谐振器和包括相同设备的滤波器的制作方法

专利名称：谐振器和包括相同设备的滤波器的制作方法
本申请以Genichi Tsuzuki和Shen Ye的名义在2002年6月13日被归档作为一个PCT国际专利申请，Genichi Tsuzuki是一个日本公民与美国居民，Shen Ye是一个加拿大公民与美国居民，该申请标明了所有的国家。
政府支持本发明受到美国政府的支持，在由国家标准和技术协会(NIST)授予的协作协定号码70NANBOH3032下进行。
背景技术：
本发明主要涉及传输线电路，例如带状线和微带滤波器。信道的扩大需求需要频带宽度的更好利用。这个需求导致对于使用在通信系统中的RF滤波器有越来越多的更迫切的需要。一些应用需要在带宽内部具有高吞吐量的更窄带的滤波器(像0.05％带宽一样窄)。滤波器的响应曲线一定要具有锐利的边缘，以致于可以利用最高额的带宽。进一步，在信道密度高的市区对于小型基站有越来越多的需要。在这种应用中，小的滤波器尺寸是合乎需要的。
由于多种的原因经常很难实现令人满意的滤波器特性。例如，一个滤波器由于电阻损耗和辐射产生的能量损失促使质量指标Q的减少；通过一个滤波器的谐振器之间辐射的不受控制的交叉耦合趋向降低一个滤波器的频带外性能或者频率响应对称性。
本发明针对改善上面所述的滤波器的性能。

发明内容
本发明提供的微波传送带和带状线电路实例是更简单的，在它的谐振器之间具有更少的不受控制的交叉耦合的滤波器，而且提供比通过现有技术可得到的性能相同或者更好的性能。
依照本发明的一方面，一个谐振器包括(a)一个在两个相邻末端终止的传导环，和(b)两个传输线段，每一个线段分别发源于两个循环末端之一，且包括第一和第二部分，其中两个段的第一部分一般位于彼此的旁边，其中两个段中的每一个的第二部分实质上折叠在相同段的第一部分之上。
谐振器限定了一个大致沿着传输线段的第一和第二部分而指向传导环的方向。传导环具有一个通常与该方向垂直的带宽，传输线段占有具有一个通常与该防线垂直的覆盖区。循环带宽有意义的被比作覆盖区带宽。例如，循环带宽可以是覆盖区带宽的至少50％，或者至少与覆盖区带宽相同。
每一个传输线段可以具有两个以上的折叠部分。例如，每一个线段可以具有三个或者更多的折叠部分。
在本发明的另一个方面，一个滤波器包括本发明的多个谐振器，其中每一个谐振器都被连接到至少另外一个谐振器。谐振器可以位于彼此的旁边，也可以在每个相邻的谐振器对的方向上彼此并联或者反并联。非相邻的谐振器也可以选择性地通过包括一个传导路径的联接耦合到一起。
仍然依照本发明的另一个方面，一个谐振器可以包括在第一末端和第二末端终止的传导环。谐振器也包括具有第一末端和第二末端的一个数字交互电容器。第一传输线将传导环的第一末端连接到数字交互电容器的第一末端。类似地，第二传输线将传导环的第二末端连接到数字交互电容器的第二末端。滤波器可以从多个这样的谐振器中构造，每个滤波器通过一个联接耦合，该联接由一个运行充分垂直的这种联接的段终止。
谐振器和滤波器可以通过在一个介电基质上通过形成导电图来构造。例如，超导体，像高温超导体，可以用于形成导电图。


通过阅读下面的详细描述和参考其中的实施例，本发明的其他目标和优点将变得显而易见图1用示意图表示本发明的一个谐振器；图2用示意图表示图1中的谐振器的电流分布；图3用示意图表示图1中的谐振器的电压分布；图4用示意图表示本发明的一个谐振器；图5(a)-5(h)用示意图表示依照本发明设计的谐振器变化的实例；图6(a)和5(b)用示意图表示在依照本发明的滤波器中，谐振器相对于彼此在方向和位置上的变化的实例；图7(a)用示意图表示一个5个电极的U字形的带通滤波器；图7(b)用示意图表示本发明的一个5个电极的带通滤波器，带有在图1中表示的谐振器类型；图7(c)分别表示在图7(a)和7(b)表示的滤波器的频率响应；图8分别表示对于一对U字形谐振器和在图1中显示的类型的一对谐振器，作为谐振器之间距离功能的耦合系数；图9(a)和9(b)分别表示本发明的一个6个电极的滤波器和滤波器的频率响应的示意图；图10(a)和10(b)分别表示本发明的一个10个电极的的滤波器和滤波器的频率响应的示意图；图11用示意图表示本发明的一个滤波器；图12描述依照本发明的一个方面的一个谐振器的另一个实施例；图13描述在图12中公开的由谐振器构造的一个4个电极的滤波器。
但是本发明具有各种修改和交替的形式，其中特殊的实施例已经在制图中作为实例进行了表示，在这里进行细节的描述。可是，应该理解为这里的特殊实施例的描述并不想将本发明限制于公开的特殊的形式，而是正相反，通过附加的要求，本发明要覆盖在本发明的精神和范围之内进行的修改、相等物和替换。
具体实施例方式
参考图1，依照本发明的一个方面，一个谐振器100由一个传输线构成，它可以被概念上地分成三个方面一个在它的两个末端112和114终止的开环路110，一个源于一个末端112的传输线段120和另一个源于另一个末端114的线段130。例如，每个段在大约段的中点被折叠。从而，段120被折叠成两个部分122和124，段130被折叠成两个部分132和134。在这种构造中，部分122和132分别靠近循环末端112和114，一般几乎彼此并联。此外来自循环末端112和114的部分124和134分别被向外折叠，彼此远离。
谐振器100可以被认为具有一般沿着折叠部分122、124、132和134，指向循环110的方向。在这种情况下，图1中的谐振器被定向为垂直和向上的。
循环110具有一个宽度w1，一般在垂直于谐振器100定向的方向上；传输线段120和130占有一个覆盖区，该覆盖区具有一个垂直于该定向的宽度w2。循环110的宽度w1应该是足够大的。人们相信循环110的更大的尺寸会导致谐振器的更高的Q。在使用机械滤波器调谐的地方(举例来说，通过设置一个传导衰减器和一个谐振器部分之间的距离)，也可以令人满意的具有一个足够大的循环110来完成想要的调谐范围。要减少滤波器大小和出于其他的设计考虑，这些考虑将在下面讨论，将折叠段120和130限制到一个不比W1充分更大的带宽w2是令人满意的。例如，w1可以是w2的至少50％，或者如在图1中表示的具体实施例一样，至少与w2大约相同。
滤波器100可以由在介电基质上(没有表示)形成的传导材料构成。介电基质在一边处理水平投影，在另一边处理谐振器100。对于传导材料，适合的传导材料包括像铜或金这种的金属、像铌或者铌锡这种的超导体和像Yba2Cu3O7-d(YBCO)这种的氧化物超导体。该基质可以由多种适合的材料构成，例如氧化镁、蓝宝石或者铝酸盐镧。基质的金属和超导体和制造设备的沉淀方法在本技术领域是众所周知的，与在半导体工业中使用的方法类似。
在图1中显示的谐振器线路图是想减少到周围媒介的低电磁辐射，因此带有其他类似谐振器的低不受控制的交叉耦合使用在相同的滤波器中。如在图2中显示的，电流的方向由箭头的方向表示，量值由箭头的长度表示，在谐振器100中的电流在形成谐振器100的传输线的中点是最大的，在传输线的末端区域接近零。在相邻部分122和132的有效长度上，两个部分的电流是大的且以相反的方向流动。因为两部分122和132的接近，他们产生的磁场充分地彼此相消。来自谐振器100的不同部分的磁场也会趋向彼此抵消。如在图3中显示的，相同磁场强度(通过加号或者减号的数目来表示)但相反磁场方向的位置相对的彼此很类似，至少在覆盖区的宽度w2内被传输线段120和130占有。因而，消除了到周围媒介和其他谐振器的射线的有效部分。
依照本发明的另一个方面，可以通过使用本发明的多个谐振器来构造一个滤波器。例如，如图4中所示，三个谐振器410、420和430可以用交替的方向来并行的放置来产生一个3电极的带通滤波器。交替方向的安排确保高磁场和电场的区域被充分分开的放置，所以为了相邻谐振器之间的正常耦合与得到一个更简单的滤波器，谐振器可以被接近的放置在一起。
依照本发明的谐振器可以具有多种形式。例如，如图5(a)所示，对于每一段(也就是，对于段520的部分522、524和526；对于段530的部分532、534、536)，传输线段520和530可以被折叠两次成为三个部分。在这种构造下，在循环510的垂直段的电流分别以部分524和524中电流相反的方向流动。因而在其他谐振器的那些电流的效果至少部分地彼此抵消。
中心循环110可以是多种形状。例如，代替的是方形或者矩形的，循环110可以是圆的、椭圆的或者其他适合的形状。在图5(b)和5(c)中显示的谐振器分别具有突出的部分512和514，除了别的以外，对于机械调谐这个突出部分可以更易于传导衰减器的有利放置，如上面所讨论的。如在图5(d)所示，对于折叠的传输线段，可以不对称的放置循环510来适应滤波器电路线路图的需要。
另外，形成一个依照本发明的谐振器的传输线路不需要在宽度上是一致的。例如，如在图5(e)中所示，部分526和528接近传输线的末端，这里的电流比其他部分要小，他们的线路宽度比其他部分的要窄。这个设计允许一个高电流的宽传导路径，从而当完成一个紧密的谐振器尺寸时来改善谐振器的Q值。
在传输线段之间的多个部分的相对的放置也可以依靠电路设计需要来设置，如图5(f)和5(g)所示。传输线段的折叠也可以变化。例如，代替在相同的方向折叠一个线段两次，如图5(a)所示，传输线段可以折叠成一个锯齿的样子，如在图5(h)中所示。
在依照本发明的滤波器中，谐振器可以以多种的方式彼此相对放置。例如，如在图6(a)中所示，在一个滤波器中的相邻部分610和620可以彼此并联的放置，胜于反并联的放置，如在图6(a)中所表示的情况。如在图6(b)中进一步说明的，在一个滤波器中并行安装的谐振器640和650不需要排列在一条直线上，而代替的可以彼此偏移来适合特殊的滤波器的需要。
实例1本发明的一个5电极带通滤波器与在计算机仿真中的一个5电极U字形滤波器进行比较，如图7所示。两个滤波器都具有1.95GHz的中心频率和相同的带宽20MHz(看图7(c))。两个滤波器都构造在一个基础的20密耳的厚度上，且都具有一个10的介电常数。U字形滤波器700带有交替定向的U字形谐振器710，它具有一个在630密耳时860的尺寸。通过比较，带有在图1中表示的交替定向的谐振器类型的本发明的滤波器720在400密耳时测量仅仅大概630，或者比U字形滤波器在覆盖区上小53％。
实例2作为谐振器交互距离的功能，本发明的两个谐振器之间的耦合系数被计算且与U字形谐振器的耦合系数进行比较。如在图8中所示，对于相同的耦合系数，本发明的谐振器可以放置的比两个U字形谐振器近50％。这个事实促使了使用本发明完成的紧密滤波器的尺寸。
实例3构造一个依照本发明的6电极滤波器。滤波器的线路图如图9(a)所示。这个滤波器通过在一个氧化镁介质上形成YBa2Cu307d(YBCO)谐振器模型而构造。如在图9(a)中所示，滤波器900包括6个谐振器910a-c和920a-c，它们被分成3个一组的两组910和920。在每一组中，在图1中所示的三个谐振器类型以反并联的方式并行放置。谐振器910a和910c通过一个包括一个传输线912的联接耦合在一起；类似地，谐振器920c和920a通过一个包括一个传输线922的联接耦合在一起。两组910和920相对于一个截成两部分的假想垂直面，镜像对称的彼此放置。
此外，两组通过一个包括一个在两个中心谐振器910c和920a之间的传输线932的联接耦合在一起如在图9(b)中的响应曲线所示，这个滤波器具有一个1757.9MHz的中心频率，1.8MHz的带宽和大约100,000的空载Q。
实例4构造和测试一个10电极带通滤波器。这个滤波器通过在一个氧化镁介质上形成YBCO谐振器模型而构造。如图10(a)所示，滤波器1000包括10个谐振器1010a-e和1020a-e，它们被分成5个一组的两组1010和1020，每一组在自己的介质上。在每一组内部，在图1中所示的5个谐振器类型以反并联的方式并行放置。谐振器1010b和1010e通过一个包括一个传输线1012的联接耦合在一起；类似地，谐振器1020c和1020a通过一个包括一个传输线1022的联接耦合在一起。两组1010和1020相对于一个截成两部分的假想垂直面，镜像对称的彼此放置。两组也通过一个金属墙(没有在图10中表示但是在图11中作为1152进行了一般的说明)来分开。
此外，两组通过一个包括一个在两个中心谐振器1010e和1020a之间的传输线1030的联接耦合在一起。10电极滤波器的频率响应在图10(b)中表示。
为了减少不必要的交叉耦合，一个滤波器中的谐振器可以被分成在它们各自的分离介质上形成的组，如在图11中所示的实例所说明的。在图11中，介质1112和1162的每一个和它们各自的滤波器部分被放置在一个金属屏蔽包装1150内的容器1110或者1160中。两个容器1110和1160被一个金属墙1152分离，1152上带有一个狭槽来允许任何耦合的电线通过。
也可以使用额外的技术来进一步增强滤波器性能。例如，可以选择传导模型的线路宽度充分大来导致高Q值和紧密的滤波器尺寸。
在图12中描述了谐振器1200的另一个实施例。图12的谐振器1200在上面公开的典型滤波器和参考图13讨论的典型滤波器中的任何一个都易于部署。图12的谐振器1200可以由参考上面公开的谐振器100描述的相同材料和相同过程制成。谐振器1200包括一个传导环1202，它具有一个第一末端1204和第二末端1206。连接到传导环1202的第一末端1204的时第一传输线1208。第一传输线1208从传导环1202的第一末端1204伸展到一个数字交互电容器1210的第一末端。
类似地，第二传输线1212从传导环1202的第二末端1204伸展到数字交互电容器1210的第二末端。
第一和第二传输线1208和1212的每一个都运行在一个螺旋形的路线，且可以包括线性段，如图12所示。
可以安排每个传输线1208和1212的螺旋形路线，以致于对于任何线性段，存在一个平行线段，这样通过传输线1208或者1212的电流当通过两个并联线段时运行在相反的方向。这种安排对于磁场的消除具有上述的好处。
作为使用数字交互电容器1210与将传输线1208和1212折叠更多次的结果，图12的谐振器1200比前面公开的谐振器100更紧密。依照这个实施例构造的一个谐振器可以实现一个尺寸上25％的减少。图12的实施例的另一个好处是寄生耦合的减少，这来自于由于传输线1208和1212的更多次数的折叠而取得的更大的磁场消除级别。
图13描述一个从图12的谐振器1200构造的一个典型的4电极滤波器1300。典型滤波器1200包括安排在一个充分矩形的覆盖区之中的四个谐振器1302、1304、1306和1308。谐振器1302、1304、1306和1308依照关于图12的讨论中公开的实施例进行构造。如可以从图13看到的，谐振器1302、1304、1306和1308的每一个都包括从每个传输线产生的传导线段1310。传导段1310被另一个充分垂直于突出段1310运行的段1312终止。通过从一个谐振器1302、1304、1306或者1308向另一个谐振器1302、1304、1306或者1308的垂直段并列一个垂直段，从而两个谐振器1302、1304、1306或者1308被电磁耦合。
最后，如在图13中可以看到的，数字交互电容器1314和1316被用来电容性的将输入和输出信号耦合到滤波器1300或者从滤波器1300耦合输入和输出信号。
数字交互电容器1314被用来将信号输入到滤波器1300，且被连接到谐振器1306的传输线。数字交互电容器1316被用来从滤波器1300输出信号，且被连接到谐振器1308的传输线。
通过本发明可以得到更好的滤波器性能。锐利的频带边缘促使改善的介入损失和从而得到的效率和带宽利用。
上面公开的具体实施例只不过是说明性的，因为本发明对于那些在本领域得到这方面教育好处的技术人员来说，可以在外观不同但是方法相当的情况下修改和实现。此外，除了下面的要求中所描述的，对于这里表示的设计构造的细节没有任何有意的限制。因此很显然，上面公开的具体实施例可以被改变和修改，且所有这样的变化都被考虑在本发明的范围和精神之内。因此，这里的保护探询与下面的要求中提出的一样。
权利要求
1.带有一个第一端和一个第二端的在介电基质上部署的一种谐振器，第一端具有一个设置在其上的接地面，第二端具有多个传导路径，这些路径包括(a)一个在两个相邻末端处终止的传导环，和(b)两个传输线段，每一个线段分别发源于环的所述两个末端之一且包括一个第一部分和一个第二部分，其中所述两个线段的第一部分大体位于彼此的旁边，且其中所述两个线段的每一个的第二部分大体上折叠在同一线段的第一部分之上，借此谐振器限定了一个大体上沿着所述传输线段的所述第一和第二部分而指向所述传导环的取向。
2.如权利要求1所述的谐振器，其中传导环具有一个大体与所述取向垂直的第一宽度，传输线段占有具有一个大体与所述取向垂直的、具有一个第二宽度的覆盖区，其中第一宽度至少是第二宽度的50％。
3.如权利要求2所述的谐振器，其中第一宽度至少与第二宽度大概相同。
4.如权利要求1所述的谐振器，其中每个传输线段的第二部分包括至少两个在彼此之上折叠的部分。
5.如权利要求1所述的谐振器，其中传导序号和传输线段主要由超导体构成。
6.如权利要求1所述的包括多个谐振器的滤波器，其中每个谐振器被耦合到至少另一个滤波器上。
7.如权利要求6所述的滤波器，其中滤波器通过以并行的方式与一般彼此并联或者反并联的相邻谐振器的方向连续的安排。
8.如权利要求7所述的滤波器，其中谐振器主要由超导体构成。
9.如权利要求8所述的滤波器，其中在每一对相邻的滤波器中的两个谐振器具有彼此反并联时的方向。
10.如权利要求8所述的滤波器，其中多个谐振器中的至少一对是非相邻的，且通过一个包括一个导体的联接耦合。
11.带有一个第一端和一个第二端的在介电基质上部署的一种谐振器，第一端具有一个设置在其上的覆盖面，第二端具有多个传导路径，这些路径包括一个在第一末端和第二末端处终止的传导环；一个具有第一末端和第二末端的指间电容器；将传导环的第一末端连接到指间电容器的第一末端的一条第一传输线；将传导环的第二末端连接到指间电容器的第二末端的一条第二传输线。
12.如权利要求11所述的谐振器，其中运行在螺旋形路线中的第一传输线包括多个直线段，从而使第一螺旋形传输线的任何一个直线段都与第一螺旋形传输线的另一个直线段平行延伸；且以螺旋形延伸的第二传输线包括多个直线段，从而使第二螺旋形传输线的任何一个直线段都与第二螺旋形传输线的另一个直线段平行运行。
13.如权利要求12所述的谐振器，其中对于第一螺旋形传输线的任何直线段，存在一个平行线段，这样通过第一螺旋形传输线的电流当通过两个并联线段时运行在相反的方向；且对于第二螺旋形传输线的任何直线段，存在一个平行线段，这样通过第二螺旋形传输线的电流当通过两个并联线段时运行在相反的方向。
14.如权利要求13所述的谐振器，其中谐振器定义了完全矩形的覆盖区。
15.如权利要求14所述的谐振器，其中传导环部署在矩形覆盖区的一个角落，指间电容器部署在矩形覆盖区的一个斜角。
16.一种滤波器包括如权利要求11中所述的多个谐振器；其中每个谐振器具有从它的第一和第二传输线中的至少一个突出的传导段，其中每个突出段被到那的基本上垂直运行的一个段终止；且其中每个垂直段被与另一个连接另一谐振器的垂直段并列，从而将一个谐振器耦合到另一个谐振器。
17.如权利要求16所述的滤波器，其中滤波器包括在一个完全矩形的覆盖区上安排的四个谐振器。
全文摘要
带有一个第一端和一个第二端的在介电基质上部署的一种谐振器，第一端具有一个设置在其上的接地面，第二端具有多个传导路径，这些路径包括(a)一个在两个相邻末端处终止的传导环，和(b)两个传输线段，每一个线段分别发源于环的所述两个末端之一且包括一个第一部分和一个第二部分，其中所述两个线段的第一部分大体位于彼此的旁边，且其中所述两个线段的每一个的第二部分大体上折叠在同一线段的第一部分之上，借此谐振器限定了一个大体上沿着所述传输线段的所述第一和第二部分而指向所述传导环的取向。
文档编号H01P1/203GK1529923SQ02814219
公开日2004年9月15日 申请日期2002年6月13日 优先权日2001年6月13日
发明者津津木下日, 叶申 申请人:康达特斯公司