專利名稱：電介質共振器、電介質濾波器以及無線通信設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在毫米波帶中利用的電介質共振器、電介質濾波器以及使用該電介質濾波器的無線通信設備。
背景技術：
近年來，人們進行著有關在毫米波帶中無線LAN等的通信系統(tǒng)的研究，且使用于該領域的無源元件的研究也盛行了起來。以往，作為適用于毫米波帶的疊層型電介質共振器，提出了如圖18(a)、圖18(b)所示的具備矩形疊層型波導管結構的電介質共振器。該電介質共振器備有疊層多個電介質層的電介質基板1、和與電介質基板1接觸配置的下部導體4b以及上部導體4a、和具備配置于該電介質基板1內層的矩形共振開口部3的導體2、和連接下部導體4b和上部導體4a的通孔導體5。通過用所述通孔導體5包圍共振開口部3，構成電介質共振器。共振模式是在下部導體4b以及上部導體4a上產生垂直電場的TE10模式。該結構與以往的波導管結構相比，可實現(xiàn)小型化。
另外，通過用通孔導體的膜片接通所述電介質共振器的輸入輸出端子和電介質共振器，可以構成帶有輸入輸出部的疊層型電介質濾波器。另外，通過用通孔導體的膜片接通多個結構相同的電介質共振器，可以實現(xiàn)電介質共振器之間的耦合。
另外，作為利用于毫米波帶的具備空洞的類型的電介質共振器，已提出了TE010模式電介質共振器。如圖19所示，該電介質共振器在被金屬導體4a、4b包圍的空間的中央部配置有電介質基板1。電介質基板1的上部和下部以接觸電介質基板1的方式配置有導體板2a、2b，且導體板2a、2b上以露出電介質的一部分的方式設置有圓形的共振開口部3a、3b。該電介質共振器利用于毫米波帶用的濾波器。
然而，毫米波帶中的無源元件的問題是小型化和低成本化。
如果將使用微波帶大量生產的技術應用于毫米波帶，則由于部件小，會出現(xiàn)加工精度不對應于小尺寸的問題。其結果部件的單價提高了。
舉例所述的使用于毫米波帶的疊層型電介質共振器(圖18)的情況下，在通孔導體5的配置發(fā)生偏差，則共振頻率也可能偏離設計值。該共振頻率的變化成為制作電介質濾波器時的設計誤差。因此有必要在電介質共振器上以良好的精度配置通孔導體。因而，很難無調整且以良好的成品率制作，其結果產生了成本過高的問題。
舉例具有所述空洞的類型的電介質共振器(圖19)的情況下，如果共振開口部3a、3b的軸產生偏差，則共振頻率也可能偏離設計值。該共振頻率的變化成為制作濾波器時的設計誤差?？梢灶A想，共振開口部越小，則對于上下的共振開口部的軸偏差的，偏離共振頻率的設計值的偏差變得越大。

發(fā)明內容
本發(fā)明鑒于以上的事實，其目的在于提供一種能大大提高共振頻率的設計精度的電介質共振器、電介質濾波器，以及使用該電介質濾波器的無線通信設備。
另外，本發(fā)明的另一個目的在于簡化制造工序，且實現(xiàn)低成本的電介質共振器、電介質濾波器，以及使用該電介質濾波器的無線通信設備。
本發(fā)明者以在配置于下部導體和上部導體之間的電介質基板的內部導電體層上形成共振開口部的方式，構成電介質共振器。
該電介質共振器可以不使用通孔導體而是通過一層的內部導體層和上下導體形成分別的共振空間。由于內部導體層的共振開口部可以通過印刷等技術以良好的精度制作，因此能夠實現(xiàn)共振頻率的高精度設計，且可以期待加工精度的提高。通過將該電介質共振器設置于多層配線基板或者半導體封裝內，特別是在毫米波帶中，可以期待實現(xiàn)低成本化、小型化和高性能化。
所述共振開口部的形狀可以是圓形。在使用圓形的情況下，可以在共振模式中更容易使用在圓周方向電場環(huán)繞的TE011模式。
本發(fā)明的電介質濾波器，在所述電介質共振器的內部導體層上，設置有多個共振開口部，并具備由通孔導體列形成的疊層型波導管。所述共振開口部以相隔規(guī)定間隔并列設置，且所述疊層型波導管的開口端部與所述內部導體層的多個共振開口部中的一個處于相對的位置，并通過所述疊層型波導管進行信號的輸入或者輸出。
根據(jù)該結構，由于電介質共振器在橫方向并列排列地形成，因此可以實現(xiàn)高度低的電介質濾波器。另外，由于向電介質濾波器的信號的輸入或輸出是使用由通孔導體列形成的疊層型波導管而進行的，因此可以實現(xiàn)小型化。
所述共振開口部的形狀可以是圓形。在使用圓形的情況下，可以在共振模式中更容易使用在圓周方向環(huán)繞電場的TE011模式。
所述通孔導體列，隨著接近所述共振開口部，以錐狀或者喇叭狀擴大其開口直徑，則可以使所述疊層型波導管和電介質濾波器的共振部之間的電磁耦合更強。
即使所述通孔導體列的開口直徑從接近所述內部導體層的共振開口部的位置開始擴大為階梯狀，如同前述，也可以進一步增強所述疊層型波導管和電介質濾波器的共振部之間的電磁耦合。
所述內部導體層的共振開口部、和所述疊層型波導管的開口端部之間，由所述內部導體層僅隔離規(guī)定長度，則所述內部導體層的共振開口部可以確保在內部導體層上被封閉的空間，因此可以防止共振器的Q值降低。
另外如果采用所述內部導體層的共振開口部、和所述疊層型波導管的開口端部直接連結的結構，則可以增強所述疊層型波導管、和由所述內部導體層的共振開口部形成的共振部之間的耦合。
另外根據(jù)本發(fā)明，對于形成有用于制作所述通孔導體列的通孔導體的所述多個導體層、和所述下部導體層、和所述上部導體、和具備所述多個共振開口部的內部導體層，作為一體同時燒制成形，而制造電介質濾波器。制造工序簡單，且能以低價格制造電介質濾波器。
另外根據(jù)本發(fā)明，通過將所述電介質濾波器搭載于無線通信設備上，可以提供低成本、小型、且性能優(yōu)良的毫米波雷達、無線LAN、熱點(hotspot)、專用無線系統(tǒng)等無線通信設備。
本發(fā)明者還在配置于下部導體上的電介質基板上形成中間導體層，并在該中間導體層形成共振開口部，且從中間導體層間隔空間配置上部導體，從而構成電介質共振器。
即，本發(fā)明的電介質共振器具有以下特征備有平面狀的下部導體、與所述下部導體接觸地配置的電介質基板、在電介質基板上接觸地配置的中間導體、上部導體；且從所述中間導體到所述上部導體，經由支撐部件隔離而在其間形成空間；且在所述中間導體上形成共振開口部，經由該共振開口部，將所述電介質基板露出在所述空間。
根據(jù)該結構，與以往的TE010模式電介質共振器相比，可以將其結構簡化到不用考慮共振開口部的軸偏離的程度，因此與以往相比，可以更容易地實現(xiàn)電介質共振器的制作。通過使用該電介質共振器，特別是在毫米波帶中，可以期待實現(xiàn)低成本化、小型化和高性能化。
所述共振開口部的形狀可以是圓形。
在所述電介質共振器中，支撐部件優(yōu)選筒狀導體，例如圓筒狀導體，且最好使所述上部導體形成筒狀導體的底面的同時，將該筒狀導體的開口端接觸到包含所述共振開口部的中間導體。根據(jù)該結構，在使用的頻率下，可以將電波封閉在所述空間中而引起共振。
另外所述電介質共振器的電介質基板，優(yōu)選具備能夠衰減共振頻率的高頻信號的傳播的厚度以及相對介電常數(shù)。根據(jù)該結構，可以使電磁波不在上下導體間沿橫方向傳播，即可以使傳播模式成截止區(qū)域。從而由于電波不橫向擴大，因此可封閉電波并引起共振。
另外本發(fā)明的電介質濾波器的特征如下備有平面狀的下部導體、與所述下部導體接觸地配置的電介質基板、在電介質基板上接觸地配置的中間導體、上部導體；且從所述中間導體到所述上部導體，經由支撐部件隔離而在其間形成空間；且在所述中間導體上形成多個共振開口部，經由這些共振開口部，將所述電介質基板露出在所述空間；具備輸入高頻信號的輸入電極和輸出高頻信號的輸出電極。
該結構，在橫方向形成多個電介質共振器，并設置輸入高頻信號的輸入電極和輸出高頻信號的輸出電極。根據(jù)該結構，由于電介質共振器在橫方向并列形成，因此可以用以往的約一半的高度，實現(xiàn)電介質濾波器。
所述共振開口部的形狀可以是圓形。
通過將支撐所述中間導體和所述上部導體的支撐部件構成為筒狀導體，并將該筒狀導體的開口端接觸到包含所述共振開口部的中間導體，可以使電介質共振器的周圍被導體屏蔽，從而簡單地進行電波的封閉。
所述筒狀導體可以是例如圓筒狀導體。
所述輸入電極或者輸出電極的至少一方或者兩方，可以使用共面線路、波帶傳輸線路、微波帶傳輸線路、層疊波導管、波導管或者非放射性的線路。
通過將所述電介質濾波器搭載于無線通信設備上，可以提供低成本、小型、且性能優(yōu)良的毫米波雷達、無線LAN、熱點、專門無線系統(tǒng)等無線通信設備。
另外，本發(fā)明的電介質濾波器的特征如下備有平面狀的下部導體和平面狀的上部導體、在所述下部導體上以接觸的方式配置的第一電介質基板、在第一電介質基板上接觸地配置的第一中間導體、在所述上部導體上以接觸的方式配置的第二電介質基板、在第二電介質基板上接觸地配置的第二中間導體；且從所述第一中間導體到所述第二中間導體，經由支撐部件隔離而在其間形成空間；且在所述第一和第二中間導體上形成共振開口部，經由這些共振開口部，將所述第一和第二電介質基板露出在所述空間；具備輸入高頻信號的輸入電極和輸出高頻信號的輸出電極。
該結構，在縱方向形成多個電介質共振器，從而可以減小電介質濾波器的橫向寬度。
所述共振開口部的形狀可以是圓形。
通過采用支撐部件為筒狀導體且將該筒狀導體的兩側開口端接觸到包含所述共振開口部的第一和第二中間導體的結構，可以使電介質共振器的周圍被導體屏蔽，從而簡單地進行電波的封閉。
所述筒狀導體可以是例如圓筒狀導體。
所述輸入電極或者輸出電極的至少一方或者兩方，可以使用共面線路、波帶傳輸線路、微波帶傳輸線路、疊層波導管、波導管或者非放射性的線路。
通過將所述電介質濾波器搭載于無線通信設備上，可以提供低成本、小型、且性能優(yōu)良的毫米波雷達、無線LAN、熱點、專門無線系統(tǒng)等無線通信設備。


圖1(a)是表示本發(fā)明的TE011模式電介質共振器的結構例的俯視截面圖。
圖1(b)是表示本發(fā)明的TE011模式電介質共振器的結構例的縱截面圖。
圖2是表示本發(fā)明的電介質濾波器的結構例的俯視截面圖(a)和縱截面圖(b)。
圖3是表示本發(fā)明的電介質濾波器的另一個結構例的俯視截面圖(a)和縱截面圖(b)、(c)。
圖4是表示圖3的電介質濾波器的尺寸例的側截面圖(a)、俯視截面圖(b)和縱截面圖(c)。
圖5是表示本發(fā)明的電介質濾波器的另一個結構例的俯視截面圖(a)和縱截面圖(b)、(c)。
圖6是表示相對于電介質共振器的間隔x的耦合系數(shù)k的變化的曲線圖。
圖7是表示相對于疊層型波導管的開口寬度W的Qe的變化的曲線圖。
圖8是表示帶通電介質濾波器的傳輸特性的模擬結果的曲線圖。
圖9是表示本發(fā)明的電介質共振器的一例的縱截面圖。
圖10是表示本發(fā)明的電介質共振器、和以往TE010模式電介質共振器的，相對于共振開口部直徑的共振頻率的計算結果的曲線圖。
圖11(a)是表示本發(fā)明的電介質濾波器結構的一例的縱截面圖。
圖11(b)是表示圖11(a)的電介質濾波器的立體圖。
圖12是表示本發(fā)明的電介質濾波器的另一個結構例的縱截面圖。
圖13是表示本發(fā)明的電介質濾波器的又一個結構例的縱截面圖。
圖14(a)是表示用于模擬的本發(fā)明的電介質帶通濾波器的結構的側截面圖。
圖14(b)是表示用于模擬的本發(fā)明的電介質帶通濾波器的結構的俯視截面圖。
圖15是表示相對于電介質共振器的間隔x的耦合系數(shù)k12的變化的曲線圖。
圖16是表示相對于從電介質共振器的圓周部到微波傳輸帶線路的端部的距離y的，Qe的變化的曲線圖。
圖17是表示圖14中帶通電介質濾波器的傳輸特性的模擬結果的曲線圖。
圖18(a)是表示以往的TE10模式電介質共振器的結構的平面截面圖。
圖18(b)是表示以往的TE10模式電介質共振器的結構的縱截面圖。
圖19是表示以往的具有空洞的電介質共振器的結構的縱截面圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖，詳細說明本發(fā)明的實施方式。圖1(a)和圖1(b)是表示本發(fā)明的電介質共振器的結構和電場分布的圖。該電介質共振器特別地利用在圓周方向形成電場的TE011模式。
圖18(a)和圖18(b)所示的以往的，使用了通孔導體的單一電介質共振器，采用了TE10模式，如果沒有通孔導體，則電磁場會被放射。在本實施例中由以下說明的方式實現(xiàn)共振。
在圖1(a)和圖1(b)中，在作為底面的下部導體4b上配置疊層多個電介質層的電介質基板1，且在該電介質基板1上配置上部導體4a。在電介質基板1的內部的電介質層上，配置形成有共振開口部3的內部金屬導電層2。共振開口部3是圓形，且下部導體4b、上部導體4a、內部金屬導電層2相互平行配置。
所述電介質基板1，可以通過例如對于玻璃環(huán)氧樹脂等有機系電介質基板1，形成由銅箔等導體形成內部金屬導電層2而構成；或者通過在陶瓷材料等無機系電介質基板1中配置內部金屬導電層2，并與電介質基板1同時燒制而構成。
所述內部金屬導電層2，可使用對于玻璃環(huán)氧樹脂等有機系電介質基板1，用銅箔等導體形成配線導體層的金屬導電層；也可以使用在陶瓷材料等無機系電介質基板上，將各種配線導體層與電介質基板同時燒制而形成的金屬導電層。
電介質基板1，通過提高介電常數(shù)，即使小面積也能獲得充足的靜電電容，通過縮短帶狀線的長度，能夠使整體結構小型化，因此優(yōu)選使用相對介電常數(shù)ε在4到25這樣一個比較高的值的陶瓷材料。另外若使用陶瓷材料，則一般比樹脂基板介質損耗低，因此對電介質共振器的高Q化是有效的。
作為所述陶瓷材料，可以是至少一種選自以下物質組中的材料(1)將Al2O3、AlN、Si3N4、SiC作為主成分的燒制溫度為1100℃以上的陶瓷材料、(2)由金屬氧化物的混合物構成的在1100℃以下特別是在1050℃以下燒制的低溫燒制陶瓷材料、(3)由玻璃粉末、或者由玻璃粉末和陶瓷填料粉末的混合物構成的在1100℃以下特別是在1050℃以下燒制的低溫燒制陶瓷材料。
作為所述(2)的混合物，使用BaO-TiO2系、Ca-TiO2系、Mg-TiO2系等陶瓷材料，且在這些陶瓷材料中適當添加SiO2、Bi2O3、CuO、Li2O、B2O3等輔助劑使用。
作為所述(3)的玻璃組合物，使用至少包含SiO2且包含Al2O3、B2O3、ZnO、PbO、堿土金屬氧化物、堿金屬氧化物等中的至少一種的混合物。具體地說可以舉出，SiO2-Bi2O3-RO系、SiO2-BaO-Al2O3-RO系、SiO2-B2O3-Al2O3-RO系、SiO2-Al2O3-RO系，以及在這些系中混合ZnO、PbO、Pb、ZrO2、TiO2等的組合物。另外，作為玻璃，可以使用即使通過燒制處理也依然是非晶質玻璃的玻璃，或者通過燒制處理可以析出堿金屬硅酸鹽、石英、方石英、堇青石、莫來石、頑輝石、蠕陶土、鋇長石、尖晶石、鋅尖晶石、透輝石、鈦鐵礦、硅鋅礦、白云石、透鋰長石，以及其取代衍生物的結晶中的至少一種的結晶化玻璃等。
作為所述(3)的陶瓷填料，可以舉出選自以下物質組中的至少一種Al2O3、SiO2(石英、方石英)、鎂橄欖石、堇青石、莫來石、ZrO2、頑輝石、尖晶石、氧化鎂、AIN、Si3N4、SiC、MgTiO3、CaTiO3等的鈦酸鹽，優(yōu)選以玻璃20～80質量％、填料20～80質量％的比例混合。
另一方面，由于內部金屬導電層2與電介質基板1同時燒制形成，因此對應于形成電介質基板1的陶瓷材料的燒制溫度，可采用各種組合。例如，在陶瓷材料是所述(1)的情況下，可適當使用將選自鎢、鉬、錳、銅中的至少一種作為主成分的導體材料。另外為實現(xiàn)低電阻化，也可以使用銅等的混合物。在陶瓷材料使用所述(2)、(3)的低溫燒制陶瓷材料的情況下，可使用將選自銅、銀、金、鋁中的至少一種作為主成分的低電阻體材料。
為了由低電阻導體形成內部金屬導電層2，最好用所述(1)、(2)的低溫燒制陶瓷材料形成。
下面，說明該多層基板的具體制造方法。將氧化鋁、莫來石、鎂橄欖石、氮化鋁、氮化硅、玻璃等作為基質，并將公知的燒結助劑或者有助于高介電常數(shù)的鈦酸鹽等化合物添加混合，制作陶瓷生片。
在一片陶瓷生片的表面，形成成為內部金屬導電層2的導體層。導體層的形成方法是將含有所述金屬的導體膠涂敷在陶瓷生片表面，或者貼上由所述金屬構成的金屬箔。另外，在需要形成通孔導體的部位，在陶瓷生片上開通貫通孔，在該貫通孔的內面涂敷導體膠，或者在整個貫通孔中填充導體膠。
疊層所述陶瓷生片，在需要的壓力的溫度下進行熱壓接、燒制。
將所述共振開口部3的直徑設為Ds。將所述內部金屬導電層2和上部導體4a之間的電介質層的厚度設為h1、將所述內部金屬導電層2和下部導體4b之間的電介質層的厚度設為h2。將所述電介質層的厚度h1、h2中的大的一方設為h。
電介質層的厚度h以及電介質的相對介電常數(shù)ε，選擇衰減共振頻率中高頻信號的值。更詳細地說，電介質基板1具有由內部金屬導電層2和上部導體4a，以及由內部金屬導電層2和下部導體4b夾持的平行平板結構。為了不使電波從平行平板的端部出去，應將平行平板之間設計成滿足不傳播電波的條件，即應在不超過截止頻率fc的頻率區(qū)域內進行設計。對于以往的微波帶，幾乎不用進行考慮，但毫米波帶由于其使用的頻率f高且波長短，因此對于電介質層的厚度h大、且相對介電常數(shù)ε高的試樣來說，截止頻率fc有可能會變得比使用的頻率f更低(即電波被傳播)。平行平板的截止頻率fc，由以下式表示(μ是電介質的相對磁導率)。
fc＝1/2h(με)-1/2從而，有必要將電介質層的厚度h、相對介電常數(shù)ε的值選擇為使截止頻率fc高于使用的頻率f。即選擇為滿足以下式。
fc＞f該電介質共振器利用TE011模式，且電場在上部導體4a和下部導體4b的表面變?yōu)榱?，且隨著接近電介質基板1的中央而增大。因此，可以用內部金屬導電層2的共振開口部3，有效地封住電場，從而能構成Q值高的共振器。
圖2(a)是表示本發(fā)明的電介質濾波器的結構的一例的俯視截面圖。另外，圖2(b)是表示本發(fā)明的電介質濾波器的縱截面圖。
在這些圖2(a)、圖2(b)中，電介質濾波器具有以下結構在作為底面的下部導體4b上配置有電介質基板1，在電介質基板1中，設置形成有共振開口部3a、3b的內部金屬導電層2，且在電介質基板1的上面配置有上部導體4a。通過調整所述兩個共振開口部3a、3b之間的間隔x，設定電介質共振器彼此的耦合系數(shù)。
另外，將連接上部導體4a和下部導體4b之間的通孔導體5，以一定間隔配置兩列，構成疊層型波導管6。并且將其以使疊層型波導管6的端部僅相離距離E的方式，與所述共振開口部3a和所述共振開口部3b相對設置。通過該疊層型波導管6，進行向電介質濾波器的信號的輸入輸出。
在以上的結構中，通過將兩個電介質共振器的共振頻率差設定在規(guī)定值，可以構成具有帶通濾波器、帶阻濾波器等功能的電介質濾波器。另外，還可以在頻帶外作出衰減極(pole)。
圖3是表示本發(fā)明的電介質濾波器的另一個結構例的俯視截面圖(a)和縱截面圖(b)。
圖4是表示圖3的電介質濾波器的各部分尺寸的側截面圖(a)、俯視截面圖(b)和縱截面圖(c)。
在該圖3、圖4中，在電介質基板1的上下配置上部導體4a和下部導體4b，且在電介質基板1內設置具備相隔規(guī)定間隔設置的多個共振開口部3a、3b的內部金屬導電層2，而這些結構與圖2(a)、(b)中相同。
在圖3、圖4的結構中，為了獲得期望的強的耦合，采用了將由通孔導體5構成的疊層型波導管6的開口端部，向共振開口部3a、共振開口部3b的附近擴大的結構。
即，在圖3、圖4的結構中，經疊層型波導管6的開口端部近處的一定長度E，2列通孔導體5的間隔w，以錐狀擴大，直到隨著接近共振開口部3a逐漸變成為間隔W。由此，將電場分布在橫方向(信號傳播方向的垂直方向)擴寬，獲得向共振開口部3a的強的電磁耦合。
另外，在疊層型波導管6的開口端部和共振開口部3a的開口之間，經長度e，保留有內部金屬導電層2。這是為了形成在俯視下封閉共振開口部3a的空間，從而降低共振的Q值。
圖5是表示本發(fā)明的電介質濾波器的又一結構例的俯視截面圖(a)，以及縱截面圖(b)、(c)。
在圖5中，也和圖3、圖4的結構一樣，為了獲得與輸入輸出波導部之間的期望的強耦合，采用了將由通孔導體5構成的疊層型波導管6的開口端部，向共振開口部3a、共振開口部3b的附近擴大的結構。
然而，在圖3、圖4的結構中，2列通孔導體5的間隔w，以錐狀擴大，直到隨著接近共振開口部3a逐漸變成為間隔W，但是在圖5的結構中，離共振開口部3a有一定距離E的靠近位置開始，疊層型波導管6的2列通孔導體5的間隔w就以階梯狀擴大變成了W。由此，將電場分布在橫方向(信號傳播方向的垂直方向)擴寬，獲得向共振開口部3a的強的電磁耦合。
另外，在該圖5的結構中，在疊層型波導管6的開口端部和共振開口部3a之間，沒有保留內部金屬導電層2，而是直接進行了連結。通過調整所述間隔W和長度E，調節(jié)耦合量。由此，可以獲得雖然共振的Q值稍微減少，但與圖3、圖4時相比的更強的電磁耦合。
圖9是表示本發(fā)明的電介質共振器的另外一例的縱截面圖。在圖9中，電介質共振器具有以下結構在作為底面的下部導體4b上配置電介質基板1，且在該電介質基板1上設置形成有共振開口部3的導體2，并在導體2的上部，隔離間隔M，配置導體4a。下部導體4b、導體2、導體4a都是圓形，且相互平行地配置。
所述電介質基板1，可以使用例如玻璃環(huán)氧樹脂等的有機系電介質基板，或者可以使用陶瓷材料等無機系電介質基板。
特別是在使用陶瓷材料時，陶瓷電介質的相對介電常數(shù)通常是4到25這樣一個比使用樹脂基板時高的值，因此可以使電介質層更薄，并有效地對元件進行小型化。另外，在使用陶瓷材料時，一般比使用樹脂基板時介質損耗低，因此對濾波器的高Q化是有效的。
所述導體材料是金、銀、銅等。
在所述導體2上結合了支撐導體4a的圓筒狀部件7。圓筒狀部件7也由導體構成。將所述共振開口部3的直徑設為Ds，將由導體2、導體4a構成的空洞的直徑設為D。將電介質基板1的厚度設為t、共振開口部3的厚度設為g。電介質基板1的厚度t以及相對介電常數(shù)ε，選擇使共振頻率的高頻信號衰減的值。更詳細地說，電介質基板1具有由導體4b和導體2夾持的平行平板結構。為了不使電波從平行平板的端部出去，應在不超過平行平板的截止頻率fc的頻率區(qū)域內進行設計。對于以往的微波帶，幾乎不用進行考慮，但對于毫米波帶由于其使用的波長短，因此對于電介質基板1的厚度t大，且相對介電常數(shù)ε高的試樣來說，有時也會超過截止頻率fc(即電波被傳播)。平行平板的截止頻率fc，由以下式表示。
fc＝1/2t(με)-1/2從而，有必要將電介質基板1的厚度t、相對介電常數(shù)ε的值選擇為、使截止頻率fc高于使用的頻率f。
下面說明本發(fā)明的電介質共振器在毫米波帶中有效的理由。
該電介質共振器利用TE010模式，電場在電介質共振器的下部導體4b的表面成為零，且從這里向上方增大。因此，接觸下部導體4b而配置的電介質基板1中所蓄積的TE010模式的電場能，就會小于圖19所示的以往TE010模式電介質基板1中所蓄積的電場能。
圖10表示了本發(fā)明的電介質共振器和以往TE010模式電介質共振器的，共振頻率的計算結果。曲線的橫軸表示共振開口部3的直徑Ds、縱軸表示共振頻率。其計算條件如下空間由空氣充滿，空間直徑D＝6.98mm、空間高度M＝1.95mm、共振開口部厚度g＝0.15mm，電介質基板1的厚度t＝0.5mm，電介質的相對介電常數(shù)為10。fa表示本發(fā)明的電介質共振器的共振頻率、fb表示以往的電介質共振器的共振頻率。其結果表明，在相同條件下，本發(fā)明的共振頻率高。另外，還得出了共振頻率fa的曲線與共振頻率fb的曲線相比其傾斜更加緩慢的結論。
因此，在同樣條件下(相對介電常數(shù)、電介質厚度、上部導體的高度M、共振開口部直徑Ds等)設計時，本發(fā)明的電介質共振器可以設計成與以往的TE010模式電介質共振器相比其頻率更高，而適合于毫米波帶的電介質共振器。如果頻率相同，則具有與以往的電介質共振器相比其共振開口部的尺寸Ds更大的優(yōu)點。另外由于共振頻率fa的曲線與共振頻率fb的曲線相比其傾斜更加緩慢，因此對于加工時加工誤差的要求就不像原來那樣苛刻了。
圖11(a)是表示本發(fā)明的電介質濾波器結構的一例的縱截面圖。另外，圖11(b)是本發(fā)明的電介質濾波器的立體圖。
在這些圖11(a)、圖11(b)中，電介質濾波器具有以下結構在作為底面的下部導體4b上配置電介質基板1，且在該電介質基板1上設置形成有共振開口部3a、共振開口部3b的導體2，并在導體2的上部，隔離間隔M，配置導體4a。下部導體4b、導體2、導體4a都是長方形，且相互平行地配置。
在所述導體2上結合了支撐導體4a的支撐部件7。支撐部件7既可以是導體也可以是電介質。在支撐部件7是電介質的情況下，其高度M選擇在使用的頻率下電磁波不在上下導體間沿橫方向傳播的值，即選擇傳播模式成截止區(qū)域的高度值。
共振開口部3a和共振開口部3b，以能獲得共振器彼此間的期望耦合系數(shù)的距離x配置。
在將該電介質濾波器應用于毫米波帶的情況下，有必要使電介質共振器具備同樣共振頻率，而由圖10的結果可知，在對于共振開口部的設計值Ds的偏差為±1μm的情況下，以往的T010模式電介質共振器的共振頻率的偏差是±16MHz，而與此相對，本發(fā)明的電介質共振器的相應值是±4MHz，從而在尺寸加工精度相同的情況下，可將共振頻率的精度改善為比以往更好。因而可以制作特性一致且成品率高的電介質濾波器。
圖12是表示本發(fā)明的電介質濾波器的另一個結構例的縱截面圖。
在圖12中，在下部導體4b上配置電介質基板1a，且在該電介質基板1a上設置形成有共振開口部3a的導體2a。另外，在上部導體5c上配置電介質基板1b，且在該電介質基板1b上設置形成有共振開口部3b的導體2b。導體2a、2b由支撐部件7支撐。支撐部件7可以是導體也可以是電介質。在電介質的情況下由于沒有其自屏蔽效果，因此支撐部件7的高度M選擇在使用的頻率下電磁波不在上下導體間沿橫方向傳播的值，即選擇傳播模式成截止區(qū)域的高度值。
兩個共振開口部3a，3b中至少一部分相對地配置。
該圖12的電介質濾波器具有利用了縱向排列的電介質共振器的結合的結構，且與圖11(a)、圖11(b)的結構相比，可以減小電介質濾波器的橫向寬度。另外，兩個共振開口部3a、3b不用像以往圖19中的結構那樣嚴格地重疊，而容許有一些尺寸偏差。這一點也是更好的一方面。
圖13是表示本發(fā)明的電介質濾波器的又一結構例的縱截面圖。該結構具有將圖11(a)、圖11(b)以及圖12的電介質濾波器組合的結構，即，在下部導體4b上配置電介質基板1a，且在該電介質基板1a上設置形成有共振開口部3a、共振開口部3b的導體2。而且，在上部導體5c上配置電介質結伴1b，并在該電介質基板1b中，設置形成有共振開口部3c、3d的導體5d。導體4a、4b的周圍由支撐部件7支撐，并由此形成共振空間。支撐部件7可以是導體也可以是電介質。在電介質的情況下由于沒有其自屏蔽效果，因此支撐部件7的高度M選擇在使用的頻率下電磁波不在上下導體間沿橫方向傳播的值，即選擇傳播模式成截止區(qū)域的高度值。
在圖13中電介質濾波器的共振開口部，以共振開口部3a，3c的至少一部分彼此相對的方式配置，且以共振開口部3b，3d的至少一部分彼此相對的方式配置。
高頻信號從共振開口部3a向共振開口部3c耦合，從共振開口部3c向共振開口部3d耦合，從共振開口部3d向共振開口部3b耦合。由此電介質共振器成為四級濾波器連接。
另外根據(jù)圖13的電介質濾波器，通過使其持有共振開口部3c向3b的飛越耦合，可以設計在頻帶外持有極且具備更加急劇的傳輸特性的濾波器。
以上說明了本發(fā)明的實施方式，但本發(fā)明的實施并不僅限于所述的方式。例如設置在電介質濾波器的共振器的級數(shù)不限于2級，可以是任意級數(shù)。另外，共振模式也并不限于TE011模式。此外在本發(fā)明的范圍內可采用各種變換。
<實施例1>
首先最初設計60GHz的單一電介質共振器(圖1(a)、圖1(b))。使用對于軸對稱結構的模式整合法的軟件、和アンソフト社制的有限要素法軟件HFSS，分別進行了對共振頻率以及對Q值的解析。在共振部直徑Ds＝3.05mm、內部金屬導電層2的厚度u＝0.01mm、電介質基板1的厚度h＝1.81mm的情況下，使用模式整合法則共振頻率f0＝60GHz，使用HFSS則f0＝60.3GHz。在HFSS中具有將圓的解釋近似為32邊形的影響。另外將電極和導體的導電率設為5.8×106S/m、電介質的介質衰耗因數(shù)tanδ＝1×10-3的情況下，單一電介質共振器的Q值的解析，在使用模式整合法時為Q＝840、使用HFSS時為Q＝750。
使用上述單一電介質共振器的尺寸，并根據(jù)HFSS，設計了如圖4所示的具有中心頻率60.3GHz、頻帶寬600MHz、2級切比雪夫特性的帶通電介質濾波器。
在現(xiàn)實中用通孔導體形成疊層型波導管，但在這里由于網孔或者存儲器的關系，將使用通孔導體的疊層型波導管的一部分作為通常的波導管進行計算。
首先計算耦合系數(shù)K12。其結果，將相對于電介質共振器的間隔x的，耦合系數(shù)K12的變化，表示在圖6中。由此，x＝0.55mm時，獲得了必要的耦合系數(shù)K12＝0.012。
接著用HFSS計算了外部Q、Qe。向共振器的信號的輸入輸出由寬度w、厚度H的疊層型波導管進行，且與共振器的耦合部分構成為如圖4(a)所示的e＝0.1mm、E＝1.475mm的喇叭形天線形狀。根據(jù)所述寬度W調整外部Q。圖7中表示了相對于W的Qe變化。由圖7獲得了W＝2.0mm時的必要Qe＝100。
由以上得到，滿足用于電介質濾波器的方法的設計值是電介質共振器間耦合系數(shù)K12＝0.012、外部Q、Qe＝100。
最后，邊核對電介質濾波器的整合狀態(tài)，邊微調x值，獲得W＝2.1mm。
輸入通過以上獲得的尺寸，使用HFSS，計算了電介質濾波器的傳輸特性S參數(shù)。S參數(shù)的計算結果顯示于圖8。由該結果確認獲得了帶通電介質濾波器的期望特性，獲得了實用化的可能性。
<實施例2>
設想圖14(a)、圖14(b)所示結構的電介質濾波器，設計了2級最平坦特性帶通濾波器。計算使用了アンソフト社制的有限要素法軟件HFSS。
信號的輸入輸出，由寬度w、厚度v的，設計為特性阻抗50Ω的，成上下空氣層的微波傳輸帶線路進行。
共振開口部3a、3b的直徑Ds＝4.54mm、共振空間的高度M＝1.95mm、共振開口部的厚度g＝0.15mm、電介質基板1的厚度t＝0.5mm、電介質的相對介電常數(shù)為10、微波傳輸帶線路寬度w＝0.62mm、厚度v＝0.1mm、電極和導體的導電率為5.8×106S/m。
根據(jù)單一電介質共振器導體損耗的Qc成為2600。
滿足中心頻率60.4GHz、頻帶寬200MHz的條件的設計值是電介質共振器間耦合系數(shù)K12＝0.00166、外部Q、Qe＝420。
首先最初的耦合系數(shù)K12的計算由HFSS進行。將相對于電介質共振器的間隔x的，耦合系數(shù)K12的變化，表示在圖15中。由此，x＝1.52mm時，獲得了必要的耦合系數(shù)K12＝0.0015。
接著用HFSS計算了外部Qe。將相對于從電介質共振器的圓周部到微波傳輸帶線路端部的距離y的Qe的變化，表示在圖16中。由圖16獲得了y＝0.11mm時的必要Qe＝420。
最后，使獲得的尺寸x、y適用于圖14(a)、圖14(b)的結構，使用HFSS計算濾波器的反射參數(shù)S11、傳輸參數(shù)S12。圖17表示其結果。根據(jù)圖17可知，實現(xiàn)了中心頻率60.3GHz和頻帶寬200MHz的帶通濾波器。另外在傳播區(qū)域的兩側形成了衰減極。
權利要求
1.一種電介質共振器，其特征是，備有平面狀的下部導體和平面狀的上部導體；在所述下部導體以及所述上部導體之間接觸地配置的、疊層有多個電介質層的電介質基板；在所述電介質基板內部的至少一層設置的、具有共振開口部的內部導體層。
2.如權利要求1所述的電介質共振器，其特征是所述共振開口部是圓形。
3.如權利要求2所述的電介質共振器，其特征是共振的模式使用TE011模式。
4.一種電介質濾波器，其特征是，備有平面狀的下部導體和平面狀的上部導體；在所述下部導體以及所述上部導體之間接觸地配置的、疊層有多個電介質層的電介質基板；在所述電介質基板內部的至少一層設置的、具有多個共振開口部的內部導體層；通過配置于所述電介質基板內的通孔導體列形成的所述疊層型波導管；其中，所述共振開口部間隔規(guī)定的距離并列配置，所述疊層型波導管的開口端部與設置于所述內部導體層的所述多個共振開口部中的一個相對，信號的輸入或者輸出的至少一方或者兩方，通過所述疊層型波導管進行。
5.如權利要求4所述的電介質濾波器，其特征是所述共振開口部是圓形。
6.如權利要求4所述的電介質濾波器，其特征是共振的模式使用TE011模式。
7.如權利要求4所述的電介質濾波器，其特征是所述通孔導體列的開口直徑，隨著接近所述內部導體層的共振開口部，以錐狀或者喇叭狀擴大。
8.如權利要求4所述的電介質濾波器，其特征是所述通孔導體列的開口直徑，從接近所述內部導體層的共振開口部的位置，以階梯狀擴大。
9.如權利要求4所述的電介質濾波器，其特征是所述內部導體層的共振開口部、和所述疊層型波導管的開口端部之間，通過所述內部導體層隔開規(guī)定長度。
10.如權利要求4所述的電介質濾波器，其特征是所述內部導體層的共振開口部、和所述疊層型波導管的開口端部直接連結。
11.如權利要求4所述的電介質濾波器，其特征是對于形成有用于制作所述通孔導體列的通孔的所述多個電介質層、所述下部導體層、所述上部導體、和具備所述多個共振開口部的內部導體層，同時燒制而作為一體成形。
12.一種無線通信設備，其特征是搭載了權利要求4中所述的電介質濾波器。
13.一種電介質共振器，其特征是備有平面狀的下部導體、與所述下部導體接觸地配置的電介質基板、與電介質基板接觸地配置的中間導體、上部導體；從所述中間導體到所述上部導體，經由支撐部件隔離而在其間形成空間；在所述中間導體上形成共振開口部，經由該共振開口部，使所述電介質基板在所述空間露出。
14.如權利要求13所述的電介質共振器，其特征是所述共振開口部是圓形。
15.如權利要求13所述的電介質共振器，其特征是所述支撐部件是筒狀導體，所述上部導體形成筒狀導體的底面，同時該筒狀導體的開口端接觸到包含所述共振開口部的中間導體。
16.如權利要求15所述的電介質共振器，其特征是所述筒狀導體是圓筒狀導體。
17.如權利要求13所述的電介質共振器，其特征是所述電介質基板具有能夠使共振頻率的高頻信號的傳播衰減的厚度和相對介電常數(shù)。
18.如權利要求13所述的電介質共振器，其特征是經由所述支撐部件形成的空間，填充有電介質。
19.如權利要求18所述的電介質共振器，其特征是填充到所述空間的電介質是空氣。
20.一種電介質濾波器，其特征是備有平面狀的下部導體、與所述下部導體接觸地配置的電介質基板、與電介質基板接觸地配置的中間導體以及上部導體；從所述中間導體到所述上部導體，經由支撐部件隔離而在其間形成空間；在所述中間導體上形成多個共振開口部，經由這些共振開口部，使所述電介質基板在所述空間露出；具備輸入高頻信號的輸入電極和輸出高頻信號的輸出電極。
21.如權利要求20所述的電介質濾波器，其特征是所述共振開口部是圓形。
22.如權利要求20所述的電介質濾波器，其特征是所述支撐部件是筒狀導體，且該筒狀導體的開口端接觸到包含所述共振開口部的中間導體。
23.如權利要求22所述的電介質濾波器，其特征是所述筒狀導體是圓筒狀導體。
24.如權利要求20所述的電介質濾波器，其特征是所述輸入電極或者輸出電極的至少一方或者兩方由共面線路、波帶傳輸線路、微波帶傳輸線路、疊層波導管、波導管或者非放射性的線路形成。
25.一種無線通信設備，其特征是搭載了權利要求20中所述的電介質濾波器。
26.一種電介質濾波器，其特征是備有平面狀的下部導體和平面狀的上部導體、在所述下部導體上以接觸的方式配置的第一電介質基板、在第一電介質基板上接觸地配置的第一中間導體、在所述上部導體上以接觸的方式配置的第二電介質基板以及在第二電介質基板上接觸地配置的第二中間導體；從所述第一中間導體到所述第二中間導體，經由支撐部件隔離而在其間形成空間；在所述第一和第二中間導體上分別形成共振開口部，經由這些共振開口部，使所述第一和第二電介質基板在所述空間露出；具備輸入高頻信號的輸入電極和輸出高頻信號的輸出電極。
27.如權利要求26所述的電介質濾波器，其特征是所述共振開口部是圓形。
28.如權利要求26所述的電介質濾波器，其特征是所述支撐部件是筒狀導體，且該筒狀導體的兩側開口端接觸到包含所述共振開口部的第一和第二中間導體。
29.如權利要求28所述的電介質濾波器，其特征是所述筒狀導體是圓筒狀導體。
30.如權利要求26所述的電介質濾波器，其特征是所述輸入電極或者輸出電極的至少一方或者兩方，由共面線路、波帶傳輸線路、微波帶傳輸線路、疊層波導管、波導管或者非放射性的線路形成。
31.一種無線通信設備，其特征是搭載了權利要求26中所述的電介質濾波器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電介質共振器、電介質濾波器，以及使用該電介質濾波器的無線通信設備。在電介質基板(1)的兩面上配置上部電極(4a)、下部電極(4b)，且在其內部的內部金屬導電層(2)上形成共振開口部(3)，從而制作電介質共振器。排列多級該電介質共振器，由通孔導體列(5)構成的疊層型波導管(6)進行信號的輸入輸出，從而制作電介質濾波器。該電介質濾波器可以大大提高共振頻率、簡化制造工序，且實現(xiàn)低成本的設計精度，簡化制造工序。由此，本發(fā)明能夠提供一種能大大提高共振頻率的設計精度的電介質共振器、電介質濾波器，以及電介質濾波器以及使用該電介質濾波器的無線通信設備。
文檔編號H01P1/20GK1617384SQ200410092708
公開日2005年5月18日 申請日期2004年11月11日 優(yōu)先權日2003年11月13日
發(fā)明者吉川博道, 中山明 申請人:京瓷株式會社