专利名称：介电谐振器和使用其的通信设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在微波频带和毫米波频带中使用的TE01δ模式介电谐振器、使用该介电谐振器的滤波器、双工器和振荡器，并且涉及一种具有这些组件的通信设备。
背景技术：
在使用微波频带或毫米波频带的诸如便携式电话等无线电通信系统中，在这些系统的滤波器和振荡器中使用介电谐振器。然后，在其中需要高Q和高功率电阻的应用中使用TE01δ模式介电谐振器。在TE01δ模式介电谐振器中，在支撑上保持圆柱形或多边形介电谐振元件。为了将该谐振器与输出电路相连，在用于安装谐振器的衬底上需要输入输出电极，例如微带线、金属探针。这里，为了获得该设备的所需介电特性，需要将根据输入输出电极和谐振器之间的距离而改变的、与外部电路的耦合量设置为所需值。为了在TE01δ模式介电谐振器中获得与外部电路的耦合，已经提出了以下方法。
在专利文件1中，设置微带线的输入输出电极，从而夹入介电支撑，其中设置了在微波频带振荡器中使用的TE01δ模式介电谐振器。
此外，在专利文件2中，为了增加与外部电路的耦合，将其中具有TE01δ模式介电谐振元件的高频振荡器设置在支撑上以使其倾斜。按照该方式，当将输入输出电极设置在谐振元件向下倾斜的一侧时，能够增加与外部电路的耦合。此外，由于将输入输出电极设置在远离该支撑的位置处，因此，减小了可能将支撑设置在输入输出电极上的担心，并且还减小了振荡特性可能变得不稳定的可能性。
专利文件1日本待审专利申请公布No.5-152845
专利文件2日本待审专利申请公布No.2-24640
发明内容本发明所要解决的问题例如，当介电谐振元件为圆柱形时，TE01δ模式介电谐振器(dielectric resonator)的磁场按照以下方式分布从上表面的中间附近传递到介电谐振元件的上部，以及通过介电谐振元件的边缘部分的外部传递到下圆形表面，引起了径向和环状分布。在专利文件1的结构中，介电谐振元件的磁场不会完全绕其下部扩散。因此，需要使微带线接近支撑附近，以便使介电谐振元件与微带线强耦合。因此，尽管能够获得强外部耦合，但是当支撑和微带线之间的间距对于将支撑安装到安装表面所需的精度而言不足够时，存在可能将支撑安装在微带线上的担心。于是，谐振器特性会改变，结果，出现了振荡器的振荡特性变得不稳定的问题。
另外，在专利文件2的结构中，会引起以下问题。首先，由于在谐振器向上倾斜的一侧上不能够获得强的外部耦合，用于设置输入输出电极的位置是有限的。此外，在滤波器、振荡器等中，使用TE01δ模式介电谐振器，通常将该谐振器设置在腔壳内。然而，由于在向上倾斜的谐振器上方的磁场具有由腔壳的上表面所引起的扰动，因此谐振频率会发生变化。此外，由于谐振器发生倾斜，振荡器的高度会增加。而且，在TE01δ模式介电谐振器的情况下，由螺钉等从振荡器的上部进行谐振频率的调节。此外，在本专利文件的结构中，由于谐振器的上部发生倾斜，因此该谐振器上方的磁场分布是不均匀的，因此，与其中谐振器未倾斜的情况相比，谐振频率的调节变得困难。
如上所述，在以上两个专利文件中，尽管谐振器和输入输出电极能够强耦合，但是会出现以下问题由于安装精度和使用谐振器而造成的特性恶化是有限的。于是，本发明的目的是获得一种TE01δ模式介电谐振器，其中即使输入输出电极远离所述谐振器，也能够获得与外部电路的强耦合，并且谐振器特性不会由于谐振器的安装精度而改变，以便获得使用该谐振器的滤波器、双工器、振荡器和获得使用这些装置来解决上述问题的通信设备。
为了解决上述问题，本发明的介电谐振器包括介电谐振元件；以及沿与介电谐振元件的底表面垂直的方向上设置的突起部分，所述突起部分与所述介电谐振元件整体地模制在一起。在该介电谐振器中，使在突起部分的外周处的侧面倾斜，从而使突起部分的介电谐振元件的底表面侧的面积大于突起部分的下表面的面积；以及在介电谐振元件中所使用的电磁场处于TE01δ模式。
根据上述结构，由于介电谐振元件的磁场扩散到在突起部分的外周处的侧面的倾斜部分和其附近，因此与相关结构相比，在介电谐振元件的下部周围能够更大地增加磁场分布的扩散。因此，即使将输入输出电极设置在远离突起部分的位置处，也能够使介电谐振元件与输入输出电极强耦合。因此，由于使突起部分不与输入输出电极接触，因此谐振特性不会发生变化。
此外，当突起部分的外周处的侧面未倾斜时，在介电谐振元件和突起部分之间的边界处形成彼此大致垂直的台阶部分。当通过压模整体地形成这些介电谐振元件和突起部分时，在所述边界处，模子(mold)密度会发生急剧地改变，并且不能够稳定地进行模制。然而，由于该台阶部分在介电谐振元件和突起部分之间的边界处具有倾斜，从而使突起部分的外边界处的侧面倾斜，因此减小了模子密度的急剧变化，并能够执行稳定的模制。此外，由于这样的结构，能够使用容易和低成本的单轴压模。
接下来，根据本发明，当突起部分和输入输出电极之间的间距和耦合长度相同时，即使输入输出电极设置在围绕突起部分的任何位置处，能够获得相同的耦合量，并且设置输入输出电极的位置是没有限制的。
而且，根据本发明，介电谐振元件的底面积大于突起部分的介电谐振元件的底表面侧的面积。当安装该方式来构造时，能够在介电谐振元件的底表面的边缘部分处形成环状扁平部分。在本发明的TE01δ模式介电谐振器中，使用制模模具来整体地形成介电谐振元件和突起部分。消除制模模具中的尖锐部分，从而在本发明中，将扁平部分设置在介电谐振元件的底表面上，结果，提高了制模模具的耐用性和耐磨性。
此外，当在滤波器或振荡器中使用本发明的TE01δ模式介电谐振器时，即使需要与外部电路的强耦合以便获得所需的滤波或振荡特性，由于不会发生由于安装精度而造成的谐振特性的变化，因此能够获得所需的滤波或振荡特性。
此外，当使用利用TE01δ模式介电谐振器的滤波器来制造双工器时，即使在谐振器和发射侧电路、接收侧电路和天线的输入输出电极之间需要强耦合，由于不会发生由于安装精度而造成的谐振特性的变化，因此能够获得所需的双工特性。
此外，在使用至少一个本发明的TE01δ模式介电谐振器、利用该谐振器的滤波器、双工器、振荡器等的通信设备中，能够按照与上述设备相同的方式来获得所需的特性。
优点如上所述，本发明的介电谐振器包括介电谐振元件；以及沿与介电谐振元件的底表面垂直的方向上设置的突起部分，所述突起部分与所述介电谐振元件整体地模制在一起。在该介电谐振器中，使在突起部分的外周处的侧面倾斜，从而使突起部分的介电谐振元件的底表面侧的面积大于突起部分的下表面的面积；以及在介电谐振元件中所使用的电磁场处于TE01δ模式。结果，即使输入输出电极远离所述突起部分，也能够获得与外部电路的强耦合，并且不会发生由于安装精度而造成的谐振特性的变化。
图1是根据本发明实施例的TE01δ模式介电谐振器的示意截面图；图2是示出了离根据本发明实施例的TE01δ模式介电谐振器的突起部分的下表面的外周处的任意点的距离和在该距离处的磁场强度之间的关系的曲线图；
图3是当将根据本发明实施例的TE01δ模式介电谐振器整体模制时所使用的制模模具和TE01δ模式介电谐振器的示意截面图；图4是其中在根据本发明实施例的TE01δ模式介电谐振器中改变在突起部分的外周处的倾斜侧面的形状的实施例的示意截面图；图5是其中在根据本发明实施例的TE01δ模式介电谐振器中设置了中空或具有倾斜侧面的中空的实施例的示意截面图；图6是其中在根据本发明实施例的TE01δ模式介电谐振器中设置了通孔的实施例的示意截面图；图7是通过使用根据本发明实施例的TE01δ模式介电谐振器所制成的滤波器的示意截面图；图8是通过使用根据本发明实施例的TE01δ模式介电谐振器所制成的双工器的示意截面图；图9是通过使用根据本发明实施例的TE01δ模式介电谐振器所制成的振荡器的示意截面图；图10是通过使用本发明的TE01δ模式介电谐振器的通信设备的发射-接收电路的示意电路图；图11是相关TE01δ模式介电谐振器的示意截面图。
参考数字1、20、30、40、50、60、70、80和110介电谐振器2介电谐振元件3突起部分4突起部分的下表面的直径5突起部分的介电谐振元件侧的表面直径6介电谐振元件上的底表面的直径7、31、41、和51在突起部分的外周处的倾斜侧面8、63、73、82、83和111输入输出电极9安装衬底10、62和74腔壳11在突起部分的下表面的外周处的任意点12磁场
13在突起部分的外周处的倾斜角14离突起部分的下表面的外周处的任意点的距离具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明的第一实施例。图1是根据本发明实施例的TE01δ模式介电谐振器1的示意截面图。在图1中，介电谐振元件2是圆柱形的，将突起部分3沿与底表面垂直的轴向、设置在介电谐振元件2的底表面侧，并且突起部分3的部分也是圆形的。关于该实施例的TE01δ模式介电谐振器1的尺寸，介电谐振元件2的底表面的直径6为5.6mm，介电谐振元件2的厚度为2.5mm，在突起部分3的介电谐振元件侧上的表面的直径5为4mm，突起部分3的下表面的直径4是3.2mm，并且突起部分3的厚度是1mm。因此，将倾斜侧面设置在突起部分3的外周处，从而使在突起部分3的介电谐振元件2的底表面侧上的面积(直径5)大于突起部分3的下表面的面积(直径4)。此外，将环状扁平部分形成在介电谐振元件2的底表面的边缘部分中，从而使介电谐振元件2的底表面的面积(直径6)大于突起部分3的介电谐振元件2的底表面侧上的表面的面积(直径5)。使用介电谐振器1，从而将介电谐振器1粘合和固定在如玻璃环氧树脂衬底等安装衬底9上，其中微带线的输入输出电极8使用铜配线等，并且介电谐振器1覆盖有腔壳10。而且，腔壳10是金属壳或导电壳，其中在陶瓷上涂覆有导电材料。
此外，通过利用介电材料来压模，整体地形成介电谐振元件2和突起部分3。在本实施例中所使用的谐振器1的介电材料是钛酸锆-钛酸锡混合物，并且具有介电常数38。
在本实施例的结构中，如图1所示，将在TE01δ模式介电谐振器1的突起部分3的下表面上的外周处的任意点11设置为基准点，并且当改变距离14以使其远离任意点11时，通过执行仿真来寻找磁场强度的变化。结果如图2所示。而且，由图1中的参考数字12示出了TE01δ模式介电谐振器1的磁场分布。此外，图2所示的角度表示图1所示的突起部分3的侧面7的倾斜角13。在该曲线中，将当倾斜角13是零度时，即当突起部分3没有倾斜侧面时在基准点处的磁场强度设置为参考，并且通过与参考值的比值来表示当距离14变化时的磁场强度。而且，图11示出了其中突起部分没有倾斜侧面的相关结构的谐振器的示意截面图。在该曲线图中，示出了当图1中的倾斜角13发生变化时磁场强度的变化。
这里，在其中倾斜角13为零度的相关结构中，存在以下情况需要将输入输出电极8设置在基准点11的部分中并加强与输入输出电路8的耦合，以便获得所需的谐振特性。然而，在这样的结构中，当以安装谐振器的当前精度将突起部分3安装在安装结构9上时，存在以下可能突起部分3设置在输入输出电极8上且可能会使谐振特性恶化。然而，在图1所示的本发明的结构中，例如，当将突起部分3的倾斜角13设置在20度时，应该理解，在离基准点0.35mm的位置处(曲线图中的点B)能够获得与相关结构中的基准点11处的磁场强度(曲线图中的点A)相同的磁场强度。即，可以将需要设置在相关结构中的突起部分的下表面上的外周处的输入输出电极设置在离突起部分的下表面上的外周0.35mm的位置处。由此，当以安装谐振器的当前精度来安装突起部分3时，即使安装位置发生变化，由于在突起部分3和输入输出电极8之间存在0.35mm的空间，因此，不存在其中将突起部分3安装在输入输出电极8上且会使谐振特性恶化的情况。
此外，应该理解，图1所示的倾斜角13越大，则能够获得相同磁场强度的位置离基准点11越远。这是由于介电谐振元件2的磁场较大地扩散到倾斜部分7和倾斜部分7以下的区域中，从而如图1所示，使突起部分3具有倾斜侧面。结果，应该理解，能够获得所需的谐振特性，而与TE01δ模式介电谐振器的安装精度无关，从而选择不小于其中不会引起由于谐振器安装精度造成的特性恶化的20度且小于不会由谐振器结构引起任何问题的90度的倾斜角13。
而且，可以从以下组中选择根据本实施例的TE01δ模式介电谐振器的介电材料，所述组为稀土钛酸钡化合物、钛酸钡化合物、钽酸锌钡化合物、钽酸镁钡化合物、铝酸稀土-钛酸钡化合物、钛酸镁-钛酸钙化合物、铌酸锌钙化合物和铌酸钴锌钡化合物，除了在谐振器的规格中、根据频带等的本实施例的材料之外。而且，此时的介电材料的介电常数处于20到130的范围内。此外，介电谐振元件2和突起部分3并不局限于圆柱形形状，而且可以是多边形杆状。而且，图1所示的输入输出电极是微带线，但是除了诸如共面线等其他扁平线之外，通过使用金属探针等，能够获得相同效果。
此外，在本发明的结构中，由于介电谐振元件2具有与相关产品相同的形状，因此不会由上腔壳引起特性改变，并且可以容易地从顶部开始执行介电谐振元件2的频率调节。
如上所述，磁场分布可以较大地扩散到突起部分的外周处的倾斜部分和倾斜部分下的区域，从而当与没有任何倾斜部分的相关结构相比时，会使突起部分的侧面倾斜。按照该方式，即使输入输出电极与突起部分分离，也能够获得与外部电路的强耦合，并且能够获得其中谐振特性不会由于介电谐振器的安装精度的影响而改变的TE01δ模式介电谐振器。
图3是当整体地模制根据第一实施例的TE01δ模式介电谐振器时所使用的制模模具和模制时的谐振器的示意截面图。如图3所示，在整体地模制TE01δ模式介电谐振器时的模具中，需要模具(die)21、第一冲压机22和第二冲压机23。在本发明的TE01δ模式介电谐振器中，如图3所示，将环状扁平部分24设置在介电谐振元件的底表面的边缘部分处。因此，在每一个制模模具中不需要诸如尖锐边缘部分等弱强度的任何部分，并且能够改善所述模具的耐用和耐磨。
图4是其中改变第一实施例的TE01δ模式介电谐振器的突起部分的外周处设置的倾斜表面的形状的实施例的示意截面图。关于在突起部分的外周处的倾斜表面的形状31，考虑到模制介电谐振器30的容易度、与外部电路的所需耦合、介电谐振器的安装精度等，可以期望如图4所示的各种形状。在图4的(a)中，突起部分的倾斜侧面是向外的圆弧状；在图4的(b)中，突起部分的倾斜侧面是直线的；而在图4的(c)中，突起部分的倾斜侧面是向内的圆弧状。当除了所述倾斜部分之外，该结构是相同的且将输入输出电极设置在离突起部分的下表面的外周的相同位置处时，在输入输出电极处的磁场强度的次序为图4中的(a)、(b)和(c)，并且可以通过改变倾斜侧面的形状来调节磁场强度。此外，在图4的(d)中，将鼎状(ting-shaped)扁平部分32d设置在介电谐振元件的底表面的边缘部分处。因此，可以将磁场分布扩散到锥形部分下的区域，并且可以增加制模模具的耐用性和耐磨性。此外，在图4的(e)中，使在介电谐振元件的底表面的边缘处的扁平部分32e和突起部分31e之间的边界部分为圆弧形的。因为这样的结构，由于还将制模模具制成圆弧形的，进一步提高了其耐用性和耐磨性。
在图5中，在根据第一实施例的TE01δ模式介电谐振器的突起部分中设置中空。存在以下情况出于介电谐振器的制造和安装工艺的原因和为了获得所需谐振特性，在突起部分中需要中空。即使在这样的情况下，能够获得与第一实施例中相同的效果，从而如图5的(a)所示，将倾斜侧面41a设置在突起部分42a的外周处。此外，可以容易地执行如同容易和低成本模制方法的单轴压模，从而如图5的(b)所示，突起部分42b的中空的侧面具有倾斜表面。
在图6中，沿与谐振器的上表面垂直的方向将调节孔52设置在谐振器50中，用于调节根据第一实施例的TE01δ模式介电谐振器的谐振频率。将诸如螺钉等插入到调节孔52中，并且根据插入量来调节谐振频率。此外，在这样的结构中，能够获得与第一实施例相同的效果，从而使突起部分的外围处的侧面具有倾斜表面51。
图7是使用根据第一实施例的TE01δ模式介电谐振器60的滤波器的示意截面图。将三个TE01δ模式介电谐振器60设置在其上附加了针对输入输出端子的同轴连接器61的腔壳62。在每一个同轴连接器61的尖端处，设置了输入输出电极(金属探针)63，用于与TE016模式介电谐振器60的电磁耦合。固定每一个谐振器60，从而将突起部分的下表面粘合到腔壳62上。此外，在每一个谐振器60上方设置了用于调节谐振频率的调节螺钉64。腔壳62由其中在陶瓷表面上涂覆了导电材料的金属壳和导电壳构成。而且，为了获得所需的滤波特性，构成滤波器的谐振器的数量并不局限于三个。
图8是使用本实施例的TE01δ模式介电谐振器的双工器的实施例的示意截面图。在图8中，将构成接收滤波器76的三个TE01δ模式介电谐振器70和构成发射滤波器77的两个TE01δ模式介电谐振器70设置在腔壳74内。将图8中的同轴连接器71用作接收滤波器76和发射滤波器77的输入输出端子，并且将公共同轴连接器72用作用于对发射和接收滤波器输入和输出的天线输入输出端子。在每一个同轴连接器的尖端处，附加了输入输出电极(金属探针)73，用于与谐振器70的电磁耦合。固定每一个谐振器70，从而使用粘合剂等将突起部分的下表面粘合到腔壳74。在每一个谐振器70的上方设置用于调节谐振频率的调节螺钉75。腔壳74由其中在陶瓷表面上涂覆了导电材料的金属壳和导电壳构成。而且，为了获得所需的滤波特性，构成滤波器的谐振器的数量并不局限于上述数量。
图9是使用第一实施例的TE01δ模式介电谐振器的振荡器的实施例的示意顶视图。设置TE01δ模式介电谐振器80以使其以所需的谐振频率与第一短截线82和第二短截线83的一端相连。此外，第一短截线82和第二短截线83的另一端分别与发射极接地晶体管的集电极端子89相连。而且，基极电压供电配线84和集电极电压供电配线85分别与发射极接地晶体管81的基极端子88和集电极端子89相连，并且振荡器输出端子89也通过输出负载电容器86与集电极端子89相连。而且，基极电压供电配线84和集电极电压供电配线85的另一端与DC电压供电部分86相连。在本实施例的振荡电路中，介电谐振器80和第一短截线82构成了反馈电路，并且介电谐振器80和第二短截线83构成了振荡器侧电路。通过基极电压供电配线84和集电极电压供电配线85，将DC电压分别提供到晶体管81的基极端子88和集电极端子89。从振荡输出端子87中取出来自晶体管的振荡器端子89的振荡输出。
图10示出了使用第一实施例的TE01δ模式介电谐振器的通信设备的发射-接收电路的一个实施例。按照以下方式来处理发射侧信号。利用通过分频器91输入到混频器92的本地振荡器90的信号，对发射侧信号93进行频率转换。接下来，通过带通滤波器94来消除发射侧信号中的发射频带外的频率分量。之后，由放大器95对发射侧信号进行放大，并且通过双工器96的发射侧滤波器97从天线99中发射。此外，按照以下方式来处理接收侧信号。将从天线99接收到的接收侧信号通过双工器96的接收侧滤波器98输出到接收侧电路。通过带通滤波器100来消除信号中接收频带外的频率分量，并由放大器101来放大。之后，通过使用从带通滤波器103中输出的本地振荡器90的频率信号，将该接收信号频率转换为低于混频器102处的接收信号的频率，并且输出中频信号104。在该电路中，在用于发射的带通滤波器94、用于接收的带通滤波器100和双工器96中使用上述实施例中所示的滤波器和双工器。而且，在振荡器90中使用本发明的TE01δ模式介电谐振器。
权利要求
1.一种介电谐振器，包括介电谐振元件；以及沿与介电谐振元件的底表面垂直的方向上设置的突起部分，所述突起部分与所述介电谐振元件整体地模制在一起，其中，使在突起部分的外周处的侧面倾斜，从而使突起部分的介电谐振元件的底表面侧的面积大于突起部分的下表面的面积；以及其中，介电谐振元件中所使用的电磁场处于TE01δ模式。
2.根据权利要求1所述的介电谐振器，其特征在于使突起部分的外周处的整个侧面倾斜。
3.根据权利要求1或2所述的介电谐振器，其特征在于介电谐振元件的底面积大于突起部分的介电谐振元件的底表面侧的面积。
4.一种包括多个如权利要求1到3任一个所述的介电谐振器的滤波器。
5.一种包括两个如权利要求4所述的滤波器的双工器。
6.一种包括如权利要求1到3任一个所述的介电谐振器的振荡器。
7.一种通信设备，包括至少一个如权利要求1到3的任一个所述的介电谐振器、如权利要求4所述的滤波器、如权利要求5所述的双工器、以及如权利要求6所述的振荡器。
全文摘要
整体地模制在TE01δ模式下谐振的介电谐振元件和沿与介电谐振元件垂直的方向设置的突起部分，并且使突起部分的外周处的侧面倾斜，从而使介电谐振元件的底表面侧的面积大于突起部分的下表面的面积。由于这样的结构，将介电谐振元件的磁场扩散到突起部分的外周处的侧面的倾斜部分并围绕所述侧面的倾斜部分，并且磁场分布在介电谐振元件下发生增加。即使将输入输出电极设置在远离突起部分的位置处，输入输出电极也与介电谐振元件强耦合，引起了充分地耦合。
文档编号H01P1/208GK1701463SQ20048000113
公开日2005年11月23日 申请日期2004年10月27日 优先权日2003年12月24日
发明者栗栖彻, 久保田和彦, 阿部博次 申请人:株式会社村田制作所