專利名稱：介質(zhì)濾波器、發(fā)射/接收雙工器和通信裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波、毫米波等波段中使用的介質(zhì)濾波器以及采用該介質(zhì)濾波器的發(fā)射/接收雙工器和通信裝置。
為了滿足大容量和高速度的通信系統(tǒng)的需要，至今一直打算把通信用的頻段從微波波段擴(kuò)展到毫米波波段。尤其在諸如無線局域網(wǎng)(LAN)、便攜可視(TV)電話和下一代衛(wèi)星廣播等 不同的系統(tǒng)中，已經(jīng)考慮采用亞毫米波波段。于是，需要尺寸更小、價(jià)格更廉并具有安裝在平面電路上的優(yōu)勢的濾波器?？紤]到上述情況，本申請的發(fā)明人提出了“采用平面電路型介質(zhì)諧振器的亞毫米波帶通濾波器”，C-121，電子、信息和通信工程師協(xié)會大會，1996。
圖8以部件分解透視圖示出所提出的介質(zhì)濾波器的結(jié)構(gòu)。在圖8中，標(biāo)號3所表示的是在其兩個(gè)主平面上形成電極的介質(zhì)板，具有預(yù)定尺寸的圓形電極不形成部分以互相面對的關(guān)系限定在電極中。圖中標(biāo)號1表示在介質(zhì)板3的上表面上形成的電極，4a，4b表示電極不形成部分。6表示基板，7表示框架。這些構(gòu)件各由εr＝7.3的陶瓷制成。在基板6的下表面、基板6的上表面從框架7伸出的部分以及框架7的周邊部分形成電極，由此構(gòu)成一個(gè)底盒。8表示由εr＝7.3的陶瓷制成的蓋。在蓋8表面及其周邊表面上形成有電極，保持與電極1的接觸。在基板6的上表面上形成微帶線，用作輸入/輸出端子，9表示其中的一個(gè)端子。探針19，20分別與微帶線連接。
采用這種構(gòu)造，介質(zhì)板3的位于兩個(gè)主平面上電極不形成部分之間的部分或區(qū)域起TE010模介質(zhì)諧振器的作用。相互鄰近的介質(zhì)諧振器不僅相互電磁耦合而且分別與探針19，20電磁耦合。
在具有上述結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)介質(zhì)濾波器中，在基板6的兩個(gè)主平面上形成電極的區(qū)域構(gòu)成波導(dǎo)路徑路徑。于是，波導(dǎo)路徑與微帶線相耦合，引起信號在基板6內(nèi)以所謂平行平板模式傳播。這就使人擔(dān)憂濾波器的衰減特性和寄生特性變差。
為此，已經(jīng)將傳統(tǒng)介質(zhì)濾波器設(shè)計(jì)成通過形成通孔13，以使基板6兩個(gè)主平面上電極之間在微帶線9附近導(dǎo)電，截?cái)嘣诨?兩個(gè)主平面上電極構(gòu)成的波導(dǎo)路徑與微帶線之間的耦合，如圖8所示。然而，在有些情況中這種設(shè)計(jì)還不足以滿足特定要求的特性。此外，由于不容易在陶瓷基板中鉆出高準(zhǔn)確度的孔，當(dāng)采用陶瓷作為在其上形成微帶線的基板時(shí)，上述設(shè)計(jì)會增加制造成本。對于介電常數(shù)高的基板6，通過基板內(nèi)部的波導(dǎo)路徑傳播的信號波長變短。這意味著當(dāng)以陣列形式形成多個(gè)通孔時(shí)，必須設(shè)定較小的陣列間距和增加通孔的數(shù)目。另外，當(dāng)基板是由陶瓷制備時(shí)，基板厚度如此之薄，在0.2-0.5mm量級，因而帶來處理上的不便。
本發(fā)明的目的是提供一種消除上述各種問題的介質(zhì)濾波器以及采用這種介質(zhì)濾波器的發(fā)射/接收雙工器和通信裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供一種介質(zhì)濾波器，其中，在介質(zhì)板的兩個(gè)主平面上形成電極，而以互相面對的關(guān)系限定在電極中形狀基本相同的成對電極不形成部分；位于相對的電極不形成部分對之間的區(qū)域起諧振區(qū)域作用；設(shè)置與諧振區(qū)域相耦合的耦合件；設(shè)置限定諧振區(qū)域和耦合件周圍空間的腔體；腔體的一部分是由介質(zhì)板或絕緣板形成的基板構(gòu)成的，在基板的兩個(gè)主平面上形成有電極；在基板上沿與最先提及的介質(zhì)板上的電極接觸的部分或沿與最先提及的介質(zhì)板上的電極接觸的另一導(dǎo)體接觸的部分形成多條導(dǎo)體路徑，使基板兩主平面上形成的電極之間導(dǎo)電。目的是阻止信號通過基板兩主平面上電極之間形成的波導(dǎo)路徑傳播。
由于這一特點(diǎn)，對介質(zhì)板中構(gòu)成的諧振區(qū)域和與前述諧振區(qū)域耦合的耦合件周圍的諧振區(qū)域的周圍空間加以限制，使該空間與基板兩主平面上電極之間形成的波導(dǎo)路徑斷開，由此阻止信號通過波導(dǎo)路徑傳播。因此，改善了濾波器的衰減特性和寄生特性。
根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，當(dāng)在基板上設(shè)置包括微帶線的輸入/輸出端子時(shí)；在每條微帶線的兩側(cè)與其相隔兩至三倍微帶線線寬距離的位置上形成多條導(dǎo)體路徑，以使基板兩個(gè)主平面上形成的電極之間導(dǎo)電。由于這一特點(diǎn)，足以抑制基板兩主平面上電極之間形成的波導(dǎo)與微帶線之間的耦合。
根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，導(dǎo)體路徑具有不大于介質(zhì)濾波器中心頻率下在基板內(nèi)傳播信號的1/4波長的陣列間距。由于這一特點(diǎn)，基板中形成的導(dǎo)體路徑作為基板內(nèi)傳播信號的導(dǎo)體壁，從而增強(qiáng)了屏蔽作用。
根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)方面，提供一種發(fā)射/接收雙工器，這里，采用第一至第三方面中任一方面所述的介質(zhì)濾波器作為發(fā)射濾波器或接收濾波器之一或二者；發(fā)射濾波器設(shè)置在發(fā)射信號輸入端口與輸入/輸出端口之間；接收濾波器設(shè)置在接收信號輸出端口與輸入/輸出端口之間。
由于這一特點(diǎn)，利用衰減特性和寄生特性得到改善的介質(zhì)濾波器，能夠獲得具有優(yōu)良分支特性的發(fā)射/接收雙工器。
根據(jù)本發(fā)明的第五個(gè)方面，提供一種通信裝置，這里，發(fā)射電路與如第四方面所述的發(fā)射/接收雙工器的發(fā)射信號輸入端口連接；接收電路與發(fā)射/接收雙工器的接收信號輸出端口連接；而天線與發(fā)射/接收雙工器的輸入/輸出端口連接。


圖1是第一實(shí)施例的介質(zhì)濾波器的部件分解透視圖。
圖2是該介質(zhì)濾波器所使用的基板的平面圖。
圖3是介質(zhì)濾波器的剖面圖。
圖4是表明該介質(zhì)濾波器的寬帶寄生特性的曲線圖。
圖5是第二實(shí)施例的介質(zhì)濾波器的部件分解透視圖。
圖6是第二實(shí)施例的介質(zhì)濾波器所使用的基板的平面圖。
圖7是表明第二實(shí)施例的介質(zhì)濾波器的寬帶寄生特性的曲線圖。
圖8是傳統(tǒng)的介質(zhì)濾波器的部件分解透視圖。
圖9是表明傳統(tǒng)介質(zhì)濾波器的寬帶寄生特性的曲線圖。
圖10是表明第三實(shí)施例的天線雙工器結(jié)構(gòu)的圖。
圖11是表明第四實(shí)施例的通信裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖。
以下參考圖1-4，描述本發(fā)明第一實(shí)施例的介質(zhì)波器的結(jié)構(gòu)。
圖1是該介質(zhì)濾波器的部件分解透視圖。在圖1中，標(biāo)號3所表示的是厚度為1.0mm、εr＝30的介質(zhì)板。在介質(zhì)板3的上表面形成電極1，它包括從圖中可看出的以4a、4b、4c表示的圓形電極不形成部分。在介質(zhì)板3下表面上形成電極，它包括以分別與電極不形成部分4a、4b、4c互相面對的關(guān)系并具有相同形狀的電極不形成部分。采用這一結(jié)構(gòu)，相互相對的電極不形成部分起TE010模介質(zhì)諧振器的作用。圖中以6表示的是厚度為0.3mm的基板，它由εr＝3.5的BT樹脂制成。而在基板6的整個(gè)下表面上基本形成電極，而在其一部分上表面上形成電極11。在基板6的上表面上形成微帶線9、10，其部分用作探針(耦合件)。正如圖中看到的，在基板6的上方，將金屬制成的框架7與基板6的上表面上的電極11連接。另外，8表示金屬制成的蓋，其周邊邊緣與介質(zhì)板3的上表面上的電極1的周邊緣連接。
圖2是圖1所示的基板的平面圖。參考圖2，微帶線9、10的線寬各為0.62mm，其特性阻抗為50Ω。電極11位于各微帶線9、10基部兩側(cè)，與其基部相隔兩倍于0.62mm線寬的距離。此外，在基板6上沿電極11的內(nèi)周邊(即電極11與圖1中所示框架7連接的部分)以及各微帶線9、10基部兩側(cè)以具有預(yù)定間距的陣列形式鉆多個(gè)通孔13，使基板6的下表面上形成的電極與其上表面上電極11之間產(chǎn)生導(dǎo)電性。通孔13的直徑各為0.3mm，以1mm的陣列間距排列。由于在本實(shí)施例中，介質(zhì)濾波器的中心頻率為20 GHz，通過基板內(nèi)波導(dǎo)路徑傳播的信號的波長λg為8mm，通孔的陣列間距值遠(yuǎn)小于λg/4。通過如上所述沿電極11部分以及在各微帶線底部兩側(cè)上排列多個(gè)通孔13，使之與框架7保持接觸阻止以互相面對關(guān)系在基板6兩主平面上形成電極的區(qū)域中構(gòu)成的波導(dǎo)路徑與微帶線9、10相耦合，不會導(dǎo)致信號通過波導(dǎo)路徑傳播。因此，能夠避免濾波器衰減特征和寄生特性的惡化。
圖3為圖1所示介質(zhì)濾波器裝配后的縱向剖面圖。如圖3所示，在介質(zhì)板3的下表面上形成有包括電極不形成部分5a、5b、5c在內(nèi)的電極2，這些電極不形成部分分別與介質(zhì)板3的上表面上的電極不形成部分4a、4b、4c成互相面對關(guān)系。三個(gè)諧振區(qū)域14a、14b和14c與相對的電極不形成部分4a、4b、4c、5a、5b、5c配對構(gòu)成介質(zhì)襯底3。電極12基本上形成于整個(gè)基板6的下表面。由于電極12藉通孔13與基板6上表面上的電極11電氣上導(dǎo)通，所以電極12、框架7和蓋8合起來，起包圍諧振區(qū)域14a、14b、14c和作為耦合件的微帶線9、10的腔體的作用。由諧振區(qū)域14a、14c構(gòu)成的兩個(gè)諧振器分別與作為耦合件的微帶線9、10電磁耦合。由諧振區(qū)域14a、14b構(gòu)成的兩個(gè)諧振器互相耦合，并且由諧振區(qū)域14b、14c構(gòu)成的兩個(gè)諧振器也互相耦合。這樣就構(gòu)造出了包含三個(gè)諧振器的三級帶通濾波器。
圖4為第一實(shí)施例的介質(zhì)濾波器寬帶寄生特性的曲線圖。從圖9所示傳統(tǒng)介質(zhì)濾波器的寬帶寄生特性來看，在以平行平板模式基板的兩個(gè)主平面之間形成的波導(dǎo)路徑中傳播的信號未被截止。因此，如圖9所示，。甚至在低于HE110模式的更低頻率下也有平行平板模式的信號傳播。特別，在9-11GHz范圍的衰減值小到10dB左右。與此相反，從圖4所示寬帶寄生特性可見，9-11GHz范圍內(nèi)的衰減值超過50dB，因而本發(fā)明的介質(zhì)濾波器內(nèi)的寄生信號受到了比圖8所示傳統(tǒng)介質(zhì)濾波器更大的抑制。例如假定把振蕩電路輸出的10GHz信號倍頻到20GHz信號時(shí)，倍頻電路輸出的信號中包含10GHz信號。通過在倍頻電路輸出線路中插入第一實(shí)施例的濾波器，10GHz信號得到了有效的抑制。值得注意的是，曲線圖中的HE110、HE210、HE310和TE110代表諧振器中發(fā)生的諧振模式，并且其響應(yīng)值并未降低。
如上所述，在第一實(shí)施例中，圍繞包括在介質(zhì)板內(nèi)的諧振區(qū)域和在耦合件(與先前的諧振區(qū)域耦合)周圍的諧振區(qū)域的空間大小受到了限制并且該空間與在基板6兩個(gè)主平面上的電極11和12之間形成的波導(dǎo)路徑斷開，從而避免了信號通過波導(dǎo)路徑傳播。因此改善了濾波器的衰減特性和寄生特性。通過沿著腔體水平剖面在基板6內(nèi)形成多個(gè)通孔，還提高了以平行平板模式在基板內(nèi)部傳播信號的諧振頻率，從而使得平行平板模式下的任何高階模式頻率與濾波器所用的模式通帶相隔足夠遠(yuǎn)。此外，通過利用介電常數(shù)小的印刷電路板來降低有效介電常數(shù)，可以提高基板(腔體)的諧振頻率并進(jìn)一步提高以平行平板模式在基板內(nèi)部傳播信號的諧振頻率。利用介電常數(shù)小的印刷電路板還可以增加經(jīng)基板內(nèi)部波導(dǎo)路徑傳播的信號的波長。這使得通孔的陣列間距可以設(shè)定得較大并且便于制造基板。還有，利用多用途的印刷電路板不僅降低了成本，而且改善了基板的處理質(zhì)量。
以下借助圖5-9描述第二實(shí)施例的介質(zhì)濾波器結(jié)構(gòu)。
圖5為電介質(zhì)濾波器的部件分解透視圖而圖6為濾波器中所用基板的平面圖。與圖1和2所示第一實(shí)施例相比較可以看出，第二實(shí)施例的基板6在其上表面形成電極11，除了圍繞微帶線9、10的區(qū)域之外還包括向內(nèi)放置或連接框架7的部分。在基板6內(nèi)鉆有多個(gè)通孔13并且排列在微帶線9、10周圍限定電極11邊緣的部分內(nèi)。而且，在第二實(shí)施例中，基板6由εr＝10的氧化鋁板構(gòu)成。每條微帶線9、10與電極11之間的間隔設(shè)定為微帶線9、10寬度的2-3倍，并且直徑為0.3毫米的通孔13以1毫米的陣列間距排列。由于在該實(shí)施例中介質(zhì)濾波器的中心頻率為20GHz并且經(jīng)基板內(nèi)部波導(dǎo)路徑傳播的信號波長λg約為4.7毫米，所以通孔13的陣列間距(1毫米)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于λg/4。濾波器的其它結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例的相同。
圖7為按照第二實(shí)施例的介質(zhì)濾波器寬帶寄生特性的曲線圖。如上所述，在圖9所示傳統(tǒng)介質(zhì)濾波器的寬帶寄生特性中，平行平板模式的寄生信號即使在低于圖9所示HE110模式的低頻下也能傳播。特別，9-11GHz范圍內(nèi)的衰減值低至10dB左右。另一方面，從圖7所示寬帶寄生特性可見，9-11GHz范圍內(nèi)的衰減值超過50dB并且該實(shí)施例介質(zhì)濾波器內(nèi)的寄生信號在圖8所示傳統(tǒng)介質(zhì)濾波器更低的頻率下也受到了抑制。
如上所述，在第二實(shí)施例中，通過在作為耦合件的微帶線周圍以預(yù)先確定的距離形成電極11和在微帶線周圍形成通孔陣列，即使在基板的介電常數(shù)較高的情況下也可以有效抑制平行平板模式的寄生信號。
圖10示出了按照第三實(shí)施例的發(fā)射/接收雙工器的構(gòu)造。圖10為平面圖，示出了框架安裝在基板6上而介質(zhì)板3安裝在框架上(安裝蓋之前)的狀況。在基板6上與框架連接的部分內(nèi)，以陣列方式鉆有通孔，以在基板6兩塊主平面上形成的電極之間導(dǎo)電。包括由41a、41b、41c、42a、42b標(biāo)出的五個(gè)圓形電極不形成部分的電極，形成于介質(zhì)板3的上表面，而包括與上述五個(gè)電極不形成部分互相面對的電極不形成部分的電極形成于介質(zhì)板3的下表面。在這種構(gòu)造下，形成了TE010模式的五個(gè)介質(zhì)諧振器。在這五個(gè)介質(zhì)諧振器中，在對應(yīng)于電極不形成區(qū)域41a、41b、41c區(qū)域內(nèi)形成的三個(gè)介質(zhì)諧振器被用作接收濾波器，它們構(gòu)成三階諧振器。對應(yīng)于電極不形成區(qū)域42a、42b區(qū)域內(nèi)形成的兩個(gè)介質(zhì)諧振器被用作發(fā)射濾波器，它們構(gòu)成二階諧振器。
在圖10所示的情況下，與圖1所示類似的蓋接合在圖10所示組件的頂部。采用這種最終的結(jié)構(gòu)，基板6下表面上的電極、通孔和蓋合起來在介質(zhì)諧振器周圍電磁屏蔽。
在基板6上形成有作為探針的四條微帶線9r、10r、10t、9t。微帶線9r、9t的端部分別用作接收信號輸出端口和發(fā)射信號輸入端口。微帶線10r、10t的端口通過用作線路分支的微帶線互相連接并且取為至外部的輸入/輸出端口。如此確定從等效斷路平面到分支點(diǎn)的兩條微帶線10r、10t電長度，從而當(dāng)分別在發(fā)射頻率的波長下看接收濾波器和在接收頻率的波長下看發(fā)射濾波器時(shí)都呈現(xiàn)高阻抗。
即使如上所述在單塊基板上如本實(shí)施例那樣放置多個(gè)諧振器，在電介質(zhì)板3內(nèi)構(gòu)成的諧振區(qū)域和圍繞耦合件(與前一諧振區(qū)域耦合)的諧振區(qū)域的空間大小受到了限制并且與基板6兩塊主平面上的電極11和12形成的波導(dǎo)路徑斷開，從而避免了信號通過波導(dǎo)路徑傳播。因此發(fā)射/接收雙工器改善了發(fā)射濾波器的和接收濾波器的衰減特性和寄生特性，并且獲得了優(yōu)良的分支特性。
圖11為利用上述發(fā)射/接收雙工器作為天線雙工器的結(jié)構(gòu)框圖。在圖11中，46a表示上述接收濾波器而46b表示上述發(fā)射濾波器，這些濾波器結(jié)合起來構(gòu)成了天線雙工器。如圖11所示，接收電路47與天線雙工器46的接收信號輸出端口46c相連并且發(fā)射電路48與發(fā)射信號輸入端口46d相連。天線49與天線雙工器46的天線端口46e相連，因此整體上構(gòu)成通信裝置。這種通信裝置例如對應(yīng)于便攜式電話等的高頻電路部分。
如上所述，通過利用采用本發(fā)明介質(zhì)濾波器的天線雙工器，可以制造出利用優(yōu)良分支特性的天線雙工器的小型通信裝置。值得注意的是，天線雙工器46的接收濾波器46a和發(fā)射濾波器46b可以由圖1所示單個(gè)介質(zhì)濾波器構(gòu)成。
簡而言之，按照本發(fā)明的第一方面，包括電介質(zhì)片內(nèi)的構(gòu)成諧振區(qū)域和圍繞耦合件(與前一諧振區(qū)域耦合)的諧振區(qū)域的空間大小受到了限制并且與基板兩塊主平面上的電極形成的波導(dǎo)路徑斷開，從而避免了信號通過波導(dǎo)路徑傳播。因此改善了濾波器的衰減特性和寄生特性。
按照本發(fā)明第二方面，可以有效抑制基板兩塊主平面上電極與微帶線之間的耦合。
按照本發(fā)明第三方面，基片內(nèi)形成的導(dǎo)體路徑起著導(dǎo)體壁的作用，阻止了基板內(nèi)傳播的信號，增強(qiáng)了屏蔽效應(yīng)。
按照本發(fā)明第四方面，發(fā)射/接收雙工器改善了發(fā)射濾波器的和接收濾波器的衰減特性和寄生特性，并且獲得了優(yōu)良的分支特性。
最后，按照本發(fā)明第五方面，獲得了高頻電路部分的衰減性能和寄生性能優(yōu)良的通信裝置。
權(quán)利要求
1.一種介質(zhì)濾波器，其中，在介質(zhì)板的兩個(gè)主平面上形成電極，而以互相面對的關(guān)系限定在所述電極中形狀基本相同的成對電極不形成部分；位于所述的互相面對的成對電極不形成部分之間的區(qū)域起諧振區(qū)域作用；設(shè)置與所述諧振區(qū)域相耦合的耦合件；設(shè)置限定所述諧振區(qū)域和所述耦合件的周圍空間的腔體，其特征在于所述腔體的一部分是由介質(zhì)板或絕緣板形成的基板構(gòu)成的，所述基板的兩個(gè)主平面上形成有電極；在所述基板上沿與所述最先提及的介質(zhì)板上所述電極接觸的部分或沿與所述最先提及的介質(zhì)板上所述電極接觸的另一導(dǎo)體接觸的部分形成多條導(dǎo)體路徑，使所述基板兩主平面上形成的所述電極之間導(dǎo)電。
2.如權(quán)利要求1所述的介質(zhì)濾波器，其特征在于在所述基板上設(shè)置包括微帶線的輸入/輸出端子；在每條一個(gè)所述微帶線的兩側(cè)與其隔開兩至三倍所述微帶線線寬距離的位置上形成多條導(dǎo)體路徑，以使所述基板兩個(gè)主平面上形成的所述電極之間導(dǎo)電。
3.如權(quán)利要求1或2所述的介質(zhì)濾波器，其特征在于所述導(dǎo)體路徑具有不大于所述介質(zhì)濾波器中心頻率下在所述基板內(nèi)傳播信號的1/4波長的陣列間距。
4.一種發(fā)射/接收雙工器，其特征在于采用如權(quán)利要求1-3中任何一項(xiàng)所述介質(zhì)濾波器作為發(fā)射濾波器或接收濾波器之一或二者；所述發(fā)射濾波器設(shè)置在發(fā)射信號輸入端口與輸入/輸出端口之間；所述接收濾波器設(shè)置在接收信號輸出端口和所述輸入/輸出端口之間。
5.一種通信裝置，其特征在于發(fā)射電路與如權(quán)利要求4所述的發(fā)射/接收雙工器的發(fā)射信號輸入端口連接；接收電路與所述發(fā)射/接收雙工器的接收信號輸出端口連接；而天線與所述發(fā)射/接收雙工器的輸入/輸出端口連接。
全文摘要
一種介質(zhì)濾波器,其中,在介質(zhì)板(3)的兩個(gè)主平面上形成電極,以互相面對的關(guān)系限定在電極中形狀基本相同的電極不形成部分(4a、4b、4c等)對;位于相戶面對的電極不形成部分對之間的區(qū)域起諧振區(qū)域作用;在基板(6)的上表面設(shè)置微帶線(9、10),以與微帶線間隔預(yù)定距離的空間關(guān)系形成電極11。在基板上以陣列形式鉆多個(gè)通孔(13),以使基板兩主平面上形成的電極之間導(dǎo)電。
文檔編號H01P1/213GK1201272SQ98107460
公開日1998年12月9日 申請日期1998年4月21日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月21日
發(fā)明者園田富哉, 平敏朗, 井田裕, 三上重幸, 金川潔 申請人:株式會社村田制作所