专利名称：具有轴向间隙的介质谐振器及具有这种介质谐振器的电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种介质谐振器，例如在用于集中电场的微波电路中使用的那些介质谐振器，以及涉及由该介质谐振器制成的电路，例如微波滤波器。
背景技术：
介质谐振器用于多种电路中，尤其是用于集中电场的微波电路中。它们可以用来形成滤波器、振荡器、互扰消除装置和其它电路。形成谐振器的介电材料的介电常数越高，则电场集中的空间就越小。目前适合于制造介质谐振器的介电材料可从介电常数为从接近10到接近150的范围(相对于空气)来选取。这些介电材料通常为1的mu(电磁常数，通常由μ表示)，也就是，它们对于磁场是透明的。
但是，利用一个具有大于大约45的介电常数的介质谐振器组建有效介质谐振器电路几乎是不可能的。尤其是，当介电常数增加到45以上时，由于在介质谐振器内和周围的强电场集中(主要在介质谐振器中，但是一些电场在介质谐振器外)，因此调谐这种滤波器和其它电路变得非常困难。尤其是在与低频电路连接时，乱真信号响应具有较大的问题，例如800MHz或更低的频率。因为较低频率的介质谐振器在物理结构上必须较大，对于低频设备不良的乱真信号响应尤其存在问题。
图1是现有技术的典型的圆柱形或环形介质谐振器的透视图，其可以用来组建介质谐振器电路，例如滤波器。如可以被看到的，谐振器10形成为介电材料的圆柱体12，其具有圆形的纵向通孔14。虽然介质谐振器已经有了许多的应用，但是它们的主要应用是与微波电路连接，更具体的是与微波通信系统和网络连接。
如现有技术所公知的，介质谐振器和谐振滤波器具有在不同频率下被集中的电场以及磁场的多重模式(mode)。一种模式是与由Maxwell公式确定的系统的谐振频率对应的场结构。在典型的介质谐振器电路中，基本的谐振模式，也就是具有低频的电场，是横向电场模式TE01(或者以下称为TE)。TE模式的电场是圆形的并且在圆柱形圆盘(puck)12的横向取向。其集中在谐振器10的圆周周围，使电场在谐振器内部及在谐振器外面。电场的一部分应当位于谐振器外，以在介质谐振器电路中耦合谐振器和其它微波设备(例如，其它谐振器或输入/输出耦合器)。
能够设置电路元件使得除了TE模式以外的一个模式是电路的基本模式，事实上，有时在介质谐振器电路中可以这样做。而且，虽然是典型的，但是不要求将所述基本模式用作电路的操作模式，例如，包含在通信电路中信息的模式。
第二种模式(也就是，具有第二个最低频率的模式)一般为混合模式H11δ(或者以下称为H11模式)。干扰所述基本模式的下一个最低频率模式通常是横向磁场或TM01δ模式(以下称为TM模式)。还具有更高阶的模式。通常，基本模式例如TE模式以外的所有模式是不希望的并且会产生干扰。但是，H11模式典型地是唯一明显要考虑的一种干扰模式。但是，TM模式有时也会干扰TE模式，尤其是在调谐介质谐振器电路期间。H11和TM模式都与TE模式正交并且都是轴向模式，也就是，它们的场力线沿着轴线DR的方向。
余下的模式通常与TE模式具有实质上的频率区分，并因此不会在系统的操作中产生明显的干扰或者乱真信号响应。但是，H11模式和TM模式的频率非常接近于TE模式，并因此在操作中难以与TE模式区分。此外，当TE模式的频宽(主要由电邻接的介质谐振器之间的耦合所指示的)和中心频率被调谐时，TE模式和H11模式的中心频率彼此朝着相反的方向移动。因此，当调谐TE模式以增加它的中心频率时，H11模式的原有的中心频率向下移动，并且因此更加接近于TE模式中心频率。当谐振器处于开放空间中时，TM模式通常与基本TE模式的频率相隔很远。但是，当金属接近于谐振器时，例如在为了调谐谐振器的中心频率而使用于调谐板的许多介质谐振滤波器和其它电路靠近谐振器的可能的情况下，则TM模式的频率下降。当调谐板和其它金属被布置到更接近于谐振器时，TM模式的频率下降的十分快，并且可以十分接近于基本TE模式的频率。
图2是采用多个介质谐振器10的现有技术的微波介质谐振滤波器20的透视图。谐振器10a-10d被布置在外壳24的空腔22中。微波能量通过耦合到电缆的耦合器28被引入空腔中，例如所述电缆是同轴电缆。导电分隔壁32将谐振器彼此分开，并且在物理上阻碍(部分或完全)邻接的谐振器10之间的连接。尤其是，壁32a-32d中的窗孔30控制邻近的谐振器10之间的连接。没有窗孔的壁通常可以防止邻近的谐振器之间的任何连接。具有窗孔的壁允许在邻近的谐振器之间具有一些连接。通过示例的方式，谐振器10a的电场通过窗孔30a连接到谐振器10b的电场，谐振器10b的电场还通过窗孔30b连接到谐振器10c的电场，谐振器10c的电场还通过窗孔30c连接到谐振器10d的电场。不具有窗孔的壁32a防止谐振器10a的电场与壁32a的另一侧上的物理上邻近的谐振器10d连接。导电调节螺杆可以位于窗孔中，从而进一步影响谐振器的电场之间的连接，并且在谐振器之间提供可调节性，但是这些未在图2的示例中示出。
一个或多个金属板42可以由螺杆43连接到外壳的顶壁(为了清楚而没有示出)，从而影响谐振器的电场并且有助于设置滤波器的中心频率。尤其是，可以旋转螺杆43以改变板42和谐振器10之间的空间，从而调节谐振器的中心频率。输出耦合器40与最后的谐振器10d邻接，从而将微波能量耦合到滤波器20外部，并且使该能量进入同轴连接器(未示出)中。信号还可以通过其它方法耦合进入或耦合出介质谐振器电路，例如位于邻近谐振器的外壳24的底部表面44上的微波传输带。谐振器圆盘10的尺寸，它们的相对的空间、圆盘的数量、空腔22的尺寸以及窗孔30的尺寸都需要被精确的控制，从而设置所希望的滤波器的中心频率和滤波器的带宽。更具体的是，滤波器的带宽主要受到电邻接的谐振器之间耦合的电和磁场的量的控制。通常，谐振器彼此越接近，则它们之间的耦合程度越大并且滤波器的带宽越宽。另一方面，滤波器的中心频率较大程度的受谐振器本身的尺寸、导电板42的尺寸以及板42与它们的相应谐振器10的距离的控制。通常，由于谐振器变大，因此它的中心频率变低。
导电外壳24的容量和结构实质上影响系统的操作。外壳使辐射损耗最小。但是，它还对TE模式的中心频率具有重要的影响。因此，外壳不仅仅必须由导电材料构成，而且应当十分精确地加工从而实现所希望的中心频率性能，从而增加了制造系统的复杂性和费用。
发明内容
因此，由介质谐振器电路提供解决方案，所述介质谐振器电路包括至少第一和第二介质谐振器。每个谐振器都包括由介电材料形成的主体，该主体限定轴向尺寸以及与所述轴向尺寸正交的横向尺寸。主体包括由介电材料形成的第一轴向主体部分，由介电材料形成的第二轴向主体部分，以及所述第一和第二介电主体部分之间的间隙。该间隙断开所述介电材料的轴向尺寸中的连续性，并且该主体包括纵向通孔。
该解决方案还由包括多个介质谐振器的介质谐振器提供。每个谐振器都包括由介电材料形成的主体，该主体限定轴向尺寸以及与所述轴向尺寸正交的横向尺寸。主体包括由介电材料形成的第一轴向主体部分，由介电材料形成的第二轴向主体部分，以及所述第一和第二介电主体部分之间的间隙。该间隙断开介电材料的轴向尺寸中的连续性。该主体包括纵向通孔。介质谐振器还包括包含所述介质谐振器的外壳，输入耦合器以及输出耦合器。第一和第二谐振器被定位以使得第一谐振器沿所述横向尺寸叠置在第二谐振器的至少一部分上。
现在，本发明将参考附图通过示例的方式来描述，其中图1是示例性传统的圆柱形介质谐振器的透视图。
图2是示例性传统的微波介质谐振滤波器电路的透视图。
图3是为特殊的利益使用本发明的原理的被截顶的圆锥形谐振器的透视图。
图4是根据本发明的第一实施例的介质谐振器的侧视图。
图5是根据本发明的第二实施例的介质谐振器电路的侧视图。
图6是根据本发明的第二实施例的介质谐振器电路的侧视图。
图7是根据本发明的另一个实施例的介质谐振器的侧视图。
图8是根据本发明的另一个实施例的介质谐振器的侧视图。
具体实施例方式
本发明提供一种改进的介质谐振器电路，其具有改进的模式的间隔以及乱真信号响应，并且提供一种容易进行调谐的介质谐振器电路。
根据本发明的原理，介质谐振器具有轴向地中断谐振器主体的空气(或其它介电)间隙。优选的是，谐振器主体是圆锥形或者台阶状圆柱体。但是，本发明可等效地实施在直侧面圆柱形谐振器主体上。
滤波器和其它介质谐振器电路可以利用这种谐振器来搭建，该谐振器将具有改进的乱真信号响应并且可以可更容易地进行调谐。美国专利申请No.10/268415公开了一种新的介质谐振器以及使用这种谐振器的电路。前述专利申请中所公开的新的谐振器的一个主要的优点是谐振器外或附近的TE模式电场的场强沿着谐振器的纵向尺寸而改变。有助于实现该目标的这些新的谐振器的关键的特征是平行于TE模式的场力线测量的谐振器的横截面面积沿着谐振器的轴向也就是垂直于TE模式场力线的方向改变。在一个实施例中，横截面作为谐振器的纵向尺寸的单调变化函数，也就是谐振器的横截面作为高度的仅仅一个方向的变化函数(或者仍然相同)。在一个优选实施例中，如更加详细的描述，谐振器是圆锥形的。优选的是，圆锥体是截顶的圆锥体。
图3是前述的专利申请中公开的介质谐振器的示例性实施例的透视图。如图所示，谐振器300形成为截顶圆锥体301的形状，其具有一中心及纵向通孔302。这种设计具有传统的圆柱形介质谐振器所没有的优点，包括物理上分隔TE模式与H11模式和/或几乎完全消除H11模式。尤其是，TE模式电场将在谐振器的底座303集中，同时H11模式电场将在谐振器的顶部305(窄部)处集中。这两种模式的纵向位移改进了谐振器(或者采用这种谐振器的电路)的性能，这是因为圆锥形介质谐振器可以靠近其它微波设备(例如其它谐振器、微波传输带、调谐板，以及输入/输出耦合环)，因此它们的各个TE模式电场彼此靠近并且因此强力耦合，而它们的各个H11模式电场仍保持彼此间隔，因此即使存在耦合，彼此包几乎不强力耦合。因此，H11模式将几乎不像现有技术那样与邻近的微波设备进行耦合，其中TE模式和H11模式彼此在物理上更加靠近。
此外，在圆锥形谐振器中的模式间隔(也就是，模式之间的频率间隔)增加。更进一步的是，谐振器的顶部可以被截顶以消除大部分的集中H11模式电场的谐振器，从而实质性地削弱H11模式的强度。
图4是根据本发明的第一实施例的介质谐振器400的侧视图。谐振器主体401主要包括第一圆柱形部分403，具有较小的直径的第二圆柱形部分405，以及两个部分之间的介电间隙407。两级圆柱体设计仅仅是示例性的。关键的是具有介电间隙，其中谐振器中产生的轴向电场线必须通过该介电间隙。间隙中断介电材料沿轴向的连续性。Maxwell公式示出该间隙小至100-1000原子(其中谐振器实际上相互接触)从而足以明显的影响轴向模式的电场。在优选实施例中，间隙407跨越介质谐振器部分403、405之间的整个距离，以使得整个材料对所有的场线的连续性完全被中断。
该间隙可以是空气间隙。另外，塑料盘可以位于两个主体部分403、405之间。填充间隙的材料应当是介电常数低于构造所述部分403和405的介质谐振器材料的一种材料，该材料的介电常数较低并且最好接近或等于1。最近的设计比较令人满意，这是因为以三件，也就是第一圆柱体、直径较小的第二圆柱体，以及塑料垫片被胶合在一起而形成谐振器主体的制造更简单。空隙需要一些机构来维持两个介电部分403、405彼此靠近，但是这两个介电部分并不接触。
图4所示的两级圆柱形谐振器主体实施例具有单调的改变横截面的优点，这给根据前述的美国专利申请No.10/268415的圆锥型谐振器提供了主要的优点，并且制造不再昂贵。尤其是，圆锥形谐振器的加工费用较高，而根据本发明的两级圆柱形谐振器可以由两个传统彼此堆叠起来的并且在其间具有间隙的圆柱形谐振器而廉价地得到。
间隙407通过给基本TE模式和乱真模式之间提供更大的频率分隔来改进乱真信号响应，更加值得注意的是，H11模式和TM模式。更具体的是，它将H11和TM模式的频率向上提升。
轴向间隙中断轴向模式的场力线，例如，TM模式和H11模式，但是基上不影响横向TE模式的场力线。因此，其对TE模式的Q或频率没有影响。
图5是采用本发明的概念的五极介质谐振滤波器500电路的透视图，为示出内部元件其顶部被去除。谐振器510位于外壳514的空腔中。
每个谐振器都包括被塑料插入物510c分隔开的两个圆柱形介质谐振器主体部分510a和510b。
微波能量经过与电缆连接的耦合器518被引入空腔中，例如同轴电缆(未示出)。导电分隔壁520将谐振器彼此分开并且阻碍(部分或完全)邻近的谐振器510之间在物理上通过壁520中的窗孔的连接。
谐振器通过螺纹状螺杆544被安装在外壳上。具有外螺纹的金属调谐板528直接接合到外壳壁的配合螺纹孔中，从而影响谐振器的电场并且有助于设置滤波器的中心频率。特别是，板528可以被旋转从而改变板528和谐振器之间的间距，以调节谐振器的中心频率。板528具有带内螺纹的中心通孔，其中谐振器的安装螺柱544通过该内部螺纹中心通孔。因此，谐振器可以通过旋转调谐板528的内部的螺柱544被纵向移动，从而使谐振器彼此相对移动，以改变邻近的谐振器之间的耦合以及因此改变滤波器的带宽。
优选的是，安装介质谐振器使得其在横向上彼此叠加，也就是图5中的左-右的方向。这使得介质谐振器彼此十分靠近，从而在谐振器之间提供更强的耦合，并且增加电路的带宽。
用于调谐本实施例的滤波器的通常的概念完全被美国专利申请Nos.10/799976，10/268415和10/431085所公开和讨论。
输出耦合器540靠近最后的谐振器进行设置，从而将微波能量耦合出滤波器并且将微波能量耦合入同轴连接器(未示出)中。信号还可以通过其它方法被耦合到和耦合出介质谐振器，例如位于靠近谐振器的外壳的底部表面上的微波传输带，以及印制在印刷电路板上的回路。
虽然本发明已经示出包括台阶形圆柱体的整个谐振器主体的实施例，但是这个实施例仅仅是示例性的。根据前述的美国专利申请No.10/268415的教导，本发明可以利用圆锥形谐振器来提供更好的调谐能力、乱真信号响应以及其它特征。而且，本发明可以具有相同直径的两个圆柱形谐振器主体部分。事实上，本发明可以应用于基本上任意形状的介质谐振器。
另一种优选实施例由图6示出，并且包括圆柱形部分701、介质垫片703以及被截顶的锥形部分705。
于2005年1月20日提交的标题为具有可变直径通孔的介质谐振器以及具有这种介质谐振器的电路的美国专利申请No.11/038977(代理人证No.E-MO-00005)公开了一种具有可变的横截面(例如，直径)的纵向通孔的介质谐振器。该申请的公开内容在这里被完全结合用作参考。横截面(也就是，垂直于纵向的截面)根据高度的函数(也就是纵向)而改变，并且可以突然的(也就是，台阶形的)，线性(例如，圆锥形的)变化或者其它的变化。通孔的直径被选择为任意给定的高度，从而除去主要存在乱真模式的高度上的介电材料，并且在基本模式集中的高度上留下该材料。
可变直径通孔增加所希望的基本模式和不希望的较高阶数模式之间的模式分隔。因此，本发明改进了乱真信号响应。
本发明可以与图6和7中所示的前述美国专利申请No.11/038977中公开的技术、方法和装置相结合。图6示出了本发明应用于谐振器700的情况，其中通孔702具有作为纵向函数的可变直径。在这个特定实施例中，整个谐振器700包括由空气间隙708分开的不同直径的两个分开的圆柱形部分704和706。通孔702包括第一直径的中心纵向部分702a和较大直径的两端部分702b、702c。具有这种设计的介质谐振器的滤波器将具有本发明和前述的美国专利申请No.11/038977所公开的发明的优点。
图7示出了将本发明的特征结合到介质谐振器中的另一个实施例，该介质谐振器也具有前述的美国专利申请No.11/038977的特征和优点。在这个实施例中，谐振器主体801包括两个部分803和805，每个部分都包括具有底部被切角的圆柱形底部803b、805b的圆锥形部分803a、805a。空气间隙806位于两个圆锥形部分803和805之间。通孔802类似于图6的实施例中所示，其包括第一直径的中心纵向部分802a和较大直径的两端部分802b、802c。具有这种设计的介质谐振器的滤波器将具有本发明和前述的美国专利申请No.11/038977所公开的发明的优点。
所述的切角可以使介质谐振器彼此更靠近，从而在需要时在谐振器之间提供更强的连接。
图8示出了将本发明的特征结合到介质谐振器900中的本发明的进一步的实施例。在这个实施例中，谐振器主体包括下部903和上部905，下部903是圆柱形的并且上部905是圆锥形的。上主体部分可以或不可以设有小圆柱形底座部分903a(如图7中的实施例所示)。间隙906被设置在部分903和905之间。间隙906当然可以是空气间隙或塑料或具有比主体部分903和905的介电材料低的介电常数的其它材料。
纵向通孔902包括具有第一直径的谐振器顶部的第一埋头孔部分902a，具有较小的直径的沿上主体部分903的大部分长度设置的第二部分902b，以及具有基本上等于第一上部902a的直径的第三底部部分902c。通孔的底部部分沿谐振器主体的下部主体部905的整个轴向长度设置。通孔可以具有许多其它的结构，这一个仅仅是示例性的。例如，通孔可以在底部以及顶部具有埋头孔。具有这种设计的介质谐振器的滤波器将具有本发明和前述的美国专利申请No.11/038977所公开的发明的优点。
权利要求
1.一种介质谐振器电路(500)，其包括至少第一和第二介质谐振器(300，400，510，700，800，900)，每个谐振器都包括由限定轴向尺寸和与所述轴向尺寸正交的横向尺寸的介电材料所形成的主体，所述主体包括由介电材料形成的第一轴向主体部分(303，403，510a，706，805，905)，由介电材料形成的第二轴向主体部分(305，405，510b，704，803，903)，以及位于所述第一和第二介电主体部分之间的间隙，所述间隙在所述轴向上中断介电材料的连续性，并且所述主体包括纵向通孔。
2.根据权利要求1所述的介质谐振器电路，其中所述间隙包括空气间隙(708，806，906)。
3.根据权利要求1所述的介质谐振器电路，其中所述间隙包括介电常数小于所述介电材料的介电常数的一种材料(407，510c)。
4.根据权利要求1所述的介质谐振器电路，其中所述间隙包括具有大约为1的介电常数的一种材料(407，510c)。
5.根据权利要求1所述的介质谐振器电路，其中所述间隙在轴向尺寸上完全中断所述介电材料的连续性。
6.根据权利要求1所述的介质谐振器电路，其中每个所述谐振器的所述第一轴向主体部分(303，403，510a，706，805，905)和第二轴向主体部分(305，405，510b，704，803，903)的至少一个是圆锥形的。
7.根据权利要求6所述的介质谐振器电路，其中所述圆锥形的轴向主体部分包括被切角的底座。
8.根据权利要求6所述的介质谐振器电路，其中所述第一轴向主体部分(403)和第二轴向主体部分都是圆锥体(405)。
9.根据权利要求8所述的介质谐振器电路，其中所述第一轴向主体部分(805)和第二轴向主体部分(803)均包括切角的底座。
10.根据权利要求1所述的介质谐振器，其中所述第一轴向主体部分(905)是圆柱形的并且所述第二轴向主体(903)部分是圆锥形的。
11.根据权利要求10所述的介质谐振器，其中所述第一、圆柱形主体部分(905)具有第一直径，并且所述第二、圆锥形主体部分(903)在最大横截面上具有小于所述第一直径的第二直径。
12.一种介质谐振器电路(500)，其包括多个介质谐振器(300，400，510，700，800，900)，每个谐振器都包括由限定轴向尺寸和与所述轴向尺寸正交的径向尺寸的介电材料所形成的主体，所述主体包括由介电材料形成的第一轴向主体部分(303，403，510a，706，805，905)，由介电材料形成的第二轴向主体部分(305，405，510b，704，803，903)，以及位于所述第一和第二介电主体部分之间的间隙，所述间隙在所述轴向尺寸上中断介电材料的连续性，所述主体包括纵向通孔包含所述介质谐振器的外壳(514)；输入耦合器(518)；以及输出耦合器(540)，其中所述第一和第二谐振器(300，400，510，700，800，900)被定位成使得至少一部分的所述第一谐振器(303，403，510a，706，805，905)沿所述横向尺寸叠置在至少一部分的所述第二谐振器(305，405，510b，704，803，903)上。
13.根据权利要求12所述的介质谐振器电路(500)还包括对应于并且靠近每个介质谐振器安装的调谐板(528)。
14.根据权利要求12所述的介质谐振器电路，其中所述间隙包括空气间隙(708，806，906)。
15.根据权利要求12所述的介质谐振器电路，其中所述间隙包括介电常数小于所述介电材料的介电常数的一种材料(407，510c)。
全文摘要
一种有中断谐振器的主体轴向的空气(或者其它介质)间隙(708，806，906)的介质谐振器(300，400，510，700，800，900)及相关的电路(500)和采用这种谐振器的电路。优选的是，谐振器主体是圆锥形的或者是台阶形圆柱体。但是，本发明还可以在直侧面圆柱形谐振器主体中实施。
文档编号H01P1/20GK1941497SQ200610149519
公开日2007年4月4日 申请日期2006年9月27日 优先权日2005年9月27日
发明者克里斯蒂·D·潘思, 罗纳德·F·赫伯特, 保罗·J·施瓦布 申请人:M/A-Com公司