多模腔体滤波器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及滤波器，并且特别是涉及包括供例如在用于电信应用的频分双工器中 使用的谐振器主体的多模滤波器。
【背景技术】
[0002] 在本说明书中对任何在先公开(或从其导出的信息）或已知的任何物质的参考并 不是且不应理解为该在先公开(从其导出的信息）或已知物质构成在本说明书所涉及的竭 力做到的领域中的常见一般知识的一部分的确认或许可或任何形式的暗示。
[0003] 所有物理滤波器本质上由许多能量储存谐振结构组成，在各种谐振器之间和谐振 器与输入/输出端口之间具有用于能量流动的路径。谐振器的物理实施方式及其互连的方 式对不同的类型而言将不同，但是相同的基本概念适用于全部。在被耦合在一起的谐振器 网络方面可以以数学方式描述此类滤波器，但数学布局（topography)不必与实际滤波器的 布局匹配。
[0004] 由介质谐振器形成的常规单模滤波器是已知的。介质谐振器具有高Q(低损耗)特 性，其使得能够实现与腔体滤波器相比具有减小尺寸的高选择性滤波器。这些单模滤波器 趋向于被构建为分离物理介质谐振器的级联，有在其之间和到端口的各种耦合。这些谐振 器很容易被识别为不同的物理对象，并且耦合也趋向于容易识别。
[0005] 这类单模滤波器可包括由"冰球（puck)"形状的陶瓷材料形成的分立谐振器网络， 其中每个谐振器具有单个主导谐振频率或模。通过提供谐振频率或模而将这些谐振器耦合 在一起。这些谐振器通过在腔体之间提供谐振器位于其中的开口而被耦合在一起。通常， 谐振器和交叉耦合提供传输极点和"零点"，其可以在特定频率被调谐以提供期望的滤波器 响应。通常将要求许多谐振器以实现用于商业应用的适当滤波特性，导致相对大尺寸的滤 波设备。
[0006] 由介质谐振器形成的滤波器的一个示例性应用是用于微波电信应用的频分双工 器。传统上在天线支持塔的底部处的基站处提供双工器，但针对微波电信系统设计的当前 趋势是将滤波和信号处理设备定位于塔的顶部处以从而使电缆长度最小化并因此减少信 号损耗。然而，如上所述的单模滤波器的尺寸可以使得这些对于在天线塔的顶部处实现而 言并不期望。
[0007] 多模滤波器在单个物理主体中实现多个谐振器，使得可以获得滤波器尺寸方面的 减小。作为示例，镀银介电体可以在许多不同模下谐振。这些模中的每一个可充当滤波器 中的谐振器中的一个。为了提供实际的多模滤波器，必须在主体内的模之间耦合能量，与在 单模滤波器中的分立对象之间的耦合相比，这在实践中更容易控制。
[0008] 实现这些多模滤波器的常见方式是选择性地将来自输入端口的能量耦合到模中 的第一个。在第一模下储存的能量然后通过向主体的形状中引入特定缺陷（defect)而被 耦合到谐振器内的不同模。以这种方式，可以以与常规单模滤波器实施方式类似的方式将 多模滤波器实现为谐振器的有效级联。这种技术导致可以被调谐以提供期望滤波器响应的 传输极点。
[0009] 在美国专利号6, 853, 271中描述了此类方法的示例，该专利针对三模单体滤波 器。使用在形成于谐振器的面上的孔中提供的适当配置输入探测器，能量被耦合到电介质 填充单体谐振器的第一模中。通过选择性地在谐振器主体上提供拐角切削或狭槽而实现谐 振器的两个其它模与此第一模之间的耦合。
[0010] 这种技术允许滤波器尺寸方面的显著减小，因为此类型的三模滤波器表示由三个 分立单模谐振器构成的单模滤波器的等同物。然而，用来耦合进出谐振器和在谐振器内的 模之间的能量以提供有效谐振器级联的方法要求主体具有复杂的形状，增加了制造成本。
[0011] 可实现这些多模滤波器的替换方式是借助于适当设计的耦合轨道将来自输入端 口的能量同时地耦合到模中的每一个。再次地，以这种方式，可以以与常规单模滤波器实 施方式类似的方式将多模滤波器实现为谐振器的有效级联。如其中使用缺陷来使得能够 在单个谐振器中激励多个模的上述情况一样，这种技术导致可以对传输极点进行调谐以提 供期望的滤波器响应。在各种美国（US)专利申请中已经公开了此类型滤波器，例如：us 13/488, 123、US 13/488,059、US 13/487,906 和 US 13/488,182。
[0012] 可能仍需要将两个或更多三模滤波器级联在一起以提供具有适当滤波特性的滤 波器组件。如在美国专利号6, 853, 271和7, 042, 314中所述，这可使用单个波导或用于提 供两个谐振器单体之间的耦合的位于中心的单个小孔来实现。用这种方法，难以实现向主 体耦合、从主体耦合或在主体之间耦合模的精确控制，并且因此实现给定的具有挑战性的 滤波器规格是困难的。
[0013] 另一方法包括使用耦合在两个电介质单体之间的单模梳状线谐振器来形成混合 式滤波器组件，如在美国专利号6, 954, 122中所述。在这种情况下，相比于单独地使用添加 的缺陷而言，甚至进一步增加物理复杂性和因此的制造成本。
【发明内容】
[0014] 根据本发明的一方面，提供了一种多模腔体滤波器，包括：至少两个介质谐振器主 体，其中的每一个结合了一片电介质材料，每片电介质材料具有使得其可以支持至少第一 谐振模和至少第二基本上退化的谐振模的形状； 一层导电材料，与两个介质谐振器主体接触并将其覆盖；至少一个小孔，在覆盖将两个 介质谐振器主体结合的界面的一层或多层导电材料中，其中，所述至少一个小孔的至少一 部分在周界上位于第一介质谐振器主体的面上，并且被布置成并行地从至少第一谐振模和 第二基本上退化的谐振模并行地向第二介质谐振器主体中的等价模传输信号。
[0015] 根据本发明的另一方面，提供了多模腔体滤波器，包括：至少三个介质谐振器主 体，其中的每一个结合了一片电介质材料；一层导电材料，与每个介质谐振器主体接触并将 其覆盖；至少一个小孔，在覆盖邻接介质谐振器主体之间的界面的一层或多层导电材料中， 其中，第一介质谐振器具有使得其可以支持至少第一谐振模和至少第二基本上退化的谐振 模的形状，第二介质谐振器被布置成仅支持第一谐振模，并且第三介质谐振器具有使得其 可以支持至少第一谐振模和至少第二基本上退化的谐振模的形状。
[0016] 所述至少一个小孔可例如包括水平小孔元件和垂直小孔元件，该小孔元件可沿着 其长度中的任一个而在一个或多个位置处结合，或者可不这样。
[0017] 所述至少一个小孔可例如由许多小孔子元件构成，其单独地或一起使得能够实现 并行地向或从至少第一谐振模和第二基本上退化的谐振模进行的耦合。
[0018] 所述至少一个小孔可例如由两个或更多部分组成，其中，第一部分基本上平行于 介质谐振器主体的表面延伸，并且第二部分基本上垂直于第一部分延伸。可例如接近于介 质谐振器主体的至少一个边缘放置所述至少一个小孔。
[0019] 所述至少一个耦合小孔可例如包括主要用于耦合到第一模的第一部分和主要用 于耦合到第二模的第二部分。所述至少一个耦合小孔的第一部分可例如定向成使得由所述 第一部分耦合的磁场和电场中的至少一个与所述第一模的相应磁场或电场基本上对准。所 述至少一个耦合小孔的第二部分可例如定向成使得由所述第二部分耦合的磁场和电场中 的至少一个与所述第二模的相应磁场或电场基本上对准。第一部分和第二部分可以是例如 以下各项中的任何一个：笔直、弯曲或无定形小孔或者规则或不规则二维形状。第一部分可 例如包括第一笔直细长小孔，并且第二部分可例如包括基本上垂直于第一笔直细长小孔布 置的第二笔直细长小孔，并且其可与第一笔直细长小孔相交，或者可不同于第一笔直细长 小孔。
[0020] 所述至少一个耦合小孔可例如包括用于同时地耦合到第一模和第二模两者的一 部分。该部分可例如包括细长小孔，其以一定角度定向，使得由所述部分产生的磁场和电场 中的至少一个具有与所述第一模的相应磁场或电场对准的第一笛卡尔分量以及与所述第 二模的相应磁场或电场对准的第二笛卡尔分量。
[0021] 可例如在该层导电材料中将耦合小孔形成为缺少导电材料的区域。
[0022] 多模腔体滤波器可例如还包括输入谐振器和输出谐振器，每个可操作地耦合到多 模谐振器中的一个并可操作用于包含将耦合到多模谐振器中的电场和磁场。输入谐振器和 输出谐振器可由与多模谐振器中的一者或两者相同的材料制成，或者其可由不同的材料制 成。
[0023] 形成多模谐振器中的一者或两者的主体的电介质材料片可例如包括用于安装到 输入谐振器上的平面表面的基本上平面的表面。形成多模谐振器的主体的电介质材料片还 可例如包括用于安装到输出谐振器上的平面表面的第二基本上平面的表面。
[0024] 可在所述基本上平面的表面上或与之相邻地提供输入耦合小孔和输出耦合小孔 中的至少一个。
[0025] 进而可为输入谐振器提供用以使得能够向输入谐振器中馈送信号的探测器或其 它激励装置。还可为输出谐振器提供用以使得能够从输出谐振器提取信号的探针或其它激 励装置。
【附图说明】
[0026] 为了更好地理解本发明，并且为了更清楚地示出其可以如何付诸实践，现在将以 示例的方式对以下附图进行参考，在所述附图中： 图Ia是多模滤波器的示例的示意性透视图； 图Ib是图Ia的多模滤波器的示意性正面视图； 图2是图Ia的示例性多模滤波器的示意性透视图，示出了用于直接地在多模滤波器的 正面之外的电场和磁场的一个典型形式的示例； 图3是多模滤波器的第二示例的示意性透视图； 图4是多模滤波器的第三示例的示意性透视图； 图5 (a)至（d)示出了在示例性多模谐振器之外和内部的各种场和模； 图6是结合了输入和输出耦合谐振器的图1的示例性多模滤波器的示意性透视图； 图7是多模滤波器的第四示例的示意性透视图； 图8是多模滤波器的第五示例的示意性透视图； 图9是多模滤波器的第六示例的示意性透视图； 图10 (a)至（e)是用于多模滤波器的示例性耦合小孔布置的示意图； 图11 (a)是结合了多模滤波器的双工通信系统的示例的示意图； 图11 (b)是图11 (a)的多模滤波器的频率响应的示例的示意图； 图12是使用多个谐振器主体来提供用于发射和接收通道的滤波的多模滤波器的示例 的示意性透视图； 图13 (a)是结合了输入和输出耦合探测器的示例性多模滤波器的示意性透视图； 图13 (b)是示出了图13 (a)的示例性多模滤波器的侧视图的示意图，结合了输入和 输出耦合探测器； 图14 (a)是具有基于探测器的激励的谐振器的示例的示意性透视图； 图14 (b)是示出了谐振器内的各种场和模的多模滤波器的示例的示意性透视图； 图14 (c)是示出了谐振器内的示例性场取向的示例性多模谐振器的示意性透视图； 图15是采用谐振器之间的一种导电耦合的示例性多谐振器滤波器的示意性侧视图； 图16是可以从图15中所示的滤波器结构得到的示例性频率响应； 图17示出了可存在于两个相邻多模谐振器中的电磁场的示例性视图； 图18是多模、多谐振器滤波器的示例的示意性透视图； 图19是多模、多谐振器滤波器的另一示例的示意性透视图； 图20是利用谐振器之间的基于小孔的耦合的示例性双谐振器滤波器的示意图； 图21是多模、多谐振器滤波器的另一示例的示意性透视图。
【具体实施方式】
[0027] 现在将参考图Ia和Ib来描述多模滤波器的示例。
[0028] 本发明的基础在于使用特定类型的耦合小孔将信号耦合到多模谐振器中和从其 中耦合出来，同时在该谐振器内同时地激励两个或更多模(或从其耦合能量)。
[0029] 在本示例中，滤波器100包括封装在金属化层(其为了明了起见而未示出）中的谐 振器主体110。在金属化层中形成了至少两个小孔：输入耦合小孔120和输出耦合小孔130。 这些小孔由金属化的不存在组成，其中谐振器主体的其余部分基本上被封装在其金属化层 中。小孔120和130可例如通过以化学方式或以机械方式蚀刻围绕谐振器主体110的金属 化（metallisation)以去除金属化并从而形成一个或多个小孔而形成。还可以用其它手段 来形成一个或多个小孔，诸如以小孔的形状产生掩膜，临时地将所述掩膜附着到谐振器主 体的表面上的所需位置，跨谐振器主体的基本上所有表面面积而喷洒或者以其他方式沉积 导电层（'金属化层'），并且然后从谐振器主体去除掩膜，以在金属化中留下小孔。
[0030] 将在随后用来在多模谐振器110内定义各种模的名称和取向的轴的取向由轴图 140定义。
[0031] 图Ib示出了包含输入小孔120的谐振器主体110的面的视图。输入小孔120被 示为由图I (a)中所示的谐振器主体110的端面(如所示)的表面上的金属化150的不存在 形成。
[0032] 在本示例中，将输入小孔120示为由金属化150中的两个正交狭槽121和122构 成。这两个正交狭槽121和122被示为在谐振器主体的端面的左上拐角中相遇，形成单个 连续的小孔120。上文所述的实施例仅仅是符合本发明的许多可能实施例中的一个。下面 将提供更多示例，其中使用多个单独狭槽小孔，并且其中，所述狭槽小孔不相遇或在沿着其 长度的不同位置处(例如向前半途中）相遇，从而形成交叉交叉。
[0033] 提供了两个耦合小孔：在每种情况下，一个用于将RF能量耦合到谐振器中，并且 一个用于将RF能量从谐振器耦合出来，例如向或从另一谐振器。所述另一谐振器可以是例 如单模谐振器。这些小孔分别地激励谐振器结构可以支持的简单(主)模中的两个或更多或 者从其耦合能量。可以支持的模的数目进而在很大程度上由谐振器的形状决定，但立方体 和立方形谐振器是在本公开中主要考虑的那些，从而在立方体的情况下支持多达三个(简 单的非退化）模且在2:2:1比立方体的情况下多达四个(简单的非退化）模。其它谐振器形 状和此类形状可以支持的模数目也是可能的。
[0034] 图I (a)以示例的方式示出了立方形介质谐振器主体110 ;对于谐振器主体而言 可以有许多其它形状，同时仍支持多个模。用于谐振器主体的此类形状的示例包括但不限 于：球形、棱柱、角锥、圆锥、圆筒和多边形突出体（extrusion)。
[0035] 通常，谐振器主体110包括具有适当介电性质的电介质材料的实心主体，并且更 典型地由其制成。在一个示例中，谐振器主体是陶瓷材料，但是这并不是必须的，而是可以 使用替换材料。另外，该主体可以是多层主体，包括例如具有不同介电性质的各材料层。在 一个示例中，该主体可以包括电介质材料的芯以及不同电介质材料的一个或多个外层。
[0036] 谐振器主体110通常包括导电材料的外部涂层，通常称为金属化层；此涂层可由 银制成，但可以使用诸如金、铜等其它材料。可向主体的一个或多个表面施加导电材料。形 成耦合小孔的表面的区域可以是无涂层的以允许信号到谐振器主体的耦合。
[0037] 谐振器主体可以是任何形状，但是一般地限定至少两个正交轴，其中耦合小孔至 少部分地在每个轴的方向上延伸，从而提供到多个单独谐振模的耦合。
[0038] 在当前示例中，谐振器主体110是立方体主体，并且因此限定基本上与谐振器主 体的表面对准的三个正交轴，如轴X、Y、Z所示。结果，谐振器主体110具有基本上正交且基 本上与三个正交轴对准的三个主导谐振模。
[0039] 立方体结构是特别有利的，因为其可以容易且廉价地制造，并且还可以容易地装 配在一起，例如通过以接触的方式布置多个谐振器主体，如下面将参考图6描述的。立方体 结构通常具有清楚地限定的谐振模，使得耦合小孔布置的配置更加简单。另外，立方体结构 的使用提供平面的表面或面180,使得可以在平行于平面表面180或在其上面的平面中布 置小孔，其中小孔可优选地由金属化的不存在形成，其以其他方式基本上围绕谐振器主体 IlO 0
[0040] 有许多相邻材料和机构，多模介质谐振器可以从其发出电场和磁场能量，其然后 可以耦合到多模谐振器Iio中，并从而激励谐振器将支持的多个模中的两个或更多。下面 将进一步描述的一个示例是利用一个或多个附加谐振器(其可以是单模谐振器）来包含所 需的电场和磁场，以借助于输入耦合小孔120耦合到多模谐振器。同样地，输出耦合小孔 130可将储存在多模谐振器110内的电场和磁场中的能量从其模中的两个或更多耦合到一 个或多个输出谐振器中，以便随后提取而形成滤波器的输出。
[0041] 虽然下面将进一步描述使用输入和输出谐振器作为邻近于耦合小孔120和130提 供或提取所需场的装置，但存在许多其它机制，通过该许多其它机制可以提供或提取所需 场。一个其它示例是使用放置在与输入耦合小孔120相距适当距离处的辐射贴片天线结