專利名稱：含有微帶天線和選頻表面的濾波器的制作方法
常規(guī)的電路板稠密地布滿了許多部件。由于這些部件很接近，它們常常發(fā)出干擾電路板上其他部件工作的電磁信號(hào)。特別的，一般在微波波段濾波信號(hào)的常規(guī)頻率濾波器是一個(gè)很大的寄生電磁輻射源。
本發(fā)明通過提供一個(gè)用于高頻(從1到25GHz的微波信號(hào)和超過25GHz的毫米波信號(hào))的小的和成本效率好的濾波器來(lái)解決這個(gè)問題。濾波器的尺寸與所需的工作頻率成反比。本發(fā)明的濾波器被完全屏蔽，該濾波器具有最小泄漏可能干擾電路板上其他部件，使得整個(gè)電路的成本和尺寸減少。
本發(fā)明還提供一種小的和成本效率好的延遲電路用于高頻(例如，具有介電常數(shù)εr＝30近似11mm波長(zhǎng)的5GHz)。本發(fā)明的延遲電路也被完全屏蔽，該延遲電路具有最小泄漏可能干擾電路板上其他部件。
更詳細(xì)地，本發(fā)明的濾波器利用微帶(也稱為“補(bǔ)片(patch)”)天線作為一個(gè)源和接收器天線并且經(jīng)過一個(gè)外殼內(nèi)的介電材料從源天線傳播電磁信號(hào)到接收器天線。至少有一個(gè)選頻表面嵌入在介電材料中，該表面具有一個(gè)印在上面的金屬圖案，它拒絕某些頻率。根據(jù)幾何圖形，可以利用金屬外殼、介電材料、源和接收器天線以及至少一個(gè)選頻表面的組合來(lái)產(chǎn)生一個(gè)帶通濾波器、一個(gè)陷波濾波器或者帶通濾波器和陷波濾波器的組合，它被完全屏蔽并且發(fā)出最少的電磁干擾。
本發(fā)明的延遲電路利用微帶天線作為一個(gè)源和接收器天線并且經(jīng)過一個(gè)外殼內(nèi)的介電材料從源天線傳播電磁信號(hào)到接收器天線。延遲電路不包括至少一個(gè)選頻表面。金屬外殼、介電材料以及源和接收器天線的組合產(chǎn)生一個(gè)延遲電路，這里延遲的時(shí)間長(zhǎng)度是嵌入的介電材料的介電常數(shù)的函數(shù)。


圖1(a)和1(b)是說明第一個(gè)實(shí)施例的本發(fā)明濾波器的方塊圖；圖2說明第二個(gè)實(shí)施例的本發(fā)明濾波器；圖3說明第三個(gè)實(shí)施例的本發(fā)明濾波器；圖4(a)和4(b)說明由圖3的濾波器產(chǎn)生的頻率響應(yīng)；以及圖5說明第四個(gè)實(shí)施例的本發(fā)明延遲電路。
本發(fā)明公開了一種用于非常高頻率(1GHz以上)的小的和成本效率好的濾波器，它發(fā)出最少的電磁輻射，可能干擾電路板上濾波器附近其他部件?；驹硎翘峁﹥蓚€(gè)天線，一個(gè)源天線和一個(gè)接收器天線，以及具有一個(gè)或多個(gè)嵌入在介電材料中的選頻表面的高介電材料，該介電材料作為一種屏蔽用于拒絕某些頻率。微帶或補(bǔ)片天線用于這種目的是理想的，因?yàn)樗鼈円笠粋€(gè)接地面(groundplane)，這在濾波器中提供屏蔽是必需的。
高介電材料的目的是收縮介質(zhì)中的波導(dǎo)波長(zhǎng)，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)是工作頻率和介電材料的介電常數(shù)的函數(shù)。任何均勻介電材料的波導(dǎo)波長(zhǎng)由下式給出λ=cfϵr---(1)]]>這里c是光速(3×108m/s)，f是以Hz為單位的頻率，εr是研究材料的相對(duì)介電常數(shù)。
圖1(a)和1(b)說明一個(gè)實(shí)施例中本發(fā)明的濾波器10。濾波器10是一個(gè)可逆電路，這里它的端口可以是輸入或是輸出。如下所述，洛倫茲可逆定理說明天線對(duì)于接收模式以及對(duì)于傳送模式具有相同的輻射圖案∫∫va∫(Eb•Ja-Hb•Ma)d′v=∫∫vb∫(Ea•Jb-Ha•Mb)d′v---(2)]]>
這里Va和Vb是源和接收器天線的容量，Ea和Eb是由天線a和b產(chǎn)生的電場(chǎng)，Ja和Jb是a和b的電源容量電流，而磁源容量電流Ma和Mb通常是零，它消去方程式(2)的Hx·My項(xiàng)。在方程式(2)表示的洛倫茲可逆定理說明由天線a向量乘以天線b上的電容量電流產(chǎn)生的天線b上的電場(chǎng)等于由天線b向量乘以天線a上的電容量電流產(chǎn)生的天線a上的電場(chǎng)。
圖1(a)和1(b)說明在一個(gè)實(shí)施例中本發(fā)明濾波器10的主要部件。圖1(a)和1(b)特別說明了金屬外殼12、微帶天線14、微帶天線16、兩個(gè)選頻表面18和20，以及固態(tài)介電材料22。每個(gè)選頻表面18、20包括印在上面的金屬圖案24。選頻表面18、20被嵌入在介電材料22中。金屬外殼12完全包圍介電材料22和選頻表面18、20。
每個(gè)微帶天線14、16包括接地面26和導(dǎo)體28。在圖1(a)和1(b)說明的實(shí)施例中，金屬外殼12還作為接地面26用于微帶天線14、16。微帶天線14、16上的導(dǎo)體28由鋁、銅、銀或金中的一種制成并且可以是圓形、矩形或橢圓形。微帶天線14、16可以通過印刷電路技術(shù)或基片蝕刻產(chǎn)生。微帶天線14、16也可以是一個(gè)微帶饋電的隙縫天線。選頻表面18、20由薄膜技術(shù)產(chǎn)生，一般是1-5密耳厚。金屬圖案24由銅、銀、鋁或金中的一種制成。介電材料22是一種固態(tài)介質(zhì)，如具有1.1到10,000的介電常數(shù)的陶瓷，這里傳播的電磁信號(hào)的速度Vp為Vp=cϵr---(3)]]>這里c＝3.0×108m/s，εr是介電常數(shù)。
如圖1(a)和1(b)所述，選頻表面18、20包括印在薄膜上周期地重復(fù)的金屬圖案24。金屬圖案24具有的形狀使得它共振于一個(gè)或多個(gè)特定的頻率，因此作為一個(gè)帶阻濾波器。當(dāng)傳播的電磁信號(hào)30碰到選頻表面18、20中的一個(gè)時(shí)，屬于相應(yīng)于金屬圖案24共振頻率的頻率的能量被金屬圖案24吸收并且根據(jù)斯涅爾折射定律被反射回來(lái)sinθtsinθi=ϵr1ϵr2---(4)]]>這里θt是反射波的角度，θi是入射波的角度，εr1是一種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，其中波從該介質(zhì)入射，εr2是另一種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，其中波入射到該介質(zhì)。
選頻表面18、20對(duì)所有其他頻率而不是共振頻率表現(xiàn)出透明。
為了產(chǎn)生出如圖1(a)和1(b)中所述的陷波濾波器10，假設(shè)具有選頻表面18、20的傳播電磁信號(hào)30的入射角為(但不限制為)正入射。具有不同共振頻率的若干選頻表面可以如圖1(a)和1(b)中所述相互間一個(gè)接一個(gè)的放置以獲得任何所需的頻率響應(yīng)。印在薄膜上的金屬圖案24可以是(但不限制是)形狀為如圖1(a)中所述的正方形(或矩形)的金屬條。圓形、耶路撒冷十字形、同心環(huán)、雙正方形或柵格正方形也可以用作為金屬圖案24。
圖2說明本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，一個(gè)特別的帶通濾波器40。帶通濾波器40包括金屬外殼12、作為發(fā)射天線的微帶天線14、作為接收天線的微帶天線16、兩個(gè)選頻表面18、20、吸收材料42以及由如外殼12相同材料制成的隔板44。傳播電磁信號(hào)30由發(fā)射天線14發(fā)射并且碰撞選頻表面18，該表面18具有共振頻率(或頻帶)f2。所有其他的頻率，即f1、f3被允許經(jīng)過選頻表面18并且被吸收材料42吸收。從選頻表面18反射的頻率f2碰撞在選頻表面20上。頻率f2再一次被選頻表面20反射，該表面20具有與選頻表面18相同的共振頻率。頻率f2被選頻表面20反射到接收天線16。接收天線16接收的信號(hào)僅僅包括頻率f2，因此用作為帶通濾波器40。金屬隔板44防止在傳播電磁信號(hào)30(包括f1、f2、f3)和接收天線16的接收信號(hào)f2之間的任何干擾以及在發(fā)射天線14和接收天線16之間的內(nèi)部耦聯(lián)。
在如圖2所述的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，兩個(gè)選頻表面18、20相對(duì)于微帶天線14、16成45°放置并且相互間為90°。
圖3說明本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例，一個(gè)特別的組合陷波和帶通濾波器50。組合陷波和帶通濾波器50包括金屬外殼12、微帶天線14、16、52以及選頻表面18。微帶天線14作為發(fā)射天線并且發(fā)射頻率(或頻帶)f1、f2。選頻表面18具有一個(gè)等于f2的共振頻率，因此允許頻率f1經(jīng)過并且在微帶天線16接收，而頻率f2被反射并且在微帶天線52接收。在微帶天線16接收的信號(hào)如圖4(a)所述是陷波信號(hào)，而在微帶天線52接收的信號(hào)如圖4(b)所述是帶通信號(hào)。
如上所述，具有任何類型所需響應(yīng)的濾波器可以使用上述的主要部件構(gòu)造。另外，根據(jù)上述構(gòu)造的濾波器具有優(yōu)于常規(guī)表面聲波(SAW)或微帶濾波器的減少的輻射泄漏和損耗。另外根據(jù)上述構(gòu)造的濾波器也允許在毫米波范圍內(nèi)工作。
圖5說明本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，一個(gè)特別的延遲電路60，它包括金屬外殼12、兩個(gè)微帶天線14、16以及介電材料14。在延遲電路60中，介電材料14的介電常數(shù)越高，電磁信號(hào)30傳播得越慢。通過控制介電常數(shù)，人們能夠設(shè)計(jì)延遲電路60，該電路將電磁信號(hào)30延遲所需的時(shí)間。
如上所述，具有任何延遲時(shí)間長(zhǎng)度的延遲電路可以使用上述主要部件構(gòu)造。另外，根據(jù)上述構(gòu)造的延遲電路具有優(yōu)于常規(guī)延遲電路的減少的輻射泄漏、改進(jìn)的性能以及較小的尺寸。
權(quán)利要求
1.一種濾波器，包括一個(gè)外殼；在所述金屬外殼內(nèi)的一種介電材料；在所述金屬外殼內(nèi)的至少兩個(gè)微帶天線；以及在所述外殼內(nèi)的并且被所述介電材料封裝的至少一個(gè)包括金屬圖案的選頻表面。其中所述至少一個(gè)選頻表面嵌入在所述介電材料中；其中所述金屬外殼封裝所述至少一個(gè)選頻表面；其中所述至少一個(gè)選頻表面濾波所述金屬外殼內(nèi)傳播的電磁信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其中濾波器是一個(gè)可逆電路。
3.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其中所述至少兩個(gè)微帶天線中的每一個(gè)包括導(dǎo)體和接地面。
4.如權(quán)利要求3所述的濾波器，其中所述金屬外殼的兩個(gè)壁的每一個(gè)作為接地面用于所述至少兩個(gè)微帶天線的每一個(gè)。
5.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其中金屬圖案周期地重復(fù)并且至少具有一個(gè)共振頻率。
6.如權(quán)利要求5所述的濾波器，其中在所述至少一個(gè)選頻表面的每一個(gè)上的金屬圖案是正方形、圓形、矩形、同心環(huán)、雙正方形、柵格正方形和耶路撒冷十字形之一。
7.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其中所述金屬外殼屏蔽該濾波器。
8.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其中在所述至少一個(gè)選頻表面的每一個(gè)上的金屬圖案反射至少一個(gè)頻率。
9.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其中電磁信號(hào)是微波或毫米波信號(hào)。
10.如權(quán)利要求9所述的濾波器，其中所述至少兩個(gè)微帶天線的每一個(gè)和所述至少一個(gè)選頻表面的每一個(gè)被大致上安排在并行的平面上。
11.如權(quán)利要求10所述的濾波器，其中濾波器是一種陷波濾波器。
12.如權(quán)利要求8所述的濾波器，其中所述至少兩個(gè)微帶天線包括被一個(gè)隔板分開的兩個(gè)微帶天線，一個(gè)作為沿著信號(hào)路徑的若干頻率的發(fā)射機(jī)，另一個(gè)作為一個(gè)特定頻帶的接收機(jī)；其中所述至少一個(gè)選頻表面包括兩個(gè)選頻表面，相對(duì)于信號(hào)路徑呈銳角安排，一個(gè)選頻表面接收來(lái)自發(fā)射機(jī)的若干頻率而沿第二個(gè)選頻表面反射特定的頻帶到接收機(jī)。
13.如權(quán)利要求12所述的濾波器，其中濾波器是一個(gè)可逆電路。
14.如權(quán)利要求12所述的濾波器，其中若干頻率的剩余部分通過第一個(gè)選頻表面并且被吸收材料吸收。
15.如權(quán)利要求12所述的濾波器，其中濾波器是一個(gè)帶通濾波器。
16.如權(quán)利要求8所述的濾波器，其中所述至少兩個(gè)微帶天線包括三個(gè)微帶天線、一個(gè)作為沿著信號(hào)路徑的若干頻率的發(fā)射機(jī)，兩個(gè)作為接收機(jī)；其中所述至少一個(gè)選頻表面包括一個(gè)選頻表面，相對(duì)于信號(hào)路徑呈銳角安排，選頻表面接收來(lái)自發(fā)射機(jī)的若干頻率并且反射一個(gè)特定的頻帶到第一個(gè)接收機(jī)，除了特定頻帶的頻率其余部分到達(dá)第二個(gè)接收機(jī)。
17.如權(quán)利要求16所述的濾波器，其中濾波器是一個(gè)組合陷波和帶通濾波器。
18.一種濾波電磁信號(hào)的方法，包括步驟電磁信號(hào)通過一種介電材料、至少兩個(gè)微帶天線以及還包括一個(gè)金屬圖案的至少一個(gè)選頻表面；以及使用至少一個(gè)選頻表面的金屬圖案濾波電磁信號(hào)。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括步驟在通過和濾波步驟期間屏蔽電磁信號(hào)。
20.一種延遲電路，包括一個(gè)外殼；在所述外殼內(nèi)的一種介電材料；以及在所述金屬外殼內(nèi)的至少兩個(gè)微帶天線；其中所述至少兩個(gè)微帶天線延遲所述外殼內(nèi)傳播的電磁信號(hào)。
21.如權(quán)利要求20所述的延遲電路，其中延遲是介電材料的介電常數(shù)的函數(shù)。
22.如權(quán)利要求20所述的延遲電路，其中所述至少兩個(gè)微帶天線的每一個(gè)包括一個(gè)導(dǎo)體和一個(gè)接地面。
23.如權(quán)利要求22所述的延遲電路，其中所述金屬外殼的兩個(gè)壁的每一個(gè)作為接地面用于所述至少兩個(gè)微帶天線的每一個(gè)。
24.如權(quán)利要求20所述的延遲電路，其中所述外殼屏蔽延遲電路。
25.如權(quán)利要求20所述的延遲電路，其中電磁信號(hào)是一種微波或毫米波信號(hào)。
26.如權(quán)利要求20所述的延遲電路，其中所述至少兩個(gè)微帶天線的每一個(gè)被大致上安排在并行的平面上。
27.一種延遲電磁信號(hào)的方法，包括步驟電磁信號(hào)通過一種介電材料和至少兩個(gè)微帶天線；以及使用介電材料延遲電磁信號(hào)。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括步驟在通過和延遲步驟期間屏蔽電磁信號(hào)。
全文摘要
一種濾波器包括一個(gè)金屬外殼、在金屬外殼內(nèi)的一種介電材料、外殼內(nèi)的至少兩個(gè)微帶天線以及包括金屬圖案的至少一個(gè)選頻表面。利用選頻表面以濾波在外殼內(nèi)傳播的電磁信號(hào)。天線的幾何圖形和選頻表面以及選頻表面的共振頻率確定濾波器是一種帶通、帶阻、陷波或組合濾波器。如果省略選頻表面,該組合作為一種延遲電路用于延遲電磁信號(hào),其中時(shí)間延遲是介電材料的介電常數(shù)的函數(shù)。
文檔編號(hào)H01Q15/22GK1248095SQ99110459
公開日2000年3月22日 申請(qǐng)日期1999年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月15日
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