专利名称：谐振器、滤波器、天线共用器和通信装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及谐振器、滤波器、天线共用器和通信装置，用于无线通信中或者在如微波或毫米波频带中发送/接收电磁波。
背景技术：
作为用于微波或毫米波频带内的谐振器，日本未审查专利申请公开号为62-193302的申请中揭示的发夹式谐振器是众所周知的。发夹式谐振器的优点是它比用线性伸展导线的谐振器小。
日本未审查专利申请公开号为2002-49512的申请中揭示了通过薄膜微制造技术形成的平面电路型多C环谐振器。多C环谐振器的优点是它比日本未审查专利申请公开号为62-193302的申请中揭示的发夹式谐振器具有更高的导体Q因子。
日本未审查专利申请公开号为2000-244213的申请中揭示了通过薄膜微制造技术形成的平面电路型多螺旋线谐振器。在这种类型的谐振器中，流过相应导线的电流相互分布相似，从而可以获得比发夹式谐振器获得的导体Q因子更高的导体Q因子。
尽管日本未审查专利申请公开号为2000-244213的申请中揭示的多螺旋线谐振器具有高导体Q因子的优点，然而缺点在于需要高成本用薄膜微制造过程来生产它。当要求减小谐振器的尺寸时，也要求更精细的制造，从而增加了生产成本。
因此，本发明的目的是提供一种谐振器、滤波器、天线共用器和通信装置，它具有小尺寸和高导体Q因子，并且可以以合理的低成本来生产。
发明揭示为了达到上述目的，本发明提供了包括一个或多个环形谐振元件的谐振器，各谐振元件包括一条或多条导线，各谐振元件具有一个电容部分和一个电感部分，电容部分通过定位导线的端部部分而形成，以便使一根导线的一端和同一导线的另一端在宽度方向紧密相邻，或者使一根导线的一端和包括在同一谐振元件中的另一导线的一端在宽度方向紧密相邻。
在这种结构中，电容性部分起到电容的作用，而各导线起到半波传输线的作用，导线两端是电气上开路的。不必要在其上形成导线的表面对面的衬底表面上形成接地电极。因此，可以以低成本生产具有期望导体Q因子并具有包括少量组成元件的简单结构的谐振器。
在按照本发明的这种谐振器中，谐振元件可以包括多个导线和多个电容性部件。
在按照本发明的谐振器中，导线可以在平面型衬底上形成。在这种结构中，不必要在其上形成导线的表面对面的衬底表面上形成接地电极。这可以以低成本用很少量的组成元件生产谐振器。通过形成导线以便各导线的端部在宽度方向上紧密相邻，于是能获得较大的电容，该电容比各导线的端部在长度方向上紧密相邻的结构所能获得的电容大。这可以减小谐振器的大小。
在按照本发明的谐振器中，衬底构件可以以实心圆柱体或空心圆柱体的形状来形成，而导线可以围绕衬底构件的侧面而形成。这能将本发明用于圆柱体结构。
导线的端部可以互相紧密相邻，以便端部形成交叉指型变换器。这能使在宽度方向上紧密相邻的导线端部的长度减少，并从而减少谐振器的总尺寸。
在按照本发明的谐振器中，一些或全部导线的宽度以及一些或全部相邻导线间的间隔可被设为等于或小于导体的趋肤深度。这使由趋肤效应和边缘效应引起的电流浓度的减少，并从而增加谐振器的导体Q因子。
在按照本发明的谐振器中，在宽度方向彼此相邻的导线间的间隔可以被设为等于或小于导线的趋肤深度。这使由边缘效应产生的电流浓度减少，并从而增加了谐振器的导体Q因子。
在按照本发明的谐振器中，在宽度方向彼此相邻的导线间的间隔可被设为大致恒定。这能在与适用于形成最小图案的条件相同的条件下用微制造工艺形成全部导线，从而能以高效方式生产具有高导体Q因子的谐振器。
在按照本发明的谐振器中，可以以通过交替形成层叠的电介质薄膜层和导电薄膜层而获得的薄膜多层电极的形式产生导线。这不仅使导线宽度方向上由边缘效应引起的电流浓度减少，也使导线厚度方向上由趋肤效应引起的电流浓度减少。因此，可以进一步增加谐振器的导体Q因子。
在按照本发明的谐振器中，在宽度方向上彼此相邻的导线间的间隔可以用电介质材料来填充。这导致谐振器相邻导线间形成的电容增加，从而能减少宽度方向上紧密相邻的导线端部的长度，并能减少谐振器的尺寸。
本发明也提供了包括以上述形式之一构造的谐振器的滤波器，以及信号输入/输出装置，该装置形成在与其上形成谐振器并与谐振器耦合的衬底相同的衬底上。该谐振器可以以小的形状生产并具有低插入损耗。
本发明也提供了一种天线共用器，它包括上述用作发射滤波器或接收滤波器或用作两者的滤波器。该天线共用器的优点是具有低插入损耗。
本发明也提供了一种至少包括上述滤波器或天线共用器的通信装置。该通信装置的优点是在RF发射和接收电路中具有低插入损耗，并且具有用如噪声特性和传输速率表示的高传输性能。
附图简述
图1是按照本发明第一实施例的谐振器结构图。
图2是在图所示谐振器的导线两端附近区域中电场分布图，并且还显示了流经导线的电流分布图。
图3是按照本发明第二实施例的谐振器结构图。
图4是按照本发明第三实施例的谐振器结构图。
图5是按照本发明第三实施例的谐振器中电流分布图。
图6是按照本发明第四实施例的谐振器结构图。
图7是按照本发明第五实施例的谐振器结构图。
图8是按照第一实施例的谐振器中电场分布和电流方向的示例图。
图9是按照本发明第五实施例的谐振器的导线图案的示例图。
图10是按照本发明第六实施例的谐振器结构图。
图11以放大方式示出按照本发明第六实施例的谐振器的各部分。
图12是按照本发明第七实施例的谐振器的导线图案示例图。
图13是按照本发明第八实施例的谐振器的导线截面结构图。
图14是按照本发明第九实施例的谐振器结构图。
图15是按照本发明第十实施例的谐振器结构图。
图16是按照本发明第十一实施例的滤波器结构图。
图17是按照本发明第十二实施例的滤波器结构图。
图18是按照本发明第十三实施例的滤波器结构图。
图19是按照本发明第十三实施例的滤波器导线图案示例图。
图20是按照本发明第十四实施例的天线共用器的结构框图。
图21是按照本发明第十五实施例的通信装置的结构框图。
实现本发明的最佳模式下面参考结合附图的优选实施例描述了按照本发明的谐振器、滤波器、天线共用器和通信装置。
<第一实施例>
图1说明了按照本发明第一实施例的谐振器的配置，更明确地说，图1(A)是谐振器的俯视图，图1(B)是其剖面图。
如图1所示，谐振器包括电介质衬底(下文中，简称为衬底)1和在衬底1上表面上形成的导线2。在其上形成导线2的表面相对的衬底1的下表面上未形成任何接地电极。导线2具有恒定宽度并且沿着环的整个一圈周长而延伸。导线2具有两个端部，它们额外延伸并且被定位以便在宽度方向彼此紧密相邻。更明确地说，在图1(A)中圆周包围的区域中，导线的一端x1和另一端x2在宽度方向上彼此紧密相邻。
图2说明了上述谐振器的操作，更明确地说，图2(A)说明了导线端部在这些位置处彼此相邻的四个位置A、B、D和E，也说明了导线的长度中心位置C，图2(B)说明了在导线两端紧密相邻的区域中电极的场分布，而图2(C)说明了沿着导线的电流分布。
如图2(B)所示，与在其它区域中相比，电场强度在导线两端x1和x2在宽度方向上紧密相邻的区域中具有很大的强度。此外，在导线一端和与导线另一端部x1紧密相邻的部分x11之间的区域中，以及在导线另一端和与导线端部x1紧密相邻的部分x21之间的区域中，电场强度也很大。在电场强度变高的区域中形成电容。
如图2(C)所示，电流强度改变，以便它在从位置A到位置B的区域中突然增加，且在从位置B到位置D的区域中具有大致恒定的值。在从位置D到位置E的区域中，电流强度突然减小。电流强度在两端都为0。因此，从A到B区域中的导线部分以及从D到E区域中的导线部分起到电容部分的作用，其中导线的两个端部在宽度方向上紧密相邻，而其余从B到D区域中的部分起到电感部分的作用。电容部分和电感部分间的合作结果是产生谐振。和集总常数电路类似，谐振器可视为具有LC谐振电路的形式。
下文中，上述由导线形成的包括电容部分和电感部分的环形元件将被称作谐振元件。
<第二实施例>
图3说明了按照本发明第二实施例的谐振器的配置，更明确地说，图3(A)是谐振器的俯视图，图3(B)是其截面图。
不像图1所示的谐振器通过在衬底1上形成单根导线2来实现，在图3所示的谐振器中，谐振器是通过在衬底1的上表面上形成包括三根导线2a、2b和2c的一组导线12来实现的。衬底1的下表面上不形成任何接地电极。
也就是说，按照本实施例，可以通过仅在衬底上形成导线而不在与其上形成导线的表面相对的表面上形成接地电极，从而构造谐振器。当然，接地电极可以在与其上形成导线的表面相对的表面上形成。如果形成了接地电极，则它用作电磁场的屏蔽。这能在谐振器内实现简单的屏蔽结构。
同样在下述实施例中，衬底下表面上不形成接地电极。在各导线中，定位其两个端部以便在宽度方向上紧密相邻，从而在导线端部形成电容部分。因此，三根导线2a、2b和2c的每一根都形成一个谐振元件。三根导线2a、2b和2c大致以衬底1上的特定点O为共同中心，以便三根导线2a、2b和2c并不互相交叉。由相应导线2a、2b和2c的三个谐振元件形成一个谐振器。
尽管相邻导线彼此紧密相邻，然而在除形成电容部分的区域之外，在形成电感部分的区域内相邻导线间基本不形成电容。这是因为正负电荷仅存在于端部(电容部分)，而在电感部分中基本没有电荷，如图2(B)所示。不存在电荷导致相邻导线间没有位移电流流过。因此，即使当谐振器包括许多谐振元件时，电容部分和电感部分也能正确地运行。
在该例中，形成导线2a、2b和2c的电容部分(在图中圆周包围的区域内)，以便它们彼此紧密相邻，并且它们经过通过由导线形成的环的中心O的直线L而延伸。
由第二实施例的谐振器获得的优点如下。
(1)各导线起到半波传输线的作用，它们两端是电子开路的。在本例中，各导线形成一个谐振元件。
(2)各导线的一端产生正电荷而导线的另一端产生负电荷，从而在导线两端彼此紧密相邻的区域中形成电容。
(3)由于电容在单个平面内形成，因此不需要在衬底的后表面(下表面)上形成接地电极就可以获得谐振。
(4)流经导线的电流强度由相应导线的电容来确定。
(5)流经各导线的电流感应出与圆周TE01δ模式相似的方式分布的磁场。更明确地说，磁场以绕轴的对称方式沿着rz平面内的圆周路径而延伸。
(6)总电流分布在许多导线中，以便流经相邻导线的分布电流的相位大致相等。由于在导线间分布电流，因而减小了端部和相邻区域内的大电流强度，从而改进了导体Q因子。
(7)由于相应谐振元件的电容部分彼此紧密相邻，因此谐振器的电容集总在多个导线的特定局部区域中，电容部分和电感部分可以实现指定功能。这能容易地设计谐振器和另一使用谐振器的电路之间的连接。
<第三实施例>
图4说明了按照本发明第三实施例的谐振器的配置，更明确地说，图4(A)是谐振器的俯视图，图4(B)是其截面图。
在该第三实施例中，各导线2a、2b和2c的两端被定位以便在宽度方向上紧密相邻，其中，在图4(A)中G表示的位置处，导线2a、2b和2c的一端通过具有特定间隙距离的间隙与另一相邻导线的另一端相对。这种模式等价于通过在特定位置处(由图4(A)中的G表示)部分切开螺旋形的导线而获得的模式。更明确地说，各谐振元件电容部分的位置(在图4(A)中椭圆包围的区域中形成)在圆周方向上相对于相邻谐振元件电容部分的位置被略微移位。换句话说，随着谐振元件径向位置的改变，电容部分的位置在圆周方向上移位。
上述结构允许包括许多线的导线组12被安排在有限区域内，可能减少谐振器的总尺寸。
此外，相邻导线间的间隔在导线的全长上保持在小的固定值，导线全长上由边缘效应引起的电流局部增加可以被最小化，从而改进了导体Q因子。
下面描述按照第三实施例包括多个谐振元件的谐振器之间的分析性比较以及多螺旋线谐振器的实例。在第三实施例中，各谐振元件包括高阻抗的电感部分以及低阻抗的电容部分，其中阻抗以分级方式突然改变。因此，下文中，各谐振元件被称为分级环，而包括多个谐振元件的谐振器被称为多分级环谐振器。
图5(A)是在rz平面示出图4所示谐振器的截面图一边的视图。导线组12在衬底1的上表面上形成，衬底1和其上形成的导线组12被包围在屏蔽空腔3中。导线2的物理尺寸列示如下。
内径ra＝250μm；外径rb＝1000μm；
导线宽度Lo＝1.5μm；相邻导线间隔So＝1.5μm；线厚度t＝5μm；线数目n＝250图5(B)说明了导线径向上的电流分布。图5(B)中，(1)表示多分级环谐振器中的电流分布，而(2)表示包括以螺旋线形式排列的一组导线的多螺旋线谐振器中的电流分布，该多螺旋线谐振器在日本未审查专利申请公开号为2000-244213的申请中揭示。
电流如下进入相应的导线。
(1)在多分级环谐振器中，电流如下进入导线电流顺序ik＝4[mA]总电流I＝1[A](2)在多螺旋线谐振器中，电流如下进入导线电流顺序(见图5(B))最大值＝约8[mA]最小值＝0[A]平均＝4[mA]总电流I＝1[A]在多分级环谐振器的情况下，如上(1)中所述并能从图5(B)中所见，电流相等地流经所有导线。相反，在多螺旋线谐振器的情况下，如上(2)中所示，流经导线的电流根据它们在径向的位置而改变，改变方式是电流从径向一端的0增加到从中心位置沿径向向外略微移位的位置处的峰值，且电流从峰值降低到另一端的0。在多分级环谐振器中，电流如上所述相等地流经所有导线，从而可以使这组导线的总导电损耗最小。因此，可以实现具有高导体Q因子的谐振器。
上述谐振器的导体Q因子、磁能和电感可以如下计算。
存储的磁能Wm由下式给出Wm＝LI2/2而总电流(有效值)I由下式给出I＝∑ik(k＝1到n)。
从上面两个公式可以得到谐振器的电感LL＝2Wm2/I2
这里，如果导体Q因子表示为Qc，则可以如下为相应谐振器计算上述Qc和其它参数。
(1)多分级环谐振器经计算的值。
Qc＝250；Wm＝1.96nJL＝0.98nH(2)多螺旋线谐振器经计算的值Qc＝219；Wm＝3.17nJL＝1.58nH在上述计算的基础上，可以如下设计多分级环谐振器电容部分的物理尺寸。
例如，在设计谐振器具有2GHz谐振频率的情况下，对于电感值0.98nH，电容必须等于6.45pF。如果假定导线间1.5μm的间隔的有效相对介电常数为40，则为了获得6.45pF的电容，电容部分必须具有总长为5.47mm。如果总电容6.45pF相等地分布在250个分级环中，则各电容部分的长度Wg被设为5.47mm/250＝21.9μm。
<第四实施例>
图6示出按照本发明的第四实施例的谐振器结构。
在按照第四实施例的这个谐振器，三条导线2a、2b和2c的每条形成谐振元件。然而，在导线2b中，端部d1、d2、d3和d4被定位，以便在图6所示电路中包围的区域内在宽度方向上相邻。也就是说，那些端部形成叉指式换能器(IDT)，其中两个梳状端部交叉指形地互相啮合。
这种IDT结构的使用能够在有限区域内获得高容量。因此，可以用减少了的导线长度来获得期望的谐振频率。也就是说，可以减少导线组12形成所占用的总区域，从而减少谐振器的总尺寸。而且，由于相邻谐振元件间的间隔被保持在固定值，因此由于边缘效应引起的电流浓度在导线的全部长度上被减弱，从而增加了导体Q因子。
此外，由于导线2b位于导线组宽度方向上的中心(在存在三条导线的情况下，为三条导线的中央导线)，该导线组的宽度大于位于最内和最外位置处的导线2a和2c的宽度，由边缘效应引起的电流浓度尤其在会发生高电流浓度的区域内可被有效地抑制。
<第五实施例>
现在，参考图7到9，下面描述了按照第五实施例的谐振器。
尽管上面描述了第一到第四实施例，各谐振元件的形状为使用单根导线的环，然而不必要要求每个谐振元件都包括单根导线，各谐振元件可以包括多根导线。也就是说，一个谐振元件可以包括多个电容部分和多个电感部分。例如，如图7所示，谐振元件可以是使用两根导线的环形。在图7(A)所示实例中，两根导线2a和2b各具有部分环形，其长度略微大于介质衬底1上形成的完全环的长度的一半。或者，谐振元件可以用三根导线形成，各具有部分环的形状，其长度略微大于完全环的长度的三分之一。在这种情况下，三个电容部分在完全环长度内形成。
在图7(A)所示实例中，导线2a的一端xa1和导线2b的一端xb1被定位，以便在宽度方向上互相紧密相邻。同样，导线2a的另一端xa2和导线2b的另一端xb2被定位，以便在宽度方向上紧密相邻。两个电容部分在两组端部相邻的相应区域内形成。因此，各导线2a和2b起到半波传输线的作用，其两端都是电开路的。
图7(B)示出由图7(A)所示的两个谐振元件形成的谐振器实例。导线2a的两端和导线2b的两端被定位，以便彼此紧密相邻，从而形成两个电容部分。同样，导线2c的两端和导线2d的两端被定位，以便彼此紧密相邻，从而形成两个电容部分。这样，电容部分在图7(B)所示的椭圆包围的四个区域内形成。在该结构中，布置导线2a、2b、2c和2d，以便一个谐振元件的导线的一端与另一谐振元件的导线的一端通过在G表示的位置处具有特定间隙距离的间隙而相对。相邻谐振元件间的间隔被保持在固定值。因此，如图4中的实施例所示，由边缘效应引起的电流浓度在导线的全长上被减弱，并且增加了导体Q因子。
图8示出图7(B)所示谐振器的操作，其中图8(A)示出相邻导线和方向间电场分布的实例，其中电流流经相应的导线；而图8(B)示出沿图8(A)中的线A-A截取的横截面上的磁场分布。在图8(A)和8(B)中，E、H和I分别表示电场、磁场和电流。
如图8(A)和8(B)所示，电场集中在导线端部在导线宽度方向上彼此紧密相邻的区域内。这意味着在电容部分形成的区域中，导线端部在导线的宽度方向上彼此紧密相邻，电流流经的导线的其它部分起到电感部分的作用。
图9示出三组谐振元件各包括四条导线的实例。图9中，四条导线2a、2b、2c和2d形成第一谐振元件，四条导线2e、2f、2g和2h形成第二谐振元件，四条导线2i、2j、2k和2l形成第三谐振元件。
在具有图9所示结构的谐振器内，与各导线由完全一周环组成并还延伸两个端部的结构类似，随着电容部分的圆周方向上相对长度的减少，电容部分以更类似于集总常数电容的方式起作用，并且波节和波腹都不会出现在流经充当导线电感部分的另一端的电流分布中。电流流经同一圆周方向上的所有导线。由相应电流引起的磁矢量间的互感使磁能以有效方式被存储。
由于电流分布在导线中，因此由微带传输线中发生的边缘效应产生的电流浓度被减弱，从而减少了导体损耗。
此外，下面描述的优点通过将多个电容部分定位在各导线的圆周方向上而获得。
也就是说，当设计了在毫米波频带中较高频率处使用的高频电路时，充当导线电容部分的端部的长度被减少，而保持衬底上形成的谐振器给定的特定尺寸(其中谐振器尺寸可以用谐振器形成的大致圆形区域的直径或者用谐振器占据的面积来表示)。在设计这种高频电路时，微制造工艺中为生产谐振器所需的精确度随着频率的增加而变得更为严格。在本实施例中，上述问题可以通过下面的说明来避免。也就是说，一周环导线被分成多根导线。因此，原始一周环导线的电容部分也被分成多个电容部分。也就是说，多个电容部分在环的一个完整周期内形成，总导线的有效电容由多个电容部分的电容串联给出。因此，可以增加每电容部分的电容，而将有效电容保持在期望值。
例如，当电容部分被分成两部分时(也就是说，当谐振元件由两根导线形成时，两根导线位于环的一个完整周，以便谐振元件包括两个电容部分)，电容为C1和C2的电容部分串联的有效电容C由下式给出C＝1/(1/C1+1/C2)在其中电容部分被分成电容为C1、C2和C3的三部分的情况下，其串联的有效电容C由下式给出C＝1/(1/C1+1/C2+1/C3)<第六实施例>
参考图10和11，下面描述了按照第六实施例的谐振器。图10(A)是按照第六实施例的谐振器的顶视图，图10(B)是其截面图，图10(C)是图10(A)中圆周包围部分的放大视图，图10(D)是沿图10(A)的直线A-A’截取的截面图。为了方便说明图10(C)和10(D)，示出比实际导线数目较少的导线数目。图11是谐振器的放大视图。
图11中，位于多根导线最里面的导线的端部用圆周IE表示，位于最外面位置处导线的端部用圆周OE表示。圆周G所示区域中，导线的端部通过具有特定间隙大小的间隙互相相对。
如图10所示，一组导线形成在衬底1的上表面上。其结构基本类似于图4所示的结构。然而，在图10所示的该例中，形成导线组12，以便导线宽度根据导线在宽度方向上(沿直线A-A’)的位置而改变，其方式是位于中心的导线具有最大宽度，而宽度随着导线位置往里或往外而减小。导线组12通过微制造技术方式而形成，使得位于最外和最内位置处(在径向)的导线宽度等于或小于导线的趋肤深度，并且使得任何相邻导线间的间隔等于或小于导线的趋肤深度。例如，铜(电导率约为53MS/m)的趋肤深度在2GHz处约为1.5μm，因此最内或最外位置处的导线宽度以及任何相邻导线间的间隔被确定为等于或小于1.5μm。
通过将在导线组12的宽度方向上最内或最外位置处的导线宽度以及任何相邻导线间的间隔设定为等于或小于趋肤深度，则能够有效地降低由导线组12端部的趋肤效应引起的电流浓度。此外，通过将导线组12宽度方向中心附近的导线宽度设为较大的值，可以增加流经受到较少边缘效应的导线的电流，从而获得较高的导体Q因子。
在本例中，形成导线组12，以便各导线具有大致矩形的形状。与圆形所能获得的相比，这导致存储谐振磁能的开口面积增加。因此，可以减小其中形成导线组12的区域。此外，使矩形的角为弧形，以便导线没有突然弯曲的部分，从而防止电流集中在导线内突然弯曲的部分中，且从而防止导体Q因子的降低。
<第七实施例>
图12说明了按照第七实施例的谐振器结构。同样在该实施例中，谐振器包括多个谐振元件，其结构基本类似于图7(B)所示的结构，除了形成导线组使得导线宽度根据径向位置而改变之外，其方法是宽度在中心处具有最大值，而往里和往外的位置处减小。在该谐振器中，不像图10所示的谐振器那样，各谐振元件包括两条导线。在图12所示实例中，导线2a和2b形成第一谐振元件，导线2c和2d形成第二谐振元件，导线2e和2f形成第三谐振元件，导线2g和2h形成第四谐振元件。也就是说，四个谐振元件形成一个谐振器。
导线通过微制造技术方式而形成，使得位于最外和最内位置处的导线宽度等于或小于导线的趋肤深度，并且使得任意相邻导线间的间隔等于或小于导线的趋肤深度。在以上述方式构造的该谐振器中，如图10所示的谐振器中，可以有效地减少由导线组端部中趋肤效应产生的电流浓度，从而使谐振器能具有较高的导体Q因子。
为了增加导线组的导体Q因子，需要控制流经相应导线的电流分布。在本发明中，流经相应导线的电流通过调节相应导线电容部分的电容而控制，考虑到下列因素。
(1)由趋肤效应和边缘效应引起的导体损耗基本由表面或边缘的电流浓度产生。因此，需要使电流幅度分布变平，从而使磁能分布变平。
(2)谐振器的最佳设计降低，为根据电流分布和磁能分布确定相应导线的最佳宽度，从而获得一系列最佳电流幅度。
(3)换句话说，简单地将导线分成多根具有相同小宽度的导线不会导致导体Q因子的增加。根据一系列电流，导线的划分会导致损耗增加。而且，导线必须有控制机制来获得一系列最佳电流。
不幸的是，最佳解决方案不能以单一数学函数来表示。因此，需要通过迭代计算来确定较好结构。下面描述了以迭代计算为基础的设计方针。
(1)当以垂直于电流通路的截面观察该结构时，该结构包括多根线。导线宽度从中心处的极大值向两端位置单调减少。该最佳系列电流通过使用FEM仿真器的迭代计算而确定。
(2)为了确定该最佳系列电流，一系列关于导线耦合的电容被确定。该最佳系列电容可以通过解决特征值问题来确定，使得特征矩阵具有期望系列电流作为特征向量，该矩阵的计算通过组合电感矩阵和电容矩阵而计算，电感矩阵包括指示相应导线自感的元素和指示导线间互感的元素，电容矩阵包括指示该期望系列电容的对角元素，该矩阵以所需的一系列电流作为特征向量。定性而言，该电容系列的确定是通过流经相应导线的电流随着相应的电容而改变。
<第八实施例>
图13说明了按照第八实施例的谐振器结构，其中导线组12形成在一衬底上，该衬底以图13(A)到13(D)的放大形式部分地说明。图13(A)示出比较实例。在图13(A)所示的谐振器中，类似于图10或11所示导线组的一组导线12形成在衬底1的上表面。相反，在图13(B)所示的谐振器中，导线组12的构成使得各导线的形式为薄膜多层电极，它通过以一层叠另一层的方式交替形成介质薄膜层12b和导电薄膜层12a而形成。通过以薄膜多层电极的形式构造各导线，可以减少由磁场从下或从上注入而产生的趋肤效应，从而改进衬底和导线界面处以及导线和空气界面处的导体Q因子。
在图13(C)所示实例中，导线组12的相邻导线间的间隔用介质材料4填充。这导致谐振元件电容部分电容的增加，从而可以减少各电容部分的长度以及谐振器的总尺寸。
在图13(D)所示实例中，各导线组12以薄膜多层电极的形式构造，相邻导线间的间隔用介质材料4填充。在这种结构中，可以实现通过使用薄膜多层电极而获得的优点以及通过用介质材料填充间隔而获得的优点。
<第九实施例>
现在参考图14和15，下面描述了按照第九实施例的谐振器。
图14(A)是按照第九实施例的谐振器的正视图，图14(B)是其左侧视图。图14(c)是示出包括在谐振器内的一根导线的透视图。如图14所示，导线2形成在圆柱形介质衬底元件11的侧面上，从而形成了多个谐振元件。更明确地说，如图14(C)所示，各谐振元件通过在衬底元件11的侧面周围形成导线2而产生，长度为一整周加上端部，其中端部被定位以便它们在宽度方向上彼此相邻。在该例中，形成导线2以便所有导线2具有相同的图案，其中导线2被定位使得它们彼此不重叠，并且使得谐振元件的电容部分在导线周长方向上从一根导线略微移位到另一根。
本谐振器等价于一个谐振器，该谐振器通过将包括平面坐标系中在平面衬底上形成的导线的谐振器映射到包括圆柱坐标系中在圆柱衬底的侧面周围形成的导线的谐振器。这样，该谐振器的工作方式类似于图4所示的方式，并且能实现类似优点。然而，如图4所示，在平面衬底上布置了多根导线的情况下，获得特定固定值的电容所需的电容部分长度(宽度方向上彼此相邻的导线端部的长度(角度范围))根据径向位置而改变。此外，获得固定值电容所需的电感部分的角度范围也根据径向位置而改变。相反，如图4所示实例中，半径是固定的。因此，如果电容部分和电感部分的长度用角度范围的单位来表示，则角度范围对于所有导线都是相等的。因此，导线间产生的电场以及流经导线的电流在分布时具有很好的对称性。
<第十实施例>
图15(A)是按照第十实施例的谐振器正视图，图15(B)是其左侧视图。图15(C)是示出由谐振器内的导线组成的一个谐振元件的形状的透视图。在该例中，各谐振元件由两根导线组成。该谐振器等价于通过将图7(B)所示的谐振器从平面坐标系映射到圆柱坐标系而获得的谐振器。
尽管在图14和15中所示的实例中使用了实心柱体形状的衬底元件，然而导线可以围绕由空心柱体形状的绝缘或介质材料制成的衬底元件而形成。
<第十一实施例>
图16示出按照第十一实施例的滤波器结构。图16(A)是按照第十一实施例的滤波器的顶视图，其状态为空腔3被移除。图16(B)是滤波器的截面视图。
图16中，衬底1的上表面上并排形成三个谐振器7a、7b和7c。各谐振器7a、7b和7c类似于上面参考图10和11而描述的谐振器。在端部位置分别与谐振器7a和7c磁耦合的耦合环5a和5b在衬底1的上表面上形成。此外，在衬底1的上表面上，也提供了接地电极，它电气连接到把衬底1包围在内的屏蔽腔3。各耦合环5a和5b的一端连接到接地电极6，另一端延伸到空腔外部。
在三个谐振器7a、7b和7c中，相邻的两个谐振器通过电流的互感互相磁耦合。谐振器7a和7c也分别通过电流互感与耦合环5a和5b磁耦合。这样，本滤波器具有由三个级联的谐振器实现的带通特性。这三个谐振器都具有高Q因子，从而实现低插入损耗。
<第十二实施例>
图17示出按照第十二实施例的滤波器结构。在该例中，谐振器7b在衬底1的上表面上形成，两个谐振器7a和7c在衬底1的下表面形成。三个谐振器7a、7b和7c的每一个都类似于上述参考图10和11描述的谐振器。三个谐振器7a、7b和7c被定位，使得当从垂直于衬底1的方向观察时，相邻的谐振器部分重叠。布置了两个耦合环5a和5b，使得当从垂直于衬底1的方向观察时，谐振器7a和7c部分与耦合环5a和5b重叠。
这种结构与图16所示的结构相比，能够减小衬底1的尺寸，从而可以减小滤波器的总尺寸和重量。
<第十三实施例>
现在参考图18和19，下面描述了按照第十三实施例的滤波器。
图18(A)是其中移除了空腔的滤波器的顶视图，图18(B)是其底视图，图18(C)是沿图18(A)的直线A-A截取的截面图。图18中，谐振器7b在衬底1的上表面上形成，两个谐振器7a和7c在衬底1的下表面形成。各谐振器7a、7b和7c类似于图4所示的谐振器。也就是说，在谐振器7a、7b和7c的各谐振元件中，各导线的端部在宽度方向上彼此紧密相邻。如图4所示的谐振器中，相应谐振元件电容部分的位置从一根导线略微移位到另一根。
如图18所示，衬底1的上表面上形成的谐振器7b一般具有长方形形状。也就是说，如图19所示，各导线具有大致长方形的形状。在图19所示实例中，三个谐振元件由导线2a、2b和2c形成。
在图18所示的谐振器7a、7b和7c中，相邻谐振器通过电流互感互相磁耦合。这里，如果谐振器7a用作第一级谐振器、谐振器7b用作第二级谐振器、谐振器7c用作第三级谐振器，则为第二级谐振器7b使用长方形形状会导致第一和第二谐振器间以及第二和第三谐振器间的强烈级间耦合。在本例中，第一级和第三级谐振器7a和7c也互相耦合(跳过中间谐振器)。也就是说，滤波器包括三级谐振器，其中第一级谐振器和第三级谐振器跨接耦合。通过控制跨接的强度，可以调节通带附近出现的衰减极点的频率。
<第十四实施例>
图20示出按照第十四实施例的天线共用器。图20是示出天线共用器的框图。在该天线共用器中，类似于图16所示滤波器的滤波器17或18用作发射滤波器和接收滤波器。设计发射滤波器TxFIL和接收滤波器RxFIL，以便具有发射和接收时所需的通带。发射滤波器TxFIL和接收滤波器RxFIL连接到发射和接收时共用的天线终端ANTport，其中调节到天线终端ANTport的连接线的电长度以便防止发射信号侵入接收滤波器，也防止接收信号侵入发射滤波器。
<第十五实施例>
图21是示出按照第十五实施例的通信装置的框图。在这种通信装置中，图20所示的天线共用器用作天线共用器DUP。发射电路Tx-CIR和接收电路Rx-CIR在电路板上形成。发射电路Tx-CIR连接到天线共用器DUP的发射信号输入终端。接收电路Rx-CIR连接到天线共用器DUP的接收信号输出终端。天线共用器DUP安装在电路板上，天线ANT连接到天线终端。
上面参考优选实施例描述了本发明。如上所述，在本发明中，谐振器由一个或多个环形谐振元件形成，其中各谐振元件包括一根或多根导线，各谐振元件具有一个电容部分和一个电感部分，各导线的一端和同一导线的另一端在宽度方向上彼此紧密相邻，或各导线的一端和包括在同一谐振元件内的另一导线的一端彼此紧密相邻，以便在导线端部彼此相邻的区域内获得高电容，从而能减少谐振器的尺寸。在这种结构中，不需要在形成导线的衬底表面相对的表面上形成接地电极。这能以低成本产生使用很少数量组成元件的谐振器。
另外，在本发明中，谐振元件可以包括多根导线和多个电容部分。即使当在可能必须缩短电感部分长度的较高频率处使用谐振元件时，这也能为环形谐振元件使用相当长的总长度。因此，相应导线的曲率不会遇到明显的增加，并且可以减弱电流浓度。因此可以获得高导体Q因子。
另外，在本发明中，导线可以在平面衬底上形成。这能容易地在衬底上形成导线，从而可以减少成本。
另外，在本发明中，衬底元件可以用实心柱体或空心柱体的形状而形成，且导线可以围绕衬底元件的侧面而形成。这能将本发明应用在圆柱体结构中。
另外，在本发明的实施例中，导线的端部被定位为彼此紧密相邻以便端部形成交叉指型换能器，从而能减少电容部分的长度并且从而能减小谐振器的总尺寸。
另外，在本发明中，一些或全部导线的宽度以及一些或全部相邻导线间的间隔被设为等于或小于导体的趋肤深度，从而减少了由趋肤效应和边缘效应产生的电流浓度，并且从而减少了谐振器的导体Q因子。
另外，在本发明中，宽度方向上相邻的导线间的间隔被设为大致恒定。这能在适用于形成最小帧面的相同条件下用微制造过程形成所有导线，从而使谐振器具有以高效方式产生的高导体Q因子。
另外，在本发明中，导线可以用薄膜多层电极形式来生产，该薄膜多层电极通过一层叠一层地交替形成介质薄膜层和导电薄膜层而获得。这不仅能减少导线宽度方向上由边缘效应产生的电流浓度，也能减少导线厚度方向上由趋肤效应产生的电流浓度。这样，能够进一步增加谐振器的导体Q因子。
另外，在本发明中，相邻导线间的间隔可以用介质材料来填充，从而增加谐振器相邻导线间形成的电容。这能减少电容部分的长度，从而减少谐振器的尺寸。
另外，本发明也提供了具有小尺寸和小插入损耗的滤波器和天线共用器。
另外，本发明也提供了一种通信装置，它具有RF发射和接收电路中的低插入损耗，并且就噪声特性和传输速率来说具有高传输性能。
工业应用性如上所述，按照本发明的谐振器具有能以合理低的成本生产以便具有小尺寸和高导体Q因子的优点。按照本发明的谐振器能被方便地用于无线通信或者如微波或毫米波频带内电磁波的发射/接收。
权利要求
1.一种由一个或多个环形谐振元件组成的谐振器，各谐振元件包括一根或多根导线，各谐振元件具有一个电容部分和一个电感部分，电容部分通过定位导线的端部而形成，使得导线的一端和同一导线的另一端在宽度方向上彼此紧密相邻，或者使得导线的一端和同一谐振元件中包含的另一导线的一端在宽度方向上彼此紧密相邻。
2.如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，各谐振元件包括多根导线和多个电容部分。
3.如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，各导线在平面形衬底上形成。
4.如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，各导线围绕实心圆柱体或空心圆柱体形状的衬底元件的侧面而形成。
5.如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，导线的端部被定位彼此紧密相邻，以便端部形成叉指型换能器。
6.如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，对于一些或全部导线而言，导线宽度以及相邻导线间的间隔被设为等于或小于导线的趋肤深度。
7.如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，宽度方向上相邻的导线间的间隔被设为等于或小于导线的趋肤深度。
8.如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，宽度方向上相邻的导线间的间隔被设为大致恒定。
9.如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，各导线以薄膜多层电极的形式构造，该薄膜多层电极通过交替地在另一层上依次形成介质薄膜层和导电薄膜层而获得。
10.如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，宽度方向上相邻的导线间的间隔用介质材料填充。
11.一种包括权利要求1所述谐振器的滤波器，以及耦合到谐振器的信号输入/输出装置。
12.一种天线共用器，其特征在于包括权利要求11所述的滤波器，滤波器用作发射滤波器或接收滤波器，或既用作发射滤波器又用作接收滤波器。
13.一种通信装置，其特征在于，包括至少一个权利要求11所述滤波器或一个权利要求12所述天线共用器。
全文摘要
环形谐振元件包括各导线2a、2b和2c，各导线沿环的一周周长在衬底1上形成。各导线2a、2b和2c具有两个端部，它们附加地延伸并被定位以便它们在宽度方向上紧密相邻。各环形谐振元件以同心方式布置。电容部分形成的区域中，各导线两端被定位彼此紧密相邻，而各导线的其它部分充当电感部分。各导线如半波传输线一样工作，其两端均为电开路的。不需要在衬底形成导线的表面相对的表面上形成接地电极。因此，可以用很小数量的组成元件来形成谐振器。从而可以以合理低的成本生产具有小尺寸和高导体Q因子的谐振器、滤波器、天线共用器、以及通信装置。
文档编号H01P1/20GK1498442SQ0280363
公开日2004年5月19日 申请日期2002年12月17日 优先权日2001年12月18日
发明者日高青路, 阿部真 申请人:株式会社村田制作所