CN1159797C - 滤波器、双工器和通信装置 - Google Patents

Abstract

一种滤波器、双工器和通信装置，能显著地降低由边缘效应造成的功率损失，谐振器与输入或输出端子之间的耦合结构不会负面地影响功率损失的降低。在介电基板上设置多个谐振器。每个谐振器由多个螺旋传输线组件构成。在输入端和输出端的多个螺旋传输线组件的中心上，形成耦合衬垫，它们与相关的多个传输线组件电容耦合。

Description

滤波器、双工器和通信装置

技术领域

本发明涉及滤波器、双工器和通信装置，尤其涉及无线电通信或者电磁波，例如微波波段或毫米波波段的发射/接收所使用的滤波器、双工器和通信装置。

背景技术

日本未审定专利申请公报62-193302中揭示的发针谐振器作为微波或毫米波波段中使用的谐振器是已知的。发针谐振器比装有直线传输线的谐振器在结构上更加紧凑。

结构上也更加紧凑的另一种已知的谐振器是日本未审定专利申请公报2-96402中揭示的螺旋谐振器。螺旋谐振器装有螺旋传输线，以便在有限面积内获得更长的传输线，还装有谐振电容器，以便允许更小的总体尺寸。

以上两种谐振器各自已经利用单个半波传输线实现。因此，在上述谐振器中，电能量和磁能量累积在介质基板上的分别区域中。更具体地说，电能量累积在半波传输线的开口端附件，而磁能量累积在半波传输线的中心附件。

仅具有一个微带传输线的这种谐振器不能免除微带传输线中固有的边缘效应造成的特性劣化。尤其是，从截面上观看时电流集中在传输线的边缘(侧面边缘和顶部和底部边缘)上。采用较厚的传输线并不消除上述问题。

发明内容

于是，本发明的目的是提供一种滤波器、双工器和通信装置，其中由边缘效应造成的功率损失被显著降低，其中谐振器与输入/输出端之间的耦合结构不会负面影响边缘效应的降低。

此为达到目的，在本发明的一个方面中，提供一种具有谐振器和耦合衬垫的滤波器。谐振器包括基板和传输线组件。传输线组件由多个绕基板上特定点旋转设置从而彼此不相交的螺旋传输线构成。多个螺旋传输线的内侧端部和外侧端部分别限定传输线组件的内圆周和外圆周。耦合衬垫设置在传输线组件的中心上，并与多个螺旋传输线中的每一个电容耦合。

在本发明的另一个方面中，提供一种具有谐振器和耦合衬垫的滤波器。谐振器包括基板和传输线组件。传输线组件由多个彼此绕基板上特定点旋转对称旋转设置从而彼此不相交的螺旋传输线构成。耦合衬垫设置在传输线的中心上，并与多个螺旋传输线中的每一个电容耦合。

在任何一种上述结构中，彼此基本上一致的螺旋传输线彼此相邻设置。在每个传输线的边缘处出现少许微观边缘效应。然而，从宏观上，传输线的侧面边缘可以不考虑。因此，电流集中在传输线的边缘得到明显缓和，降低功耗。耦合衬垫通过等量电容与每个传输线电容耦合，所以所有的传输线具有相同的振荡频率，从而实现最低损失。

可以把耦合衬垫形成在与传输线组件相同的平面上。这允许基本上在一次步骤中既制备耦合衬垫又制备传输线。

可以将耦合衬垫设置成与传输线组件部分重叠，在耦合衬垫与传输线组件之间***一介质构件。这在耦合衬垫与每个传输线之间提供更大的电容，由此允许更小的耦合衬垫。因此增强设计的灵活性。

可以把一个基板层叠在另一个提供输入端和输出端的基板上，耦合衬垫经撞柱与电极连接，电极与输入端子或输出端子中一个连接。这一配置的作用是允许滤波器的结构更加紧凑。

在本发明的另一个方面中，提供一种具有按照上述任一特征的滤波器(作为发射机滤波器和接收机滤波器中的一个或二者)的双工器。双工器结构紧凑且***损失低。

在本发明的另一个方面中，提供具有按照上述任一特征滤波器或者如上所述双工器的通信装置。通信装置具有低的***损失并针对例如噪声和传输速率提供改进的通信质量。

附图说明

图1A是螺旋传输线的平面图。

图1B是装入本发明的滤波器中的谐振器的平面图。

图1C是滤波器的截面图。

图1D是滤波器的放大部分截面图。

图2A是表示传输线的角度宽度的图。

图2B是在直角坐标上用极坐标参数表明传输线图案的图。

图3A是谐振器的平面图。

图3B是垂直截面图，表明谐振器中电场和磁场的分布。

图3C是垂直截面图，表明谐振器中电流密度和磁场的z分量。

图4A是另一个谐振器的平面图。

图4B是垂直截面图，表明图4A所示的谐振器中电场和磁场的分布。

图4C是垂直截面图，表明图4A所示的谐振器中电流密度和磁场的z分量。

图5是用作模拟模型的微带多个传输线组件的垂直截面图。

图6A是第一模拟模型中磁场分布图。

图6B是第二模拟模型中磁场分布图。

图7A是第一模拟模型中磁场的x分量的分布图。

图7B是第二模拟模型中磁场的x分量的分布图。

图8A是第一模拟模型中磁场的y分量的分布图。

图8B是第二模拟模型中磁场的y分量的分布图。

图9是磁场的y分量沿x轴的曲线图。

图10是电流相位差与功率损耗的关系图。

图11是本发明第一实施例中的多个螺旋传输线组件的平面图。

图12是根据第一实施例的滤波器的透视图。

图13A是一平面图，表明耦合衬垫的形状的改进。

图13B是一平面图，表明耦合衬垫的形状的另一改进。

图14A是一平面图，表明耦合衬垫与多个螺旋传输线组件之间耦合结构的改进。

图14B是沿图14A中A-A线截取的垂直截面图。

图15A是一平面图，表明耦合衬垫与多个螺旋传输线组件之间耦合结构的另一改进。

图15B是沿图15A中A-A线截取的垂直截面图。

图16A是一平面图，表明耦合衬垫与多个螺旋传输线之间组件耦合结构的又一改进。

图16B是沿图16A中A-A线截取的垂直截面图。

图17是根据本发明第二实施例的滤波器的透视图。

图18是根据本发明第三实施例的滤波器的透视图。

图19是根据本发明第四实施例的滤波器的透视图。

图20A是一平面图，表明与耦合衬垫连接的电极的改进。

图20B是沿图20A中A-A线截取的垂直截面图。

图21A是一平面图，表明与耦合衬垫连接的电极的另一改进。

图21B是沿图21A中A-A线截取的垂直截面图。

图22是根据本发明的双工器的方框图。

图23是根据本发明的通信装置的方框图。

具体实施方式

首先参考图1-10描述根据本发明的滤波器中所使用的谐振器的原理。

图1B、1C和1D分别是俯视平面图、截面图和放大的部分截面图，每幅图表明谐振器的构造。参考它们，图中示出介质基板1；由8个两端敞开的螺旋传输线组成的多个螺旋传输线组件2，它们设置在介质基板1的顶表面上；已经覆盖介质基板1整个底表面的接地电极3。螺旋传输线彼此是一致的，绕介质基板1上的公共中心旋转，从而彼此不相交。螺旋传输线的内外端部分别基本上限定螺旋传输线组件2的内圆周和外圆周。图1A示出8个螺旋传输线中的一个。每个螺旋传输线的宽度基本上等于其趋肤深度。

参考图2B，现在利用极坐标参数表示图1A-1D中所示的多个螺旋传输线组件2的结构。所有8个螺旋传输线具有内端的公共矢量半径r1和外端的公共矢量半径r2。此外，8个螺旋传输线沿角度轴规则地间隔开来。参考图2A，每个螺旋传输线的角宽度由Δθ＝θ2-θ1表示，这里θ1是在给定矢量半径上的左端的角度，θ2是右端的角度。螺旋传输线的数目为n＝8，这可以由Δθ≤2π/8(＝π/4)弧度导出。再参考图2B，在给定矢量半径rk下整个多个螺旋传输线组件2的角宽度θw在2π弧度内。

螺旋传输线彼此电感和电容耦合，从而作为单个谐振器(谐振线)工作。

螺旋传输线不必具有共同的矢量半径r1和r2，沿角度轴规则地间隔开来，也不必彼此一致，然而，上述的特征在器件特性以及在制造过程中将提供优势，正如下文所描述的。

图3A示意性地示出多个螺旋传输线组件2，不是分别示出每个螺旋传输线。图3B示出组件2上电场和磁场的分布，正如在从图3A中A-A线截取的截面中看到的，当内端和外端上电荷处于最大值时。图3C示出每个传输线上的电流密度和通过相邻传输线之间的每个空间的磁场的z分量(垂直于纸面)的平均值。

从微观上，电流密度在传输线的每个边缘处是大的，正如图3B和3C所示。然而，从宏观上，边缘效应得到显著缓解，因为具有相同幅度和相位的电流流过相邻的传输线。

图4是一个比较例，其中每个传输线的宽度增大到趋肤深度的两倍。电流的集中比图3中更明显，功率损耗的降低受到负面影响。

不通过三维分析不能获得图3A-4C中所示的电场和磁场的分布，三维分析需要进行大量的计算。以下描述静态磁场模拟的结果，它涉及由多个线电流源产生的磁场的分布。

(模拟模型)

图5示出多个线电流源的模拟模型。

模型1(电流具有相同相位和幅度)

$i_k=A/\sqrt{2}(k=\mathrm{1,2},\·\·\·,n)$

模型2(电流的相位差在0°至180°之间变化，幅度以正弦波变化)

ik＝A sin{(2k-1)π/2n}    (k＝1、2、…，n)

(磁场的分布的计算)

按照Biot-Savart定律计算磁场的分布。

由通过x-y平面上点(p)并限定在z方向流动的线电流源产生的磁矢量由以下方程式(1)表示。

$H=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{I}_0{e}_z\×(r-p)}{4\mathrm{\π}{(r-p)}^2}----\left(1\right)$

因此，在这个模拟模型中由多个线电流源产生的磁场的分布由以下方程式(2)获得。

$H=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0{j}_k}{4\mathrm{\π}}(\frac{e_x\×(r-p_k)}{{(r-p_k)}^2}-\frac{e_x\×(r-p_k^{\left(m\right)})}{4\mathrm{\π}{(r-p_k^{\left(m\right)})}^2})----\left(2\right)$

在上述方程式(2)中，Pk(m)是Pk相对于地电极的镜象位置的坐标值。减号表示电流在相反方向流动。

(计算的例子)

参数

传输线的数目：n＝20

总的线宽度：w_o＝0.5mm

基板厚度h_o＝0.5mm

线电流源的坐标值

xk＝[{(2k-1)/2n}-(1/2)]w。

yk＝h_o

(k＝1、2、…，n)

图6A和6B分别示出模型1和模型2的磁场的分布。参考图6A和6B，垂直辅助线和水平辅助线分别表示多个螺旋传输线组件和基板表面的边缘。在模型2中，等相位线在x方向和y方向二者上是不稠密的，因此功率损失更小。

图7A和7B分别示出模型1和模型2中磁场的x分量。参考图7A和7B，垂直辅助线和水平辅助线分别表示多个传输线组件和基板表面的边缘。模型2提供更好的隔离，因此集成在例如滤波器中是有利的。

图8A和8B分别示出模型1和模型2的磁场的y分量。参考图8A和8B，垂直辅助线和水平辅助线分别表示多个传输线组件和基板表面的边缘。在模型2中，磁场集中在传输线的边缘是不强的，因此功率损失小。

当在传输线的任何一点上流过相邻传输线的电流的相位差最小时，对如上所述边缘效应的抑制最大。图10示出相位差与功率损失之间的关系。当相位差为0°时能最有效地维持振荡能量。当相位差为90°时功率损失的降低被电抗电流抵销。当相位差为±180°时，振荡能量被减小。因此±45°的范围被认为是有效范围。

平面电路谐振器的设计的原理可以概括如下。

(1)旋转对称地设置多个彼此一致且相互绝缘的传输线。因此，每个传输线的物理长度、电学长度和振荡频率是相同的。此外，基板表面上的等相位线是这样分布的，即形成同心圆。在电磁学上，边缘基本上不存在，因此由边缘效应造成的功率损失得到明显抑制。

(2)在传输线的任何一点上流过相邻传输线的电流的相位差应当最小。每个传输线的宽度和相邻传输线之间的间隔应当尽可能小，应当基本上恒定在任何一点上没有任何突然弯曲。应当使每个传输线这样，即一部分与另一部分不接触。

(3)每个传输线的宽度应当不大于其趋肤深度。在相邻传输线的边缘处的磁场彼此干涉，以致于增大有效电流和降低电抗电流，由此降低功率损失。

接着，参考图11至16描述根据本发明第一实施例的滤波器的结构。

图11是多个螺旋传输线组件2的放大平面图。在组件2的中心上设置一耦合衬垫9，它是与组件2耦合的电极。组件2的螺旋传输线彼此是一致的且彼此绕基板上特定点旋转对称地设置，以致于彼此不相交。耦合衬垫9是绕特定点的圆，不与任何一个螺旋传输线邻接。于是，耦合衬垫9通过等量电容与螺旋传输线的每个内端耦合。组件2与耦合衬垫9之间的耦合系数依赖于耦合衬垫9的半径以及耦合衬垫9与组件2之间的间隙。半径和间隙是这样确定的，即提供特定滤波器需要的耦合***。

图12是整个滤波器的透视图。参考图12，在介质基板1的顶面上设置三组螺旋传输线组件2a、2b和2c，基板1可以是例如氧化铝陶瓷基板或者玻璃环氧树脂基板。在两头组件2a和2b的中心上，分别形成有耦合衬垫9a和9b。在介质基板1的顶面上还形成焊接衬垫10a和10b。介质基板1的整个底面被接地电极3a所覆盖。

将介质基板1固定在基板6上，后者或是绝缘的或是介电的。在基板6上，形成有输入和输出端子12a和12b，每个端子从顶面起经侧面延伸到其底面。除了形成输入和输出端子12a和12b的地方，基板6的整个底面基本上被接地电极3b覆盖。

耦合衬垫9a和9b经焊接引线11a和11b被分别引线焊接至焊接衬垫10a和10b。此外，焊接衬垫10a和10b经焊接引线11c和11d被分别引线焊接至输入和输出端子12a和12b。为了电磁屏蔽，介质基板1和焊接引线11a至11d被利用绝缘焊剂焊接在基板6顶面上的金属罩13覆盖。在图12中，罩13是透视地绘出的。

按照以上结构，耦合衬垫9a与多个螺旋传输线组件2a电容耦合。多个螺旋传输线组件2a与中间的多个螺旋传输线组件2c电感耦合，由此与另一端的多个螺旋传输线组件2b电感耦合。多个螺旋传输线组件2b与耦合衬垫9b电容耦合。输入和输出端子12a和12b分别与耦合衬垫9a和9b电耦合。于是，信号按照由三个谐振器所确定的带通特性在输入与输出端子12a和12b之间滤波。

耦合衬垫9a和9b可以不需要在介质基板1上的耦合衬垫10a和10b而与输入和输出端子12a和12b直接引线耦合。

除了耦合衬垫9a和9b外，在多个螺旋传输线组件2c的中心也可以设置一个焊接衬垫，设定组件2a、2b和2c每一个的振荡频率。

可以在组件2a和2b外圆周的外侧和邻近位置分别设置电容耦合的电极，代替耦合衬垫9a和9b。

图13至16示出多个螺旋传输线组件2与耦合衬垫9之间的耦合结构的改进例，其作用是在组件2与耦合衬垫9之间提供更大的耦合电容。

图13A和13B示出改进例，其中改变了耦合衬垫的形状。在图13A中，耦合衬垫是锯齿形的，以致于与组件2的间隙变窄。在图13B中，耦合衬垫9的齿进一步延伸到构成组件2的相邻一对对螺旋传输线之间的空间中。

图14A至16B示出改进例，其中在组件2与耦合衬垫9之间提供一介电薄膜14。

在图14A中，介电薄膜14绕耦合衬垫9而形成，延伸到相邻一对对螺旋传输线内侧端部分之间的空间中。图14B示出沿图14A中A-A线截取的垂直截面图。另一方面，介电薄膜14可以绕耦合衬垫9而形成，在形成组件2的整个面积上延伸。

在图15A中，以覆盖螺旋传输线内侧部分的圆形形状形成介电薄膜14，在介电薄膜14上形成耦合衬垫9。图15B是沿图15A中A-A线截取的垂直截面图。

在图16A中，以圆形形状在基板上形成耦合衬垫9，以沿着并覆盖耦合衬垫9圆周的环形形状形成介电薄膜14，在基板上形成多个螺旋传输线，经介电薄膜14覆盖耦合衬垫9的圆周。图16B是沿图16A中A-A线截取的垂直截面图。

接着，参考图17描述根据本发明第二实施例的滤波器的构造。

参考图17，在介质基板1的顶面上设置三组多个螺旋传输线组件2a、2b和2c。在端头组件2a和2b的中心上，分别形成有耦合衬垫9a和9b。邻近组件2a和2b每一个的外圆周还形成焊接衬垫10a和10b。介质基板1的整个底面被接地电极3a所覆盖。将介质基板1固定在基板6上，后者或是绝缘的或是介电的。在基板6上，形成有输入和输出端子12a和12b，每个端子从顶面起经侧面延伸到其底面。除了形成输入和输出端子12a和12b的地方，基板6的整个底面基本上被接地电极3b覆盖。

与图12所示的第一实施例不同，焊接衬垫9a和9b经焊接引线11e彼此引线焊接。焊接衬垫10a和10b经焊接引线11c和11d被引线焊接至输入和输出端子12a和12b。介质基板1和焊接引线11a至11d被设置在基板6顶面上的金属罩13覆盖。

耦合衬垫9a和9b分别被电容耦合至多个螺旋传输线组件2a和2b，焊接衬垫10a和10b也被电容耦合至多个螺旋传输线组件2a和2b。于是，多个螺旋传输线组件2a和2b经电容电抗为耦合，由此衰减预定频率的分量。

另一方面，可以这样安排，焊接衬垫10a和10b彼此相互引线焊接，耦合衬垫9a和9b被分别引线焊接至输入和输出端子12a和12b。还可以这样安排，即在输入端或是输出端的任一端上，采用耦合衬垫来与另一端耦合，将焊接衬垫连接至输入或输出端，在另一端上，将耦合衬垫连接至输入或输出端，采用焊接衬垫来与另一端耦合。

接着，将参考图18描述根据本发明第三实施例的滤波器的构造。

参考图18，在介质基板1的顶面上设置三组多个螺旋传输线组件2a、2b和2c。在端头组件2a和2b的中心上，分别形成有耦合衬垫9a和9b。在介质基板1上，还形成有输入和输出端子12a和12b，每个端子从其侧面延伸到其底面。介质基板1的侧面和底面基本上被接地电极3a所覆盖。通过介质基板1形成通孔15a和15b，用于将耦合衬垫9a和9b分别电连接至输入和输出端子12a和12b。还提供一个上基板16，它或是绝缘的或是介电的，其顶面和侧面被接地电极3c覆盖。通过按照箭头所示将介质基板1与上基板16层叠在一起，将三个多螺旋传输线组件2a、2b和2c夹在它们当中，由此被接地电极3a和3c覆盖。构成组件2a、2b和2c的每个传输线起带状传输线的作用。于是，按照由三个谐振器确定的带通特性，信号在输入与输出端子12a与12b之间滤波。

接着，将参考图19描述根据本发明第四实施例的滤波器的构造。

参考图19，在介质基板1的顶面上设置三组多个螺旋传输线组件2a、2b和2c。在端头组件2a和2b的中心上，分别形成有耦合衬垫9a和9b。在耦合衬垫9a和9b的顶部上，分别形成导电撞柱17a和17b。介质基板1的侧面和底面基本上被接地电极3a所覆盖。还提供一个上基板16(当安装在安装板上时，上基板16的顶表面将起安装表面的作用)。在上基板16上，形成输入和输出子12a和12b，从其顶面延伸到其侧面。除了形成输入和输出端子12a和12b的地方外，上基板16的顶面和侧面被接地电极3c覆盖。在上基板16的底面上，形成与撞柱17a和17b接触的电极。通过上基板16形成通孔15a和15b，将电极与输入和输出端子12a和12b电连接。

通过将介质基板1与上基板16层叠在一起，上基板16底面上的电极经撞柱17a和17b分别与耦合衬垫9a和9b电连接。于是，在输入与输出端子12a与12b之间的信号按照由三个谐振器确定的带通特性而滤波。

接着，参考图20和21描述与耦合衬垫连接的电极的改进例。

在图20A中，在介质基板1上形成多个螺旋传输线组件2，如此形成介电薄膜14以覆盖组件2的内端部分并在一个方向上延伸到组件2的外端之外。在介电薄膜14上，形成耦合衬垫9和从其延伸的外衬垫18。图20B是沿图20A中A-A线截取的垂直截面图。

在图21A中，在介质基板1上形成形成耦合衬垫9和从其延伸的外衬垫18。介电薄膜14是如此形成的，从而覆盖耦合衬垫9的外端部分和耦合衬垫9与外衬垫18之间延伸的部分，在介电薄膜14上形成多个螺旋传输线组件2。图21B是沿图21A中A-A线截取的垂直截面图。

在以上结构中，耦合衬垫9被电容耦合至组件2的内端部分，采用外衬垫18作为输入或输出端子，或者作为将耦合衬垫9电连接至输入或输出端子的电极。于是，不需要设置焊接引线的空间，消除了制备通孔的复杂加工过程。

图22是方框图，表明根据本发明的双工器的结构。双工器包括接收滤波器和发射滤波器，接收或发射滤波器各安装上述任一实施例而构造。在基板6上设置复用发射信号和接收信号的线，以及输入和输出端子。在基板6上设置发射滤波器的介质基板和接收滤波器的介质基板。与每个滤波器的输入端和输出端谐振器相关的耦合衬垫被引线焊接到设置在基板6上的复用线和输入和输出端子。因此，可阻止发射信号与接收信号之间的干扰，仅仅将发射频带内的发射信号馈送到天线，以及仅仅将接收频带内的接收信号馈送到接收器电路。

图23是表明根据本发明的通信装置的构造的方框图。通信装置装有如上所述的双工器。发射机电路和接收机电路设置在电路板上。双工器安装在电路板上，从而使发射机电路连接至TX端子，接收机电路连接至RX端子，天线连接至ANT端子。

Claims (9)

1.一种滤波器，其特征在于所述滤波器包括：

谐振器，它包括基板和传输线组件，所述传输线组件是由绕所述基板上特定点旋转设置从而彼此不相交的多个螺旋传输线组成的，所述多个螺旋传输线的内端和外端分别限定所述传输线组件的内圆周和外圆周；以及

设置在所述传输线组件的中心上的耦合衬垫，与每一个所述多个螺旋传输线电容耦合。

2.一种如权利要求1所述的滤波器，其特征在于：

绕所述基板上特定点旋转设置的螺旋传输线彼此旋转对称。

3.如权利要求1或2所述的滤波器，其特征在于：所述耦合衬垫形成在与所述传输线组件相同的平面上。

4.如权利要求3所述的滤波器，其特征在于：所述基板层叠在另一基板上，后者设置有输入端子和输出端子，所述耦合衬垫经撞柱连接至电极，电极连接至输入端子和输出端子中的一个。

5.如权利要求1或2所述的滤波器，其特征在于：所述耦合衬垫这样设置以致于所述传输线组件与介于所述耦合衬垫与所述传输线组件之间的介质构件部分重叠。

6.如权利要求5所述的滤波器，其特征在于：所述基板层叠在另一基板上，后者设置有输入端子和输出端子，所述耦合衬垫经撞柱连接至电极，电极连接至输入端子和输出端子中的一个。

7.如权利要求1或2所述的滤波器，其特征在于：所述基板层叠在另一基板上，后者设置有输入端子和输出端子，所述耦合衬垫经撞柱连接至电极，电极连接至输入端子和输出端子中的一个。

8.一种双工器，其特征在于所述双工器包括如权利要求1至7中任何一项所述的滤波器，作为发射机滤波器和接收机滤波器中的一个或二者。

9.一种通信装置，其特征在于所述通信装置或是包括如权利要求1至7中任何一项所述的滤波器或是包括如权利要求8所述的双工器。

Images