專利名稱：諧振器、濾波器、天線共用器和通信裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及諧振器、濾波器、天線共用器和通信裝置，用于無線通信中或者在如微波或毫米波頻帶中發(fā)送/接收電磁波。
背景技術：
作為用于微波或毫米波頻帶內(nèi)的諧振器，日本未審查專利申請公開號為62-193302的申請中揭示的發(fā)夾式諧振器是眾所周知的。發(fā)夾式諧振器的優(yōu)點是它比用線性伸展導線的諧振器小。
日本未審查專利申請公開號為2002-49512的申請中揭示了通過薄膜微制造技術形成的平面電路型多C環(huán)諧振器。多C環(huán)諧振器的優(yōu)點是它比日本未審查專利申請公開號為62-193302的申請中揭示的發(fā)夾式諧振器具有更高的導體Q因子。
日本未審查專利申請公開號為2000-244213的申請中揭示了通過薄膜微制造技術形成的平面電路型多螺旋線諧振器。在這種類型的諧振器中，流過相應導線的電流相互分布相似，從而可以獲得比發(fā)夾式諧振器獲得的導體Q因子更高的導體Q因子。
盡管日本未審查專利申請公開號為2000-244213的申請中揭示的多螺旋線諧振器具有高導體Q因子的優(yōu)點，然而缺點在于需要高成本用薄膜微制造過程來生產(chǎn)它。當要求減小諧振器的尺寸時，也要求更精細的制造，從而增加了生產(chǎn)成本。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種諧振器、濾波器、天線共用器和通信裝置，它具有小尺寸和高導體Q因子，并且可以以合理的低成本來生產(chǎn)。
發(fā)明揭示為了達到上述目的，本發(fā)明提供了包括一個或多個環(huán)形諧振元件的諧振器，各諧振元件包括一條或多條導線，各諧振元件具有一個電容部分和一個電感部分，電容部分通過定位導線的端部部分而形成，以便使一根導線的一端和同一導線的另一端在寬度方向緊密相鄰，或者使一根導線的一端和包括在同一諧振元件中的另一導線的一端在寬度方向緊密相鄰。
在這種結構中，電容性部分起到電容的作用，而各導線起到半波傳輸線的作用，導線兩端是電氣上開路的。不必要在其上形成導線的表面對面的襯底表面上形成接地電極。因此，可以以低成本生產(chǎn)具有期望導體Q因子并具有包括少量組成元件的簡單結構的諧振器。
在按照本發(fā)明的這種諧振器中，諧振元件可以包括多個導線和多個電容性部件。
在按照本發(fā)明的諧振器中，導線可以在平面型襯底上形成。在這種結構中，不必要在其上形成導線的表面對面的襯底表面上形成接地電極。這可以以低成本用很少量的組成元件生產(chǎn)諧振器。通過形成導線以便各導線的端部在寬度方向上緊密相鄰，于是能獲得較大的電容，該電容比各導線的端部在長度方向上緊密相鄰的結構所能獲得的電容大。這可以減小諧振器的大小。
在按照本發(fā)明的諧振器中，襯底構件可以以實心圓柱體或空心圓柱體的形狀來形成，而導線可以圍繞襯底構件的側面而形成。這能將本發(fā)明用于圓柱體結構。
導線的端部可以互相緊密相鄰，以便端部形成交叉指型變換器。這能使在寬度方向上緊密相鄰的導線端部的長度減少，并從而減少諧振器的總尺寸。
在按照本發(fā)明的諧振器中，一些或全部導線的寬度以及一些或全部相鄰導線間的間隔可被設為等于或小于導體的趨膚深度。這使由趨膚效應和邊緣效應引起的電流濃度的減少，并從而增加諧振器的導體Q因子。
在按照本發(fā)明的諧振器中，在寬度方向彼此相鄰的導線間的間隔可以被設為等于或小于導線的趨膚深度。這使由邊緣效應產(chǎn)生的電流濃度減少，并從而增加了諧振器的導體Q因子。
在按照本發(fā)明的諧振器中，在寬度方向彼此相鄰的導線間的間隔可被設為大致恒定。這能在與適用于形成最小圖案的條件相同的條件下用微制造工藝形成全部導線，從而能以高效方式生產(chǎn)具有高導體Q因子的諧振器。
在按照本發(fā)明的諧振器中，可以以通過交替形成層疊的電介質(zhì)薄膜層和導電薄膜層而獲得的薄膜多層電極的形式產(chǎn)生導線。這不僅使導線寬度方向上由邊緣效應引起的電流濃度減少，也使導線厚度方向上由趨膚效應引起的電流濃度減少。因此，可以進一步增加諧振器的導體Q因子。
在按照本發(fā)明的諧振器中，在寬度方向上彼此相鄰的導線間的間隔可以用電介質(zhì)材料來填充。這導致諧振器相鄰導線間形成的電容增加，從而能減少寬度方向上緊密相鄰的導線端部的長度，并能減少諧振器的尺寸。
本發(fā)明也提供了包括以上述形式之一構造的諧振器的濾波器，以及信號輸入/輸出裝置，該裝置形成在與其上形成諧振器并與諧振器耦合的襯底相同的襯底上。該諧振器可以以小的形狀生產(chǎn)并具有低插入損耗。
本發(fā)明也提供了一種天線共用器，它包括上述用作發(fā)射濾波器或接收濾波器或用作兩者的濾波器。該天線共用器的優(yōu)點是具有低插入損耗。
本發(fā)明也提供了一種至少包括上述濾波器或天線共用器的通信裝置。該通信裝置的優(yōu)點是在RF發(fā)射和接收電路中具有低插入損耗，并且具有用如噪聲特性和傳輸速率表示的高傳輸性能。
附圖簡述

圖1是按照本發(fā)明第一實施例的諧振器結構圖。
圖2是在圖所示諧振器的導線兩端附近區(qū)域中電場分布圖，并且還顯示了流經(jīng)導線的電流分布圖。
圖3是按照本發(fā)明第二實施例的諧振器結構圖。
圖4是按照本發(fā)明第三實施例的諧振器結構圖。
圖5是按照本發(fā)明第三實施例的諧振器中電流分布圖。
圖6是按照本發(fā)明第四實施例的諧振器結構圖。
圖7是按照本發(fā)明第五實施例的諧振器結構圖。
圖8是按照第一實施例的諧振器中電場分布和電流方向的示例圖。
圖9是按照本發(fā)明第五實施例的諧振器的導線圖案的示例圖。
圖10是按照本發(fā)明第六實施例的諧振器結構圖。
圖11以放大方式示出按照本發(fā)明第六實施例的諧振器的各部分。
圖12是按照本發(fā)明第七實施例的諧振器的導線圖案示例圖。
圖13是按照本發(fā)明第八實施例的諧振器的導線截面結構圖。
圖14是按照本發(fā)明第九實施例的諧振器結構圖。
圖15是按照本發(fā)明第十實施例的諧振器結構圖。
圖16是按照本發(fā)明第十一實施例的濾波器結構圖。
圖17是按照本發(fā)明第十二實施例的濾波器結構圖。
圖18是按照本發(fā)明第十三實施例的濾波器結構圖。
圖19是按照本發(fā)明第十三實施例的濾波器導線圖案示例圖。
圖20是按照本發(fā)明第十四實施例的天線共用器的結構框圖。
圖21是按照本發(fā)明第十五實施例的通信裝置的結構框圖。
實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式下面參考結合附圖的優(yōu)選實施例描述了按照本發(fā)明的諧振器、濾波器、天線共用器和通信裝置。
<第一實施例>
圖1說明了按照本發(fā)明第一實施例的諧振器的配置，更明確地說，圖1(A)是諧振器的俯視圖，圖1(B)是其剖面圖。
如圖1所示，諧振器包括電介質(zhì)襯底(下文中，簡稱為襯底)1和在襯底1上表面上形成的導線2。在其上形成導線2的表面相對的襯底1的下表面上未形成任何接地電極。導線2具有恒定寬度并且沿著環(huán)的整個一圈周長而延伸。導線2具有兩個端部，它們額外延伸并且被定位以便在寬度方向彼此緊密相鄰。更明確地說，在圖1(A)中圓周包圍的區(qū)域中，導線的一端x1和另一端x2在寬度方向上彼此緊密相鄰。
圖2說明了上述諧振器的操作，更明確地說，圖2(A)說明了導線端部在這些位置處彼此相鄰的四個位置A、B、D和E，也說明了導線的長度中心位置C，圖2(B)說明了在導線兩端緊密相鄰的區(qū)域中電極的場分布，而圖2(C)說明了沿著導線的電流分布。
如圖2(B)所示，與在其它區(qū)域中相比，電場強度在導線兩端x1和x2在寬度方向上緊密相鄰的區(qū)域中具有很大的強度。此外，在導線一端和與導線另一端部x1緊密相鄰的部分x11之間的區(qū)域中，以及在導線另一端和與導線端部x1緊密相鄰的部分x21之間的區(qū)域中，電場強度也很大。在電場強度變高的區(qū)域中形成電容。
如圖2(C)所示，電流強度改變，以便它在從位置A到位置B的區(qū)域中突然增加，且在從位置B到位置D的區(qū)域中具有大致恒定的值。在從位置D到位置E的區(qū)域中，電流強度突然減小。電流強度在兩端都為0。因此，從A到B區(qū)域中的導線部分以及從D到E區(qū)域中的導線部分起到電容部分的作用，其中導線的兩個端部在寬度方向上緊密相鄰，而其余從B到D區(qū)域中的部分起到電感部分的作用。電容部分和電感部分間的合作結果是產(chǎn)生諧振。和集總常數(shù)電路類似，諧振器可視為具有LC諧振電路的形式。
下文中，上述由導線形成的包括電容部分和電感部分的環(huán)形元件將被稱作諧振元件。
<第二實施例>
圖3說明了按照本發(fā)明第二實施例的諧振器的配置，更明確地說，圖3(A)是諧振器的俯視圖，圖3(B)是其截面圖。
不像圖1所示的諧振器通過在襯底1上形成單根導線2來實現(xiàn)，在圖3所示的諧振器中，諧振器是通過在襯底1的上表面上形成包括三根導線2a、2b和2c的一組導線12來實現(xiàn)的。襯底1的下表面上不形成任何接地電極。
也就是說，按照本實施例，可以通過僅在襯底上形成導線而不在與其上形成導線的表面相對的表面上形成接地電極，從而構造諧振器。當然，接地電極可以在與其上形成導線的表面相對的表面上形成。如果形成了接地電極，則它用作電磁場的屏蔽。這能在諧振器內(nèi)實現(xiàn)簡單的屏蔽結構。
同樣在下述實施例中，襯底下表面上不形成接地電極。在各導線中，定位其兩個端部以便在寬度方向上緊密相鄰，從而在導線端部形成電容部分。因此，三根導線2a、2b和2c的每一根都形成一個諧振元件。三根導線2a、2b和2c大致以襯底1上的特定點O為共同中心，以便三根導線2a、2b和2c并不互相交叉。由相應導線2a、2b和2c的三個諧振元件形成一個諧振器。
盡管相鄰導線彼此緊密相鄰，然而在除形成電容部分的區(qū)域之外，在形成電感部分的區(qū)域內(nèi)相鄰導線間基本不形成電容。這是因為正負電荷僅存在于端部(電容部分)，而在電感部分中基本沒有電荷，如圖2(B)所示。不存在電荷導致相鄰導線間沒有位移電流流過。因此，即使當諧振器包括許多諧振元件時，電容部分和電感部分也能正確地運行。
在該例中，形成導線2a、2b和2c的電容部分(在圖中圓周包圍的區(qū)域內(nèi))，以便它們彼此緊密相鄰，并且它們經(jīng)過通過由導線形成的環(huán)的中心O的直線L而延伸。
由第二實施例的諧振器獲得的優(yōu)點如下。
(1)各導線起到半波傳輸線的作用，它們兩端是電子開路的。在本例中，各導線形成一個諧振元件。
(2)各導線的一端產(chǎn)生正電荷而導線的另一端產(chǎn)生負電荷，從而在導線兩端彼此緊密相鄰的區(qū)域中形成電容。
(3)由于電容在單個平面內(nèi)形成，因此不需要在襯底的后表面(下表面)上形成接地電極就可以獲得諧振。
(4)流經(jīng)導線的電流強度由相應導線的電容來確定。
(5)流經(jīng)各導線的電流感應出與圓周TE01δ模式相似的方式分布的磁場。更明確地說，磁場以繞軸的對稱方式沿著rz平面內(nèi)的圓周路徑而延伸。
(6)總電流分布在許多導線中，以便流經(jīng)相鄰導線的分布電流的相位大致相等。由于在導線間分布電流，因而減小了端部和相鄰區(qū)域內(nèi)的大電流強度，從而改進了導體Q因子。
(7)由于相應諧振元件的電容部分彼此緊密相鄰，因此諧振器的電容集總在多個導線的特定局部區(qū)域中，電容部分和電感部分可以實現(xiàn)指定功能。這能容易地設計諧振器和另一使用諧振器的電路之間的連接。
<第三實施例>
圖4說明了按照本發(fā)明第三實施例的諧振器的配置，更明確地說，圖4(A)是諧振器的俯視圖，圖4(B)是其截面圖。
在該第三實施例中，各導線2a、2b和2c的兩端被定位以便在寬度方向上緊密相鄰，其中，在圖4(A)中G表示的位置處，導線2a、2b和2c的一端通過具有特定間隙距離的間隙與另一相鄰導線的另一端相對。這種模式等價于通過在特定位置處(由圖4(A)中的G表示)部分切開螺旋形的導線而獲得的模式。更明確地說，各諧振元件電容部分的位置(在圖4(A)中橢圓包圍的區(qū)域中形成)在圓周方向上相對于相鄰諧振元件電容部分的位置被略微移位。換句話說，隨著諧振元件徑向位置的改變，電容部分的位置在圓周方向上移位。
上述結構允許包括許多線的導線組12被安排在有限區(qū)域內(nèi)，可能減少諧振器的總尺寸。
此外，相鄰導線間的間隔在導線的全長上保持在小的固定值，導線全長上由邊緣效應引起的電流局部增加可以被最小化，從而改進了導體Q因子。
下面描述按照第三實施例包括多個諧振元件的諧振器之間的分析性比較以及多螺旋線諧振器的實例。在第三實施例中，各諧振元件包括高阻抗的電感部分以及低阻抗的電容部分，其中阻抗以分級方式突然改變。因此，下文中，各諧振元件被稱為分級環(huán)，而包括多個諧振元件的諧振器被稱為多分級環(huán)諧振器。
圖5(A)是在rz平面示出圖4所示諧振器的截面圖一邊的視圖。導線組12在襯底1的上表面上形成，襯底1和其上形成的導線組12被包圍在屏蔽空腔3中。導線2的物理尺寸列示如下。
內(nèi)徑ra＝250μm；外徑rb＝1000μm；
導線寬度Lo＝1.5μm；相鄰導線間隔So＝1.5μm；線厚度t＝5μm；線數(shù)目n＝250圖5(B)說明了導線徑向上的電流分布。圖5(B)中，(1)表示多分級環(huán)諧振器中的電流分布，而(2)表示包括以螺旋線形式排列的一組導線的多螺旋線諧振器中的電流分布，該多螺旋線諧振器在日本未審查專利申請公開號為2000-244213的申請中揭示。
電流如下進入相應的導線。
(1)在多分級環(huán)諧振器中，電流如下進入導線電流順序ik＝4[mA]總電流I＝1[A](2)在多螺旋線諧振器中，電流如下進入導線電流順序(見圖5(B))最大值＝約8[mA]最小值＝0[A]平均＝4[mA]總電流I＝1[A]在多分級環(huán)諧振器的情況下，如上(1)中所述并能從圖5(B)中所見，電流相等地流經(jīng)所有導線。相反，在多螺旋線諧振器的情況下，如上(2)中所示，流經(jīng)導線的電流根據(jù)它們在徑向的位置而改變，改變方式是電流從徑向一端的0增加到從中心位置沿徑向向外略微移位的位置處的峰值，且電流從峰值降低到另一端的0。在多分級環(huán)諧振器中，電流如上所述相等地流經(jīng)所有導線，從而可以使這組導線的總導電損耗最小。因此，可以實現(xiàn)具有高導體Q因子的諧振器。
上述諧振器的導體Q因子、磁能和電感可以如下計算。
存儲的磁能Wm由下式給出Wm＝LI2/2而總電流(有效值)I由下式給出I＝∑ik(k＝1到n)。
從上面兩個公式可以得到諧振器的電感LL＝2Wm2/I2
這里，如果導體Q因子表示為Qc，則可以如下為相應諧振器計算上述Qc和其它參數(shù)。
(1)多分級環(huán)諧振器經(jīng)計算的值。
Qc＝250；Wm＝1.96nJL＝0.98nH(2)多螺旋線諧振器經(jīng)計算的值Qc＝219；Wm＝3.17nJL＝1.58nH在上述計算的基礎上，可以如下設計多分級環(huán)諧振器電容部分的物理尺寸。
例如，在設計諧振器具有2GHz諧振頻率的情況下，對于電感值0.98nH，電容必須等于6.45pF。如果假定導線間1.5μm的間隔的有效相對介電常數(shù)為40，則為了獲得6.45pF的電容，電容部分必須具有總長為5.47mm。如果總電容6.45pF相等地分布在250個分級環(huán)中，則各電容部分的長度Wg被設為5.47mm/250＝21.9μm。
<第四實施例>
圖6示出按照本發(fā)明的第四實施例的諧振器結構。
在按照第四實施例的這個諧振器，三條導線2a、2b和2c的每條形成諧振元件。然而，在導線2b中，端部d1、d2、d3和d4被定位，以便在圖6所示電路中包圍的區(qū)域內(nèi)在寬度方向上相鄰。也就是說，那些端部形成叉指式換能器(IDT)，其中兩個梳狀端部交叉指形地互相嚙合。
這種IDT結構的使用能夠在有限區(qū)域內(nèi)獲得高容量。因此，可以用減少了的導線長度來獲得期望的諧振頻率。也就是說，可以減少導線組12形成所占用的總區(qū)域，從而減少諧振器的總尺寸。而且，由于相鄰諧振元件間的間隔被保持在固定值，因此由于邊緣效應引起的電流濃度在導線的全部長度上被減弱，從而增加了導體Q因子。
此外，由于導線2b位于導線組寬度方向上的中心(在存在三條導線的情況下，為三條導線的中央導線)，該導線組的寬度大于位于最內(nèi)和最外位置處的導線2a和2c的寬度，由邊緣效應引起的電流濃度尤其在會發(fā)生高電流濃度的區(qū)域內(nèi)可被有效地抑制。
<第五實施例>
現(xiàn)在，參考圖7到9，下面描述了按照第五實施例的諧振器。
盡管上面描述了第一到第四實施例，各諧振元件的形狀為使用單根導線的環(huán)，然而不必要要求每個諧振元件都包括單根導線，各諧振元件可以包括多根導線。也就是說，一個諧振元件可以包括多個電容部分和多個電感部分。例如，如圖7所示，諧振元件可以是使用兩根導線的環(huán)形。在圖7(A)所示實例中，兩根導線2a和2b各具有部分環(huán)形，其長度略微大于介質(zhì)襯底1上形成的完全環(huán)的長度的一半。或者，諧振元件可以用三根導線形成，各具有部分環(huán)的形狀，其長度略微大于完全環(huán)的長度的三分之一。在這種情況下，三個電容部分在完全環(huán)長度內(nèi)形成。
在圖7(A)所示實例中，導線2a的一端xa1和導線2b的一端xb1被定位，以便在寬度方向上互相緊密相鄰。同樣，導線2a的另一端xa2和導線2b的另一端xb2被定位，以便在寬度方向上緊密相鄰。兩個電容部分在兩組端部相鄰的相應區(qū)域內(nèi)形成。因此，各導線2a和2b起到半波傳輸線的作用，其兩端都是電開路的。
圖7(B)示出由圖7(A)所示的兩個諧振元件形成的諧振器實例。導線2a的兩端和導線2b的兩端被定位，以便彼此緊密相鄰，從而形成兩個電容部分。同樣，導線2c的兩端和導線2d的兩端被定位，以便彼此緊密相鄰，從而形成兩個電容部分。這樣，電容部分在圖7(B)所示的橢圓包圍的四個區(qū)域內(nèi)形成。在該結構中，布置導線2a、2b、2c和2d，以便一個諧振元件的導線的一端與另一諧振元件的導線的一端通過在G表示的位置處具有特定間隙距離的間隙而相對。相鄰諧振元件間的間隔被保持在固定值。因此，如圖4中的實施例所示，由邊緣效應引起的電流濃度在導線的全長上被減弱，并且增加了導體Q因子。
圖8示出圖7(B)所示諧振器的操作，其中圖8(A)示出相鄰導線和方向間電場分布的實例，其中電流流經(jīng)相應的導線；而圖8(B)示出沿圖8(A)中的線A-A截取的橫截面上的磁場分布。在圖8(A)和8(B)中，E、H和I分別表示電場、磁場和電流。
如圖8(A)和8(B)所示，電場集中在導線端部在導線寬度方向上彼此緊密相鄰的區(qū)域內(nèi)。這意味著在電容部分形成的區(qū)域中，導線端部在導線的寬度方向上彼此緊密相鄰，電流流經(jīng)的導線的其它部分起到電感部分的作用。
圖9示出三組諧振元件各包括四條導線的實例。圖9中，四條導線2a、2b、2c和2d形成第一諧振元件，四條導線2e、2f、2g和2h形成第二諧振元件，四條導線2i、2j、2k和2l形成第三諧振元件。
在具有圖9所示結構的諧振器內(nèi)，與各導線由完全一周環(huán)組成并還延伸兩個端部的結構類似，隨著電容部分的圓周方向上相對長度的減少，電容部分以更類似于集總常數(shù)電容的方式起作用，并且波節(jié)和波腹都不會出現(xiàn)在流經(jīng)充當導線電感部分的另一端的電流分布中。電流流經(jīng)同一圓周方向上的所有導線。由相應電流引起的磁矢量間的互感使磁能以有效方式被存儲。
由于電流分布在導線中，因此由微帶傳輸線中發(fā)生的邊緣效應產(chǎn)生的電流濃度被減弱，從而減少了導體損耗。
此外，下面描述的優(yōu)點通過將多個電容部分定位在各導線的圓周方向上而獲得。
也就是說，當設計了在毫米波頻帶中較高頻率處使用的高頻電路時，充當導線電容部分的端部的長度被減少，而保持襯底上形成的諧振器給定的特定尺寸(其中諧振器尺寸可以用諧振器形成的大致圓形區(qū)域的直徑或者用諧振器占據(jù)的面積來表示)。在設計這種高頻電路時，微制造工藝中為生產(chǎn)諧振器所需的精確度隨著頻率的增加而變得更為嚴格。在本實施例中，上述問題可以通過下面的說明來避免。也就是說，一周環(huán)導線被分成多根導線。因此，原始一周環(huán)導線的電容部分也被分成多個電容部分。也就是說，多個電容部分在環(huán)的一個完整周期內(nèi)形成，總導線的有效電容由多個電容部分的電容串聯(lián)給出。因此，可以增加每電容部分的電容，而將有效電容保持在期望值。
例如，當電容部分被分成兩部分時(也就是說，當諧振元件由兩根導線形成時，兩根導線位于環(huán)的一個完整周，以便諧振元件包括兩個電容部分)，電容為C1和C2的電容部分串聯(lián)的有效電容C由下式給出C＝1/(1/C1+1/C2)在其中電容部分被分成電容為C1、C2和C3的三部分的情況下，其串聯(lián)的有效電容C由下式給出C＝1/(1/C1+1/C2+1/C3)<第六實施例>
參考圖10和11，下面描述了按照第六實施例的諧振器。圖10(A)是按照第六實施例的諧振器的頂視圖，圖10(B)是其截面圖，圖10(C)是圖10(A)中圓周包圍部分的放大視圖，圖10(D)是沿圖10(A)的直線A-A’截取的截面圖。為了方便說明圖10(C)和10(D)，示出比實際導線數(shù)目較少的導線數(shù)目。圖11是諧振器的放大視圖。
圖11中，位于多根導線最里面的導線的端部用圓周IE表示，位于最外面位置處導線的端部用圓周OE表示。圓周G所示區(qū)域中，導線的端部通過具有特定間隙大小的間隙互相相對。
如圖10所示，一組導線形成在襯底1的上表面上。其結構基本類似于圖4所示的結構。然而，在圖10所示的該例中，形成導線組12，以便導線寬度根據(jù)導線在寬度方向上(沿直線A-A’)的位置而改變，其方式是位于中心的導線具有最大寬度，而寬度隨著導線位置往里或往外而減小。導線組12通過微制造技術方式而形成，使得位于最外和最內(nèi)位置處(在徑向)的導線寬度等于或小于導線的趨膚深度，并且使得任何相鄰導線間的間隔等于或小于導線的趨膚深度。例如，銅(電導率約為53MS/m)的趨膚深度在2GHz處約為1.5μm，因此最內(nèi)或最外位置處的導線寬度以及任何相鄰導線間的間隔被確定為等于或小于1.5μm。
通過將在導線組12的寬度方向上最內(nèi)或最外位置處的導線寬度以及任何相鄰導線間的間隔設定為等于或小于趨膚深度，則能夠有效地降低由導線組12端部的趨膚效應引起的電流濃度。此外，通過將導線組12寬度方向中心附近的導線寬度設為較大的值，可以增加流經(jīng)受到較少邊緣效應的導線的電流，從而獲得較高的導體Q因子。
在本例中，形成導線組12，以便各導線具有大致矩形的形狀。與圓形所能獲得的相比，這導致存儲諧振磁能的開口面積增加。因此，可以減小其中形成導線組12的區(qū)域。此外，使矩形的角為弧形，以便導線沒有突然彎曲的部分，從而防止電流集中在導線內(nèi)突然彎曲的部分中，且從而防止導體Q因子的降低。
<第七實施例>
圖12說明了按照第七實施例的諧振器結構。同樣在該實施例中，諧振器包括多個諧振元件，其結構基本類似于圖7(B)所示的結構，除了形成導線組使得導線寬度根據(jù)徑向位置而改變之外，其方法是寬度在中心處具有最大值，而往里和往外的位置處減小。在該諧振器中，不像圖10所示的諧振器那樣，各諧振元件包括兩條導線。在圖12所示實例中，導線2a和2b形成第一諧振元件，導線2c和2d形成第二諧振元件，導線2e和2f形成第三諧振元件，導線2g和2h形成第四諧振元件。也就是說，四個諧振元件形成一個諧振器。
導線通過微制造技術方式而形成，使得位于最外和最內(nèi)位置處的導線寬度等于或小于導線的趨膚深度，并且使得任意相鄰導線間的間隔等于或小于導線的趨膚深度。在以上述方式構造的該諧振器中，如圖10所示的諧振器中，可以有效地減少由導線組端部中趨膚效應產(chǎn)生的電流濃度，從而使諧振器能具有較高的導體Q因子。
為了增加導線組的導體Q因子，需要控制流經(jīng)相應導線的電流分布。在本發(fā)明中，流經(jīng)相應導線的電流通過調(diào)節(jié)相應導線電容部分的電容而控制，考慮到下列因素。
(1)由趨膚效應和邊緣效應引起的導體損耗基本由表面或邊緣的電流濃度產(chǎn)生。因此，需要使電流幅度分布變平，從而使磁能分布變平。
(2)諧振器的最佳設計降低，為根據(jù)電流分布和磁能分布確定相應導線的最佳寬度，從而獲得一系列最佳電流幅度。
(3)換句話說，簡單地將導線分成多根具有相同小寬度的導線不會導致導體Q因子的增加。根據(jù)一系列電流，導線的劃分會導致?lián)p耗增加。而且，導線必須有控制機制來獲得一系列最佳電流。
不幸的是，最佳解決方案不能以單一數(shù)學函數(shù)來表示。因此，需要通過迭代計算來確定較好結構。下面描述了以迭代計算為基礎的設計方針。
(1)當以垂直于電流通路的截面觀察該結構時，該結構包括多根線。導線寬度從中心處的極大值向兩端位置單調(diào)減少。該最佳系列電流通過使用FEM仿真器的迭代計算而確定。
(2)為了確定該最佳系列電流，一系列關于導線耦合的電容被確定。該最佳系列電容可以通過解決特征值問題來確定，使得特征矩陣具有期望系列電流作為特征向量，該矩陣的計算通過組合電感矩陣和電容矩陣而計算，電感矩陣包括指示相應導線自感的元素和指示導線間互感的元素，電容矩陣包括指示該期望系列電容的對角元素，該矩陣以所需的一系列電流作為特征向量。定性而言，該電容系列的確定是通過流經(jīng)相應導線的電流隨著相應的電容而改變。
<第八實施例>
圖13說明了按照第八實施例的諧振器結構，其中導線組12形成在一襯底上，該襯底以圖13(A)到13(D)的放大形式部分地說明。圖13(A)示出比較實例。在圖13(A)所示的諧振器中，類似于圖10或11所示導線組的一組導線12形成在襯底1的上表面。相反，在圖13(B)所示的諧振器中，導線組12的構成使得各導線的形式為薄膜多層電極，它通過以一層疊另一層的方式交替形成介質(zhì)薄膜層12b和導電薄膜層12a而形成。通過以薄膜多層電極的形式構造各導線，可以減少由磁場從下或從上注入而產(chǎn)生的趨膚效應，從而改進襯底和導線界面處以及導線和空氣界面處的導體Q因子。
在圖13(C)所示實例中，導線組12的相鄰導線間的間隔用介質(zhì)材料4填充。這導致諧振元件電容部分電容的增加，從而可以減少各電容部分的長度以及諧振器的總尺寸。
在圖13(D)所示實例中，各導線組12以薄膜多層電極的形式構造，相鄰導線間的間隔用介質(zhì)材料4填充。在這種結構中，可以實現(xiàn)通過使用薄膜多層電極而獲得的優(yōu)點以及通過用介質(zhì)材料填充間隔而獲得的優(yōu)點。
<第九實施例>
現(xiàn)在參考圖14和15，下面描述了按照第九實施例的諧振器。
圖14(A)是按照第九實施例的諧振器的正視圖，圖14(B)是其左側視圖。圖14(c)是示出包括在諧振器內(nèi)的一根導線的透視圖。如圖14所示，導線2形成在圓柱形介質(zhì)襯底元件11的側面上，從而形成了多個諧振元件。更明確地說，如圖14(C)所示，各諧振元件通過在襯底元件11的側面周圍形成導線2而產(chǎn)生，長度為一整周加上端部，其中端部被定位以便它們在寬度方向上彼此相鄰。在該例中，形成導線2以便所有導線2具有相同的圖案，其中導線2被定位使得它們彼此不重疊，并且使得諧振元件的電容部分在導線周長方向上從一根導線略微移位到另一根。
本諧振器等價于一個諧振器，該諧振器通過將包括平面坐標系中在平面襯底上形成的導線的諧振器映射到包括圓柱坐標系中在圓柱襯底的側面周圍形成的導線的諧振器。這樣，該諧振器的工作方式類似于圖4所示的方式，并且能實現(xiàn)類似優(yōu)點。然而，如圖4所示，在平面襯底上布置了多根導線的情況下，獲得特定固定值的電容所需的電容部分長度(寬度方向上彼此相鄰的導線端部的長度(角度范圍))根據(jù)徑向位置而改變。此外，獲得固定值電容所需的電感部分的角度范圍也根據(jù)徑向位置而改變。相反，如圖4所示實例中，半徑是固定的。因此，如果電容部分和電感部分的長度用角度范圍的單位來表示，則角度范圍對于所有導線都是相等的。因此，導線間產(chǎn)生的電場以及流經(jīng)導線的電流在分布時具有很好的對稱性。
<第十實施例>
圖15(A)是按照第十實施例的諧振器正視圖，圖15(B)是其左側視圖。圖15(C)是示出由諧振器內(nèi)的導線組成的一個諧振元件的形狀的透視圖。在該例中，各諧振元件由兩根導線組成。該諧振器等價于通過將圖7(B)所示的諧振器從平面坐標系映射到圓柱坐標系而獲得的諧振器。
盡管在圖14和15中所示的實例中使用了實心柱體形狀的襯底元件，然而導線可以圍繞由空心柱體形狀的絕緣或介質(zhì)材料制成的襯底元件而形成。
<第十一實施例>
圖16示出按照第十一實施例的濾波器結構。圖16(A)是按照第十一實施例的濾波器的頂視圖，其狀態(tài)為空腔3被移除。圖16(B)是濾波器的截面視圖。
圖16中，襯底1的上表面上并排形成三個諧振器7a、7b和7c。各諧振器7a、7b和7c類似于上面參考圖10和11而描述的諧振器。在端部位置分別與諧振器7a和7c磁耦合的耦合環(huán)5a和5b在襯底1的上表面上形成。此外，在襯底1的上表面上，也提供了接地電極，它電氣連接到把襯底1包圍在內(nèi)的屏蔽腔3。各耦合環(huán)5a和5b的一端連接到接地電極6，另一端延伸到空腔外部。
在三個諧振器7a、7b和7c中，相鄰的兩個諧振器通過電流的互感互相磁耦合。諧振器7a和7c也分別通過電流互感與耦合環(huán)5a和5b磁耦合。這樣，本濾波器具有由三個級聯(lián)的諧振器實現(xiàn)的帶通特性。這三個諧振器都具有高Q因子，從而實現(xiàn)低插入損耗。
<第十二實施例>
圖17示出按照第十二實施例的濾波器結構。在該例中，諧振器7b在襯底1的上表面上形成，兩個諧振器7a和7c在襯底1的下表面形成。三個諧振器7a、7b和7c的每一個都類似于上述參考圖10和11描述的諧振器。三個諧振器7a、7b和7c被定位，使得當從垂直于襯底1的方向觀察時，相鄰的諧振器部分重疊。布置了兩個耦合環(huán)5a和5b，使得當從垂直于襯底1的方向觀察時，諧振器7a和7c部分與耦合環(huán)5a和5b重疊。
這種結構與圖16所示的結構相比，能夠減小襯底1的尺寸，從而可以減小濾波器的總尺寸和重量。
<第十三實施例>
現(xiàn)在參考圖18和19，下面描述了按照第十三實施例的濾波器。
圖18(A)是其中移除了空腔的濾波器的頂視圖，圖18(B)是其底視圖，圖18(C)是沿圖18(A)的直線A-A截取的截面圖。圖18中，諧振器7b在襯底1的上表面上形成，兩個諧振器7a和7c在襯底1的下表面形成。各諧振器7a、7b和7c類似于圖4所示的諧振器。也就是說，在諧振器7a、7b和7c的各諧振元件中，各導線的端部在寬度方向上彼此緊密相鄰。如圖4所示的諧振器中，相應諧振元件電容部分的位置從一根導線略微移位到另一根。
如圖18所示，襯底1的上表面上形成的諧振器7b一般具有長方形形狀。也就是說，如圖19所示，各導線具有大致長方形的形狀。在圖19所示實例中，三個諧振元件由導線2a、2b和2c形成。
在圖18所示的諧振器7a、7b和7c中，相鄰諧振器通過電流互感互相磁耦合。這里，如果諧振器7a用作第一級諧振器、諧振器7b用作第二級諧振器、諧振器7c用作第三級諧振器，則為第二級諧振器7b使用長方形形狀會導致第一和第二諧振器間以及第二和第三諧振器間的強烈級間耦合。在本例中，第一級和第三級諧振器7a和7c也互相耦合(跳過中間諧振器)。也就是說，濾波器包括三級諧振器，其中第一級諧振器和第三級諧振器跨接耦合。通過控制跨接的強度，可以調(diào)節(jié)通帶附近出現(xiàn)的衰減極點的頻率。
<第十四實施例>
圖20示出按照第十四實施例的天線共用器。圖20是示出天線共用器的框圖。在該天線共用器中，類似于圖16所示濾波器的濾波器17或18用作發(fā)射濾波器和接收濾波器。設計發(fā)射濾波器TxFIL和接收濾波器RxFIL，以便具有發(fā)射和接收時所需的通帶。發(fā)射濾波器TxFIL和接收濾波器RxFIL連接到發(fā)射和接收時共用的天線終端ANTport，其中調(diào)節(jié)到天線終端ANTport的連接線的電長度以便防止發(fā)射信號侵入接收濾波器，也防止接收信號侵入發(fā)射濾波器。
<第十五實施例>
圖21是示出按照第十五實施例的通信裝置的框圖。在這種通信裝置中，圖20所示的天線共用器用作天線共用器DUP。發(fā)射電路Tx-CIR和接收電路Rx-CIR在電路板上形成。發(fā)射電路Tx-CIR連接到天線共用器DUP的發(fā)射信號輸入終端。接收電路Rx-CIR連接到天線共用器DUP的接收信號輸出終端。天線共用器DUP安裝在電路板上，天線ANT連接到天線終端。
上面參考優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明。如上所述，在本發(fā)明中，諧振器由一個或多個環(huán)形諧振元件形成，其中各諧振元件包括一根或多根導線，各諧振元件具有一個電容部分和一個電感部分，各導線的一端和同一導線的另一端在寬度方向上彼此緊密相鄰，或各導線的一端和包括在同一諧振元件內(nèi)的另一導線的一端彼此緊密相鄰，以便在導線端部彼此相鄰的區(qū)域內(nèi)獲得高電容，從而能減少諧振器的尺寸。在這種結構中，不需要在形成導線的襯底表面相對的表面上形成接地電極。這能以低成本產(chǎn)生使用很少數(shù)量組成元件的諧振器。
另外，在本發(fā)明中，諧振元件可以包括多根導線和多個電容部分。即使當在可能必須縮短電感部分長度的較高頻率處使用諧振元件時，這也能為環(huán)形諧振元件使用相當長的總長度。因此，相應導線的曲率不會遇到明顯的增加，并且可以減弱電流濃度。因此可以獲得高導體Q因子。
另外，在本發(fā)明中，導線可以在平面襯底上形成。這能容易地在襯底上形成導線，從而可以減少成本。
另外，在本發(fā)明中，襯底元件可以用實心柱體或空心柱體的形狀而形成，且導線可以圍繞襯底元件的側面而形成。這能將本發(fā)明應用在圓柱體結構中。
另外，在本發(fā)明的實施例中，導線的端部被定位為彼此緊密相鄰以便端部形成交叉指型換能器，從而能減少電容部分的長度并且從而能減小諧振器的總尺寸。
另外，在本發(fā)明中，一些或全部導線的寬度以及一些或全部相鄰導線間的間隔被設為等于或小于導體的趨膚深度，從而減少了由趨膚效應和邊緣效應產(chǎn)生的電流濃度，并且從而減少了諧振器的導體Q因子。
另外，在本發(fā)明中，寬度方向上相鄰的導線間的間隔被設為大致恒定。這能在適用于形成最小幀面的相同條件下用微制造過程形成所有導線，從而使諧振器具有以高效方式產(chǎn)生的高導體Q因子。
另外，在本發(fā)明中，導線可以用薄膜多層電極形式來生產(chǎn)，該薄膜多層電極通過一層疊一層地交替形成介質(zhì)薄膜層和導電薄膜層而獲得。這不僅能減少導線寬度方向上由邊緣效應產(chǎn)生的電流濃度，也能減少導線厚度方向上由趨膚效應產(chǎn)生的電流濃度。這樣，能夠進一步增加諧振器的導體Q因子。
另外，在本發(fā)明中，相鄰導線間的間隔可以用介質(zhì)材料來填充，從而增加諧振器相鄰導線間形成的電容。這能減少電容部分的長度，從而減少諧振器的尺寸。
另外，本發(fā)明也提供了具有小尺寸和小插入損耗的濾波器和天線共用器。
另外，本發(fā)明也提供了一種通信裝置，它具有RF發(fā)射和接收電路中的低插入損耗，并且就噪聲特性和傳輸速率來說具有高傳輸性能。
工業(yè)應用性如上所述，按照本發(fā)明的諧振器具有能以合理低的成本生產(chǎn)以便具有小尺寸和高導體Q因子的優(yōu)點。按照本發(fā)明的諧振器能被方便地用于無線通信或者如微波或毫米波頻帶內(nèi)電磁波的發(fā)射/接收。
權利要求
1.一種由一個或多個環(huán)形諧振元件組成的諧振器，各諧振元件包括一根或多根導線，各諧振元件具有一個電容部分和一個電感部分，電容部分通過定位導線的端部而形成，使得導線的一端和同一導線的另一端在寬度方向上彼此緊密相鄰，或者使得導線的一端和同一諧振元件中包含的另一導線的一端在寬度方向上彼此緊密相鄰。
2.如權利要求1所述的諧振器，其特征在于，各諧振元件包括多根導線和多個電容部分。
3.如權利要求1所述的諧振器，其特征在于，各導線在平面形襯底上形成。
4.如權利要求1所述的諧振器，其特征在于，各導線圍繞實心圓柱體或空心圓柱體形狀的襯底元件的側面而形成。
5.如權利要求1所述的諧振器，其特征在于，導線的端部被定位彼此緊密相鄰，以便端部形成叉指型換能器。
6.如權利要求1所述的諧振器，其特征在于，對于一些或全部導線而言，導線寬度以及相鄰導線間的間隔被設為等于或小于導線的趨膚深度。
7.如權利要求1所述的諧振器，其特征在于，寬度方向上相鄰的導線間的間隔被設為等于或小于導線的趨膚深度。
8.如權利要求1所述的諧振器，其特征在于，寬度方向上相鄰的導線間的間隔被設為大致恒定。
9.如權利要求1所述的諧振器，其特征在于，各導線以薄膜多層電極的形式構造，該薄膜多層電極通過交替地在另一層上依次形成介質(zhì)薄膜層和導電薄膜層而獲得。
10.如權利要求1所述的諧振器，其特征在于，寬度方向上相鄰的導線間的間隔用介質(zhì)材料填充。
11.一種包括權利要求1所述諧振器的濾波器，以及耦合到諧振器的信號輸入/輸出裝置。
12.一種天線共用器，其特征在于包括權利要求11所述的濾波器，濾波器用作發(fā)射濾波器或接收濾波器，或既用作發(fā)射濾波器又用作接收濾波器。
13.一種通信裝置，其特征在于，包括至少一個權利要求11所述濾波器或一個權利要求12所述天線共用器。
全文摘要
環(huán)形諧振元件包括各導線2a、2b和2c，各導線沿環(huán)的一周周長在襯底1上形成。各導線2a、2b和2c具有兩個端部，它們附加地延伸并被定位以便它們在寬度方向上緊密相鄰。各環(huán)形諧振元件以同心方式布置。電容部分形成的區(qū)域中，各導線兩端被定位彼此緊密相鄰，而各導線的其它部分充當電感部分。各導線如半波傳輸線一樣工作，其兩端均為電開路的。不需要在襯底形成導線的表面相對的表面上形成接地電極。因此，可以用很小數(shù)量的組成元件來形成諧振器。從而可以以合理低的成本生產(chǎn)具有小尺寸和高導體Q因子的諧振器、濾波器、天線共用器、以及通信裝置。
文檔編號H01P1/20GK1498442SQ0280363
公開日2004年5月19日 申請日期2002年12月17日 優(yōu)先權日2001年12月18日
發(fā)明者日高青路, 阿部真 申請人:株式會社村田制作所