面上的并由导电材料如银或铜涂敷。

陶瓷滤波器在本技术领域中是公知的，并在例如美国专利4,692,726、4,823,098、4,879,533、5,250,916及5,488,335中有总体上的说明，所有这些都合并于此就像在这里得到充分提出以供参考。

关于它的性能，在本技术领域中已知介电陶瓷滤波器的带通特性随着在陶瓷块中穿透的孔的数量的增加而变得更尖锐。所需孔的数量取决于滤波器的所要求的衰减性质。典型地单向滤波器要求至少两个孔而双工的则需要多于三个孔。这在图9中加以说明，其中曲线10表示比曲线12和14具有较少孔的滤波器响应。很明显，具有最多孔数的滤波器的响应曲线14是所示的三个响应曲线中最尖锐的一个。参阅图10，可以看到，一个特定的介电陶瓷滤波器的带通特性由于使用了穿透到陶瓷块中的陷波孔而变得尖锐。实线曲线21表示没有高端陷波的滤波器的响应。虚线曲线23表示同一滤波器在有高端陷波器时的响应。

陷波孔，或者通常就称之为陷波，是谐振在不同于主滤波器孔的频率上的谐振器，滤波器孔通常也简单地称之为孔。陷波孔设计成谐振在不希望要的频率上。这样，孔传输希望要的频率而陷波则除掉不希望要的频率的信号，不管是高端的还是低端的。在这种方式下滤波器的特性被定义，即高通、低通、或带通。陷波与孔的间隔要大于孔之间的距离以避免孔与陷波之间的相互干扰。如图11所示，孔31彼此之间相隔的距离等于D，那么在陷波33和离陷波33最近的传输孔之间所安排的距离是2D。在陷波和传输孔之间的准确距离是为达到特定性能而采取的一种设计上的选择，但它优选的是1到10mm。传统上，陷波离开孔的间距将是1.5D到2D。

传统上陶瓷滤波器中的孔31和陷波33是沿一条直线安排的。这种设计和上面所提出的间距一起限制了滤波器在缩小其尺寸方面可能的范围。具体说，给定的滤波器的性能特性是它的宽度、长度、孔的数量和孔的直径的函数。通常的轴向长度L是2到20mm。宽度W决定于孔的数量。方块滤波器的通常宽度是2到70mm。减少孔的数量、孔的直径或孔之间的距离将影响其性能。因此，希望对介电陶瓷滤波器有这样一种设计，它能有效地减少给定的滤波器的尺寸而维持它给定的性能特性。

等效电路通常是指那些电路，它们具有与它所要取代的更为复杂的对应电路相同的总体电流、阻抗、相位和电压关系。

对于用于诸如CDMA和TDMA蜂窝电话这样的先进通信应用的介电陶瓷滤波器存在要有更高的电气性能和更小的物理尺寸这样的需要。但是，现有的开发更高电气性能的滤波器的方法是增加另外的传输极谐振器和/或陷波谐振器于滤波器中，这导致增加新滤波器的尺寸。

发明概要

本发明描述一种新的设计用来提高高性能陶瓷滤波器的电气性能而不增加其尺寸。为达到此目的，本发明描述介电陶瓷滤波器的新的等效电路，它具有在滤波器上的一种新印刷图案以实现新的等效电路。

附图简介

图1描绘已有技术滤波器的典型等效电路。

图2说明按照图图1的等效电路设计的已有技术的滤波器的典型的印刷图案。

图3说明按照本发明设计的滤波器的等效电路。这个新的等效电路设计具有与图1的已有技术滤波器相似的电子性能，但实际上更小。

图4A-B说明为实现如图3的等效电路而设计的滤波器上的印刷图案的一种优选实施例。C1是在输入/输出电极和谐振器θ1之间的耦合电容；C2是θ1和θ2之间的耦合电器；而C3是在输入/输出电极和谐振器θ2之间的耦合电容。Z是θ1和θ2之间的耦合电感。电气图案的荫影部分减弱了C2。由于减弱了C2的结果，Z被相对加强。

图5比较了在图3中所示的按照本发明而设计的滤波器和如图1中所示的已有技术的滤波器在电气性能上的相似性。实线是图3所示的本发明的电气性能，虚线则是图1所示的已有技术的滤波器的性能。

图6表明按照本发明另一个实施例设计的双工器用的等效电路。

图7A-B说明为了实现如图6的等效电路而设计的双工器上印刷的图案的一个优选实施例。图7C-D、7E-F、7G-H、和图7J-K是另外的优选实施例和它们的等效电路。

图8A-B说明为了实现如图3的等效电路而设计的滤波器上印刷的图案的另外一个优选实施例。这个滤波器有两(2)个传输极谐振器和一(1)个陷波谐振器，但它能够作为三(3)个传输极谐振器和一(1)个陷波谐振器而工作。

图9表明随着滤波器中孔的数量的增加介电陶瓷滤波器的带通响应的增加了尖锐度。

图10表明陷波器在去除高端频率中的效果。

图11是在常规的陶瓷块滤波器上在各个孔之间和孔与陷波之间的间隔的表示。

本发明的详细说明

本发明的一个实施例是图4A-B中所示具有4个传输极谐振器和2个陷波谐振器(总共6个孔)的滤波器。电容C1、C2和C3示于图4B中。

在这一实施例的滤波器中，一块介电材料具有顶表面51、底表面、沿着块的宽度连接顶表面和底表面的两个相对的第一侧壁52、53和沿着块的高度连接顶表面和底表面的两个相对的第二侧壁54、55。在第一侧53上具有两个输入/输出小片56、57。

沿着块的宽度具有隔开的6个孔或谐振器θ1到θ6，它们从顶表面51穿过块而延伸到底表面。其中孔θ1位于孔θ1到θ6的一端。孔θ1的中心是偏离平分孔θ2和θ3的直线的。

导电材料基本上覆盖了上述的底表面、第一和第二侧壁表面52到56以及孔θ1到θ6的内表面。每个θ1到θ6的孔在其顶表面上围绕孔具有导电材料形成的图案3-4或其类似物。

离线的孔θ1的中心与相邻于该离线孔的孔θ2的中心有一个距离Y1，这个距离Y1是垂直于滤波器的第一侧壁52、53的。离线孔θ1的中心与相邻孔θ2的中心间的距离为X1，该距离X1是平行于滤波器的第一侧壁52、53的。

在离线孔θ1和相邻孔θ2之间提供一导电材料的第一图案1。第一图案包括导电材料的第一臂1-1，它平行于离线孔θ1的导电材料所形成的图案3的边缘，并且平行于滤波器的第一侧壁52、53，还包括垂直于导电材料构成的第一臂的由导电材料形成的第二臂1-2，和平行于导电材料的第一臂且垂直于导电材料的第二臂的由导电材料形成的第三臂1-3。导电材料的第一图案1连接到第一侧臂53上的输入/输出小片56。

离线孔θ1具有围绕该孔的导电材料图案3。离线孔的导电材料图案3的边对围绕相邻孔θ2的导电材料图案4的边具有电容C2，其中C2是在离线孔的导电材料图案3和相邻孔的导电材料图案4的两条相对边之间的电容。

离线孔θ1是靠近于导电材料的第一臂1-1的并在围绕离线孔的导电材料图案3和导电材料的第一臂之间有电容C1，其中C1是离线孔的导电材料图案3和导电材料的第一图案1之间的电容。

在导电材料的第1图案1的对面提供有导电材料的第2图案2，这里的第2图案具有宽度W和长度L。第2图案2是连接到第一侧壁52上的导电材料上的。

电容C3是在邻近于离线孔的孔θ2的图案4和第一图案1之间的电容。

在第5和第6孔θ5、θ6之间提供有导电材料的第3图案5。此第3图案5连接到输入/输出小片57上。

谐振器θ1通过Z1和C2的耦合而起着传输极谐振器的作用，以致于θ1能够通过与其它4个传输极谐振器θ2、θ3、θ4和θ5合作而构成5个传输极谐振器。(见图3)

此外，θ1还可以通过调整C1、C2和C3的耦合使C1＞C3＞C2而起陷波谐振器的作用。这样，θ1既可作为传输极谐振器又可作陷波谐振器工作。由于该滤波器独特的图案，θ1既可用作陷波谐振器又可用作传输极谐振器，从而因消除了一个传输极谐振器而减小了滤波器的尺寸(见图3和图4A-B)。

这意味着通过使用这种对等效电路的新的设计，可以得到更高的电气性能而有较小的滤波器尺寸。

如图4A和4B所示，开发了一种新的导电材料的电极图案以实现新的等效电路的效果。图4A中每个W、L、X1和Y1的值在下列范围内。

W：0.5mm≥W≥0.1mm

L：3.0mm≥L≥0.5mm

X1：4.0mm≥X1≥1.0mm

Y1：2.0mm≥Y1≥0mm

图4B表示C1、C2和C3的参数。C1是由在输入/输出电极用的导电材料图案1和连接到θ1谐振器孔的内表面上的导电材料上的导电电极图案3之间的距离来控制的，而C3则是由在图案1和连接到θ2谐振器孔的内表面上的导电材料上的导电材料图案4之间的距离控制的。C1、C2和C3是耦合电容，如上面在图4B中所述明的。Z是电感耦合并由导电材料的图案2控制，图案2与图案1相对立并连接到侧壁上的导电材料上。C1、C2和C3之间的相互关系如下：C1＞C3＞C2。

图5表明由现有技术和由我们的新技术根据所要求的规格开发的滤波器的电气数据。虽然本发明的滤波器比起当前可得到的滤波器来由于孔的数量较少因而更小些，但是它的性能相当于利用当前可用技术的更大的滤波器的电气性能。本发明(图3的滤波器)的电气性能如图5所示的是用实线表示的。已有技术的滤波器(图1的滤波器)的电气性能则如图5中所示用虚线来表示。

我们也可以把这个新的滤波器的技术概念应用到双工器上。图7是本发明的双工器图案的一个实施例。图6是它的等效电路。图6和图7A-K表明应用在双工器上时新的等效电路和印刷图案的例子。

在本实施例的双工滤波器中，一块介电材料具有顶表面51、底表面、沿着块的宽度连接顶表面和底表面相对的两个侧壁52、53，和沿着块的高度连接顶表面和底表面的两个相对的侧壁54、55。在侧壁53上配备有三个输入/输出小片56、57、58。

沿着块的宽度相隔布置着11个孔θ1到θ11，它们从顶表面51延伸穿过块而到底表面，其中的孔θ1位于第一位置，且孔θ1的中心偏离平分孔θ2到θ5的直线。

导电材料基本上覆盖了上面的底表面、侧壁表面52到55以及孔θ1到θ11的内表面。每个孔θ1到θ11都有围绕着该孔的在顶表面上的导电材料的图案3、4等等。

离线孔θ1的中心对邻近于该离线孔的孔θ2的中心相距Y1，距离Y1是垂直于该滤波器的侧壁52、53的。离线孔θ1的中心对邻近孔θ2的中心相距X1，距离X1是平行于该滤波器的侧壁52、53的。

提供连接到侧壁52上的导电材料的第一图形2′，这里的第一图案位于离线孔θ1和紧邻该离线孔的孔θ2之间，并具有宽度W和长度L。

还提供一连接到输入/输出小片56上的导电材料的第二图案1′。第二图案位于较低带的非离线孔θ7和较高带的紧邻的非离线孔θ2之间。

离线孔θ1在导电材料的第二图案等1′的旁边，并具有在围绕离线孔θ1的导电材料的图案3和导电材料的第二图案1′之间的电容C1。

第二电容C2是在邻近于离线孔θ1的孔θ2的图案4和围绕该离线孔的导电材料的图案3之间的电容。

第三电容C3是在导电材料的第二图案1′和孔θ2的图案4之间的电容。

图6和7A-B的双工器具有八(8)个传输极谐振器和三(3)个陷波谐振器，但它能够作为具有九(9)个传输极谐振器和三(3)个陷波谐振器的滤波器来工作。在大多数情况下，较高频带是在移动电话终端侧的接收机频带而较低频带是其发射机频带。这种规定在基站侧变成相反。但是，应该指出，接收机频带和发射机频带的关系作为一方面和高/低频率带作为另一方面并非总是一致的。

在双工器中心处的离线孔的频率差不多等于较高频带的频率。在这种情况下较高频带侧是图7中双工器的右侧。该双工器滤波器的一种实施例具有三个输入/输出小片和三个连接到这些小片上的导电材料的图案。该双工滤波器在滤波器的两侧可以有也可以没有陷波孔。

双工滤波器的各个W、L、X1和Y1的值是在下面的范围中。

W：0.5mm≥W≥0.1mm

L：3.0mm≥L≥0.5mm

X1：4.0mm≥X1≥1.0mm

Y1：2.0mm≥Y1≥0mmC1、C2和C3相互之间的关系如下：C1＞C3＞C2，而且C1、C2和C3示于图7B中。

按照上述结果，这种新的滤波器技术可以用于许多滤波器和双工器中，它们比现在可得到的滤波器有更小的尺寸和更高的电气性能。上面只是说明了本发明的原理。本领域的技术人员将能够作出各种修改，虽然它们并没有在这里明确地说明或示出，但却体现了本发明的原理，因此是在它的精神和范围之内的。

Claims (16)

1.一种滤波器，包括：

一介电材料块，其具有一顶表面、一底表面、沿着所述块的宽度连接所述顶表面和所述底表面的两个相对的第一侧壁，和沿着所述块的高度连接所述顶表面和所述底表面的两个相对的第二侧壁；

在所述第一侧壁之一上的两个输入/输出小片；

沿着所述块的宽度上相隔开的至少三个孔，它们从所述顶表面延伸穿过所述块到所述底表面，其中所述至少三个孔中的至少一个孔是位于三个孔的一端的，而且所述至少一个孔的中心是偏离平分至少三个孔中剩下两个孔的直线的；

基本上覆盖上述底表面、上述第一和第二侧壁表面和上述至少三个孔的内表面的导电材料；

所述每个孔在其所述顶表面上具有围绕所述孔的导电材料的图案；

所述离线孔的中心离与该离线孔相邻的孔的中心的距离是Y1，所述距离Y1是垂直于该滤波器的第一侧壁的；

所述离线孔的中心离该所述相邻孔的中心的距离是X1，所述距离X1是平行于该滤波器的第一侧壁的；

一在所述离线孔和相邻孔之间的导电材料的第一图案，其中所述第一图案包括一平行于该离线孔的导电材料的边和平行于该滤波器的第一侧壁的由导电材料形成的第一臂，一垂直于所述导电材料的第一臂的由导电材料形成的第二臂，以及一平行于导电材料的第一臂并垂直于导电材料的第二臂的由导电材料形成的第三臂，所述导电材料的第一图案连接到所述第一侧壁中的一个侧壁上的所述输入/输出小片上的第一个小片上；

所述离线孔具有围绕所述孔的导电材料的图案，所述离线孔的导电材料图案的所述边对围绕相邻孔的导电材料的边具有电容C2，这里C2是所述离线孔的导电材料图案和所述相邻孔的导电材料图案的两条相对边之间的电容；

其中所述离线孔是在导电材料的第一臂的旁边并具有围绕该离线孔的导电材料和导电材料的第一臂之间的电容C1，这里C1是离线孔的导电材料图案和所述导电材料的第一图案之间的电容；

一在导电材料的第一图案对面的导电材料的第二图案，其中所述第二图案具有宽度W和长度L，所述第二图案是连接到在第一侧壁之一上的导电材料上的；以及

一电容C3，它是在与离线孔相邻的所述图案和所述第一图案之间的电容；以及

一在第5和第6孔之间的导电材料的第三图案，其中所述第三图案是连接到所述第二输入/输出小片上的。

2.如权利要求1的滤波器，其中W：0.5mm≥W≥0.1mm；L：3.0mm≥L≥0.5mm；X1：4.0mm≥X1≥1.0mm；Y1：2.0mm≥Y1≥0mm。

3.如权利要求1或2的滤波器，其中C1＞C3＞C2。

4.一种双工滤波器，包括：

一介电材料块，其具有一顶表面、一底表面、沿着所述块的宽度连接所述顶表面和所述底表面的两个相对的侧壁，和沿着所述块的高度连接所述顶表面和所述底表面的两个相对的侧壁；

在所述测壁之一上的三个输入/输出小片；

沿着所述块的宽度相隔开的多个孔，它们从所述顶表面延伸穿过所述块到达所述底表面，其中第一孔位于第一位置且其中所述第一孔的中心是偏离平分剩下各孔的直线的；

基本上覆盖上述底表面、上述侧壁表面和上述孔的上述内表面的导电材料；

所述离线孔的中心离与该离线孔相邻的孔的中心的距离是Y1，所述Y1是垂直于该滤波器的侧壁的；

所述离线孔的中心离所述相邻孔的中心的距离是X1，该距离X1是平行于该滤波器的侧壁的；

一连接到所述侧壁之一上的导电材料的第一图案，其中所述第一图案位于所述第一离线孔和在第一离线孔旁边相邻的孔之间，其宽度为W长度为L；

一连接到所述第一输入/输出小片上的导电材料的第二图案，其中所述第二图案位于较低频带的非离线孔和较高频带的旁边相邻的非离线孔之间；

其中所述第一离线孔是在导电材料的第二图案的旁边并在围绕所述第一离线孔的导电材料和导电材料的第二图案之间具有电容C1；

一第二电容C2，它是在所述第一离线孔旁边相邻的所述孔的图案和围绕所述第一离线孔的所述导电材料之间的电容；以及

一第三电容C3，它是在所述第二个导电材料的图案和在所述第一离线孔旁所述相邻孔的所述图案之间的电容.

5.如权利要求4的滤波器，其中所述各孔中至少两个是传输极谐振器，且传输极谐振器的数量在频率较高和较低的各频带中至少为两个。

6.如权利要求4的滤波器，其中所述双工滤波器中心的离线孔的频率近似地等于较高频带的频率。

7.如权利要求5的滤波器，其中所述双工滤波器中心的离线孔的频率近似地等于较高频带的频率

8.如权利要求4的滤波器，其中W：0.5mm≥W≥0.1mm；L：3.0mm≥L≥0.5mm；X1：4.0mm≥X1≥1.0mm；Y1：2.0mm≥Y1≥0mm。

9.如权利要求5的滤波器，其中W：0.5mm≥W≥0.1mm；L：3.0mm≥L≥0.5mm；X1：4.0mm≥X1≥1.0mm；Y1：2.0mm≥Y1≥0mm。

10.如权利要求6的滤波器，其中W：0.5mm≥W≥0.1mm；L：3.0mm≥L≥0.5mm；X1：4.0mm≥X1≥1.0mm；Y1：2.0mm≥Y1≥0mm。

11.如权利要求7的滤波器，其中W：0.5mm≥W≥0.1mm；L：3.0mm≥L≥0.5mm；X1：4.0mm≥X1≥1.0mm；Y1：2.0mm≥Y1≥0mm。

12.如权利要求4、5、6、7、8、9、10和11的滤波器，其中C1＞C3＞C2。

13.如权利要求4的滤波器，其中所述离线孔是在所述离线孔右边的4个孔和在所述离线孔左边的4个孔所形成的线的后面。

14.如权利要求4的滤波器，其中有两个离线孔，第一个离线孔在其位置的左边有三个孔而在其右边有4个非离孔线孔，而第二个离线孔在上述非离线孔中最后一个的右边。

15.如权利要求4的滤波器，其中有三个离线孔，在该滤波器两端的每一端各有一个，而第三个在两个非离线孔的右边和三个非离线孔的左边。

16.如权利要求4的滤波器，其中有两个离线孔，其中一个离线孔在所述滤波器的左端且该离线孔具有两个非离线孔在所述第二离线孔的左边和三个非离线孔在所述第二离线孔的右边。

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