介质单块三模微波延时滤波器 本申请是美国申请No.09/987,353的后续部分，后者的内容在这里作为参考。
【技术领域】
本发明涉及滤波器装置。特别地，本发明所公开的三模、单块谐振器与可比较的包括一个微波平坦延时滤波器的金属梳状线谐振器相比体积更小且成本更低。
背景技术
在通信系统中产生信号时，梳状线滤波器被用来抑制不需要的信号。现有的梳状线滤波器结构包括分布在一个金属外壳内的一系列金属谐振器。由于每个谐振器需要一定的体积，所以金属外壳尺寸的减小就不可能超越现有技术，根据工作频率和最大插入损耗，现有技术中的尺寸典型地为3-10立方英寸/谐振器。此外，金属外壳代表了整个滤波器装置中地一个主要成本百分比。所以，现有的金属滤波器太大且太贵。
进一步，个人通信系统要求在基站应用中具有高度线偏振的功率放大器。通常在功率放大器设计中采用前馈技术来减小互调畸变(IMD)。前馈功率放大器设计中的一个共同点在于使用主高功率前馈环中的延时来抵消功率放大器(PA)的错误信号。典型地，电延时是通过同轴类型的传输线或金属谐振滤波器来实现的。基于滤波器的延时线可以被认为是一个经过特殊设计的具有优化群延时的宽带带通滤波器。
然而，相关的技术具有许多问题和缺点。例如，但不是限制性地，由于在新一代通信系统中对延时线/滤波器的体积的需求，同轴线以及金属外壳滤波器由于有最大插入损耗的限制而不可能在尺寸上进一步缩小。
【发明内容】
在一个优选实施例中，本发明是在一个宽频范围内提供非常平坦的群延时的方法和装置。
在另一个优选实施例中，本发明是一个对包括一个块谐振器滤波器的滤波器装置进行调谐的方法和装置，所述调谐是通过从所述块谐振器滤波器的一个表面去掉小的圆形区域来实现的。
在另一个优选实施例中，本发明是一个对包括一个块谐振器滤波器的滤波器装置进行调谐的方法和装置，所述调谐是通过在所述块谐振器滤波器的多个正交表面上进行研磨以改变所述模块中的谐振频率来实现的。
在另一个优选实施例中，本发明是一个对包括一个块谐振器滤波器的滤波器装置进行调谐的方法和装置，所述调谐是通过使用所述块谐振器滤波器的多个正交表面中的至少一个调谐圆柱来调谐所述滤波器而实现的。
【附图说明】
图1a和1b是基本三模单块形状的两个基本视图。图1b的视图表示了插入单块的一个探针。
图2是连接在一起以形成6极滤波器的两个单块的立体图和结构线表示图。
图3a和3b是具有第三切角的单块的立体图和结构线表示图。
图4表示了一个切割在谐振器表面内的槽。
图5表示了模式1、2和3的谐振频率与沿着X-Z表面的X方向切割槽的切割长度的关系。
图6表示了模式1、2和3的谐振频率与沿着X-Y表面的X方向切割槽的切割长度的关系。
图7表示了模式1、2和3的谐振频率与沿着X-Y表面的Y方向切割槽的切割长度的关系。
图8a表示了一个对单块进行调谐的方法，该法是通过在单块的一个特定表面上去掉导电表面的小的圆形区域来实现的。
图8b表示了通过使用在三个正交面上的凹槽或圆圈来实现模块中三个模式的谐振模式的调谐。
图9表示了当从单块的X-Y表面连续的切掉圆圈时模式1的频率变化。
图10a和b表示了对模块中三个模式的调谐，所述模块使用了附在三个正交表面上的金属或介质调谐器(图10a)，或是使用了插入单块的金属或介质调谐器(图10b)。
图11a、b、c和d表示了三模单块的输入/输出耦合方法。
图12a和12b表示的装置结构中，低通滤波器被制作在承载了单块滤波器以及屏蔽滤波器的同一块电路板上。
图13表示的装置中，单块滤波器和梳状线滤波器被装配在承载了4元件天线阵列的同一块电路板上。
图14a、b和c表示了封装在一个盒子内的一个单块滤波器(图14a)，以及突出表示的内部结构(图14b)。图14c表示了双工器的一个类似的封装。
图15表示了低通滤波器(LPF)、预选或屏蔽滤波器以及三模单块的通带响应。
图16a和b是屏蔽滤波器的照片。
图17(a)和(b)表示了包括一个三模单块延时滤波器的另一个优选实施例。
图18(a)和(b)表示了根据本发明的三模单块延时滤波器的立体图。
图19表示了根据本发明的延时滤波器中的一个开口的功能。
图20表示了根据本发明本优选实施例的三模单块延时滤波器的频响仿真。
【具体实施方式】
我们希望能将滤波器装置的尺寸和成本降到金属梳状线结构所能实现的尺寸和成本以下，其中这些金属梳状线结构现在被用来衰减不需要的信号。本发明将一个三模谐振器结合到一个包含有一个屏蔽滤波器和一个低通滤波器的装置中，这样就使得整个装置能够提供对不需要的信号的扩展频率范围的衰减。装置的集成方式能够减小所需要的体积以及能够容易地装配到电路板上。
三模单块空腔
采用了三模单块空腔的滤波器能够在维持可以接受的电学特性的前提下，显著地减小滤波器封装的总体体积以及降低成本。尺寸的减小有两个原因。首先，一个三模单块谐振器在一个块上有三个谐振器。(每个谐振器给滤波器的响应提供了一个极点)。这与现在使用的每个块包括一个谐振器的滤波器相比就在尺寸上缩小了3倍。其次，标准梳状线结构中采用了空气填充的同轴谐振器，与标准梳状线结构不同，这里的谐振器是介质填充的模块。在优选实施例中，它们是镀有导电金属层的陶瓷涂层固体块，典型的导电金属层可以是金属银。高介电常数的材料可以使得谐振器的尺寸在保持相同的工作频率的情况下大约按介电常数的平方根减小。在优选实施例中，陶瓷材料所具有的介电常数介于35到36之间，其Q为2000。在另一个实施例中，介电常数为44，Q为1500。尽管Q变低了，但谐振器会由于高的介电常数而变小。在另一个优选实施例中，介电常数为21，Q为3000。
此外，由于单块空腔是自包含的谐振系统，所以就不需要金属屏蔽。与空气填充的谐振器相比，由于不需要金属屏蔽而减小的成本比采用介质填充所带来的附加成本要高。
单块并不是一个新的概念。然而，这是第一个三模单块谐振器。此外，将金属覆盖的填充了低损耗、高介电常数材料的单块三模谐振器封装到一个实用滤波器及其装置中是新颖的和非显然的。
三模单块谐振器10的基本设计示于图1，在该图中视图1(a)和1(b)表示了三模单块的基本形状。它大致上是一个立方快。所激励的三个模式为TE110、TE101以及TE011模。参考J.C.Sethares和S.J.Naumann的《微波介质谐正器的设计(Design of MicrowaveDielectric Resonators)》，IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，pp2-7，Jan.1966，该文章在这里被作为参考。这三个模式彼此之间是正交的。该设计是对矩形(空的)波导三模设计的一个改进，后者被描述于G.Lastoria，G.Gerini，M.Guglielmi以及F.Emma的《矩形波导中的三模空腔的计算机辅助设计(CAD of Triple-Mode Cavities inRectangular Waveguide)》，IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，pp.339-341，Oct.1998，该文在这里被作为参考。
三模单块谐振器中的三个谐振模式被典型地记为TE011、TE101和TE110(或者有时被记为TE11□、TE1□1和TE11□)，其中TE表示是横电模，而三个连续的指标(通常写成脚标)表示了沿x、y和z方向的半波长数。例如，TE101表示的谐振模式的电场会沿x和z方向发生180度的相位变化(半波长)，而沿y方向则没有变化。在这里的讨论中，我们将称TE110为模式1，称TE101为模式2，TE011为模式3。
切角
入/出单块10的输入和输出功率是通过图1(b)中伸入单块10的输入/输出端口21的探针20来实现的。该探针可以是外同轴线的一部分，或者可以被连接到其它外部电路。模式之间的耦合是通过切角30、33来实现的。其中一个是沿着Y轴30，而另一个是沿着Z轴33。这两个切角被用来耦合模式1和2以及模式2和3。除了图1中所示的切角以外，沿着X轴的第三切角可以被用来交叉耦合模式1和3。
图2的一个立体图和一个结构线表示图表示了连接在一起两个三模单块10、12，这两个谐振器被连接在一起以形成一个六极滤波器15(每个三模单块谐振器具有3极)。一个连接开口或波导40将两个模块上的窗口连接在一起。该连接开口可以是空气或者介质材料。该滤波器上的输入/输出端口21、23被表示成连接在每个模块10、12中探针20、22(见图1)上的同轴线。
切角30、33被用来将沿一个方向的模式与沿着相正交的第二方向上的模式相互耦合。每个耦合在滤波器的响应上都表现为一极。所以，上面所讨论的三模单块表示了等价的三极或三个电谐振器。
图3表示的第三切角36(在本例的底部)提供了单块中模式1和3之间的交叉耦合。一个立体块示于3(a)部分，而结构线表示图示于3(b)。通过适当地选择切角所在的模块具体边缘，就可以实现正的或负的交叉耦合。
调谐
调谐：正如其它许多高精度、射频滤波器，这里所公开的滤波器也要被调谐以优化滤波器的响应。机械容差以及介质常数的不确定性使得调谐变得非常必要。对三模单块谐振器10的谐振频率的调谐或者调整的能力提高了采用三模单块作为谐振器件的滤波器装置的可制造性。理想情况下，必须能够彼此独立地调整单块的三个谐振模式中的每一个。此外，还要能够将模式的谐振频率调高或者调低。
这里公开了四个新颖的非显然的调谐方法。第一调谐方法是通过机械地研磨单块10的三个正交的表面以改变每个模块中三个模式的谐振频率。通过研磨表面区域，陶瓷材料就被去掉，从而就改变了谐振模式的谐振频率。
该方法在机械上是简单的，但由于对单块10的一个表面地研磨将会影响到所有三个模式的谐振频率，因而又是复杂的。制造环境需要计算机辅助分析，通过分析就可以知道和控制由于从一个给定表面上研磨掉一定量的材料所带来的影响。
另一个调谐频率的方法是在谐振器10的表面60上切割一个槽50、52(见图4)。通过在导电层切割适当的槽50、52就可以将任意一个模式调谐到一个较低的频率。槽50、52越长，降低的频率越多。使用该导电层的优点在于单块10的一个特定表面(或平面)(见图8a和b)。图9表示了从单块10的X-Y表面(或平面)60上连续切割掉表面中心附近的圆周70(直径＝0.040英寸)时，模式1中频率所发生的变化。采用类似的方式，就可以通过从X-Z表面(或平面)60去掉小的金属圆周70来将模式2调谐到一个较高的频率，还可以通过在Y-Z表面(或平面)60上进行同样的过程来将模式3调谐到一个较高的频率。注意在图9中，当模式1的频率增加时，模式2和3的频率是相对不变的。孔的深度会影响频率。使用这种方法又一次使得耦合模式中只有一个模式的频率受到影响。其它两个模式的谐振频率不受影响。可以通过多种方法去掉金属，这些方法包括研磨、激光切割、化学刻蚀、电学放电加工或其它方法。图8(b)表示了在连在一起的两个三模单块10、12中的一个模块的三个正交表面60上使用三个圆圈(或凹槽)70。
它们被用来调整一个块12中的三个模式的谐振频率。该图表示的是只对一个块进行调谐的情况。对第二块(左边的一个)10进行调谐将是类似的情况。
这里所要公开的第四调谐方法是使用分离调谐元件或圆柱80、82、84。图10(a)和10(b)所表示的3个元件80、82、84分布在单块10的三个正交表面60中，这将使谐振频率发生所期望的变化。图10(a)表示了一个替换调谐方法，通过该方法金属或介质调谐器被附着于三个正交表面，并且该金属或介质元件如图10(b)所示插入了单块10。该图表示的是只对一个模块进行调谐。对第二模块(左边的一个)进行调谐将是类似的情况。调谐元件80、82、84可以是能够从商业渠道获得的金属元件。(例如，由Johanson Manufacturing所能够提供的金属调谐元件，http：//www.iohansonmfg.com/mte.htm#。)还可以使用同样也是能够从商业渠道获得的介质调谐元件(例如，还是JohansonManufacturing)。
上文的讨论主要集中于三模单块10在滤波器中的使用。应该知道，本公开还包括了将三模单块作为复用器的一部分的情况，在复用器中两个或多个滤波器被连接到一个共同端口。可以利用三模单块来形成一个或多个多重滤波器。
输入/输出
输入/输出：向三模单块滤波器传输微波信号(输入)以及从三模单块向外传输微波信号(输出)的一个适当的方法是使用探针。输入探针会激励起包括多个模式的射频微波。接着，切角就会耦合不同的模式。K.Sana和M.Miyashita，“平板I/O端子在双模介质波导滤波器中的应用(The Application of the Planar I/O Terminal to Dual-Mode Dielectric-Waveguide Filter)”IEEE Trans.Microwave TheoryTech.，pp.249 1-2495，December 2000，一文在这里作为参考，该文公开了一个双模单块，其输入/输出端子被作为一个贴片天线来向和从单块辐射功率。
如图11所示，本发明所要公开的方法是要在单块中形成一个凹槽90(特别地，这里使用的是一个圆柱的孔)，在孔90的内部镀上导体(典型地为银，但不是必须)，然后将金属表面连接到滤波器/单块外部的电路。将金属镀层连接到外部电路的形式可以是图11所示的多种形式中一种，其中孔或凹槽的内部或内直径被镀上了金属(图11(a))。然后，一个电连接100从孔/凹槽90的金属上固定到外部电路，这样就形成了一个进入或出三模单块10传输信号的可重复的方法。在图11(b)中，一根导线被焊接到镀层上以形成电连接100，在图11(c)中使用了一个压入接头100，而在图11(d)中，凹槽被填以包括导线100在内的金属。
既然探针是集成在单块10中的，那么就减小了探针和模块之间的窜动。这与现有技术中将外部探针100插入模块100的孔90相比是一个改进。探针100和孔90之间的空隙会导致功率处理方面的问题。
包括一个预选或屏蔽滤波器、一个三模单块谐振器以及一个低通滤波器的集成滤波器装置
为了使三模单块滤波器成为一个实用的器件，人们已经发展了很多特性/技术。这些特性和技术将在下文中被描述并且将组成本公开的权利要求书。
滤波器装置：新颖和非显然的滤波器装置110包括三个部分，单块谐振器10、预屏蔽(或屏蔽)120以及低通滤波器130，该滤波器装置可以采用多个实施例中的一个。在一个实施例中，这三个滤波器零件按照图12a所示组合在一起，其连接是通过同轴连接器140来连接到共同电路板。如图12b所示，在该实施例中，低通滤波器(LPF)130就被刻在了共同电路板上。该低通滤波器130是采用微带的方式被制作在承载着单块滤波器10、12以及屏蔽120滤波器的同一个电路板上。
图12a和12b所示的低通滤波器130包括了三个开路端以及它们的连接部分。该低通滤波器130的设计可以根据不同的规范而改变。
在第二实施例中，承载滤波器装置110的电路板是由其它发送和/或接收系统的部分所组成的电路板的一个集成的部分，所述发送和/或接收系统例如天线、放大器或模数转换器。例如，图13所示的滤波器装置110就与4元件微带贴片天线阵列150处于同一个板上。单块滤波器10、12以及梳状线(或预屏蔽)滤波器120被装配在承载着4元件天线阵列150的同一个板上。单块10以及屏蔽滤波器120位于电路板的一边。低通滤波器130和天线150位与另一边。如果需要，还可以包括一个外壳。
在第三实施例中，滤波器装置110被包括在一个盒子中，所提供的连接器是同轴连接器或者可以使用标准焊接操作焊接到其它电路板上的焊盘。图14表示的是使用了焊盘160的两个封装例子。如果需要，滤波器的封装可以包括散热片。图14所示类型的封装可以按图示仅仅包括一个单块10、12，或者也可以包括图13所示类型的滤波器装置110。图14(a)表示了封装于一个盒子中的单块滤波器10、12，其内部结构示于图14(b)。图14(a)中盒子底部的焊盘160将被焊接到电路板上。图14(c)表示了一个双工器的类似封装，该双工器包括了两个具有共同端口的滤波器，所以该封装就具有三个连接焊盘160。所示的这种类型的封装可以只包括单块10、12或者也可以包括滤波器装置110。
预选或屏蔽滤波器：对于诸如滤波器的任意一种谐振器件都存在所不希望的寄生模式的问题，或者说是所不希望的谐振。这一问题对于像三模单块10、12这样的多模谐振器就尤为明显。对于一个设计带通中心为1.95GHz的三模单块10、12来说，第一谐振将会在2.4GHz附近发生。为了减轻这一问题，我们的公开使用了与单块滤波器10、12一起封装的相对宽带的屏蔽滤波器120。
预屏蔽滤波器120是被作为一个宽带带通滤波器，它横跨在三模单块10、12的通带响应上。它的通带比三模单块10、12谐振器的通带要宽。所以，它不会影响落在三模单块谐振器10、12的通带之内的信号。然而，它将会在止带内提供附加的抑制。所以，它将会抑制紧跟在三模单块谐振器10、12的通带旁的第一部分寄生模式。见图15。
在例子1中，滤波器装置是被设计来用于3G应用的。在一个优选实施例中，它被用于一个宽带码分多址(WCDMA)基站中。它具有的输出频率大约是f0＝2.00GHz，抑制规格向外一直到12.00GHz。接收带宽是从1920到1980MHz。发送带宽是从2110到2170MHz。在发送模式的止带中，从2110到2170MHz的衰减需要有90dB，从2170到5GHz的衰减需要有55dB，从5GHz到12.00GHz的衰减需要有30dB。所选的预选或屏蔽滤波器120其通带是从1800MHz到2050MHz，且在2110MHz处有一个60dB的凹陷。在2110MHz到5GHz之间，它提供了30dB的衰减。
在例子1中，屏蔽滤波器120具有250MHz的带宽，并且它是基于4极梳状线设计，该设计具有一个用来辅助实现所期望的带外抑制的交叉耦合。图16表示了该屏蔽滤波器120。图16(a)表示了一个4极梳状线滤波器封装。图16(b)表示了4极以及交叉耦合的内部设计。图16(b)中的SMA接头被从整个滤波器封装到电路板的直接连接所代替。
低通滤波器：蜂窝基站滤波器的规格一般都会要求在高于通带频率几倍的地方有一定水平的信号抑制。例如，一个通带位于1900MHz的滤波器可能在12,000MHz处具有一个抑制规格。对于标准的梳状线滤波器，一个同轴低通滤波器会在比通带高得多的频率提供抑制。对于这里所公开的滤波器封装，低通滤波器130是以微带或带状线的形式来制作的，且被集成到(或刻蚀在)已经承载且连接了单块滤波器10、12以及屏蔽滤波器120的电路板上。低通滤波器130的确切设计会根据所需要实现的具体电学要求而发生改变。一个可能的形状示于图12a和12b。
延时滤波器
在另一个非限制性、示例性实施例中，所提供的延时滤波器被设计成具有平坦的群延时特性。在本实施例中，一个非限定性的例子就是群延时滤波器的设计并不是为了某一特定频率的抑制。
为了实现一个平坦的群延时，就必须具有一个确定的交叉耦合方案。例如，但不是作为限制地，在一个六极滤波器中，至少模1-2、2-3、3-4、4-5和5-6会被耦合。此外，指定的交叉耦合被用来辅助达到一定的频率抑制规格。在本实施例的情况中，对于一个六极滤波器，用来平坦化延时的是1-6和2-5。
如图17(a)和(b)的几何结构被提供来实现前述的实施例。与图2所示的本发明实施例相比，输入/输出探针20、22被置于装置的端面上而不是像图2中那样位于两个模块的同一边。这样做的结果就使得模式1-6和2-5之间的正交叉耦合成为可能，而在图2所示的实施例中，1-6交叉耦合是负的，而且不存在2-5交叉耦合。这样就使得在本发明的优选实施例中能够实现平坦群延时。
如上所述，三模单块延时滤波器包括两个三模单块空腔谐振器10、12。每个三模单块谐振器在一个块中具有三个谐振器。所使用的三个模式是相互正交的TE101、TE011和TM110模式。六个模式1...6的电场方向按照图17(a)所示方向排列，这样就可以实现滤波器均衡延时响应。例如，但不是限制性地，延时滤波器需要在谐振器1和2、谐振器2和3、谐振器3和4、谐振器4和5、谐振器5和6、谐振器1和6、谐振器2和5之间全部实现正的耦合。
一个输入/输出探针，例如20，被连接到每一个镀有金属的介质块上，例如10，以传输微波信号。每个空腔内的谐振模式之间的耦合通过上述的切角30、33、36来实现。切角被用来将指向一个方向的模式耦合到第二个互相正交的方向的模式。在每个空腔中有两个用来耦合三个谐振器的主切角30、33，其中一个指向x轴另一个指向y轴。两个模块10、12之间的开口40被用来在空腔之间将所有六个谐振模式1...6耦合在一起。开口40通过两个模式之间的磁场来产生两个电感性耦合，还会通过电场来产生一个电容性耦合。此外，沿着z轴的第三切角36可以被用来消除谐振器之间所不希望的耦合。图17(b)表示了具有切角30、33、36以及耦合口40的三模单块延时滤波器的结构线表示图。
图18(a)和(b)表示了被耦合来形成6极延时滤波器的两个单块10、12的立体图。切角30、33、36被用来将一个单块空腔中的指向一个方向的模式耦合到指向互相正交的第二方向的模式。每个耦合表示了滤波器响应中的一极。所以，上面所讨论的三模单块表示了等价的三极或三个电谐振器。图17(b)和图18所表示的第三切角36提供了单块中模式1和3、模式4和6之间的交叉耦合。通过适当地选择切角所在的模块具体边缘，就可以实现正的或负的交叉耦合。第三切角36可以被用来改进滤波器的延时响应或者用来消除三模单块滤波器中所不希望的寄生效应。
开口40功能在于在延时滤波器的所有六个谐振模式之间产生三个耦合，而不是常规带通滤波器的两个耦合。如图19所示，开口40通过模式3和4、模式2和5之间的磁场来产生两个电感性耦合；还会通过耦合模式1和6之间的电场来产生一个正的电容性耦合。通过调整高度H改变得最多的是耦合M34，而通过调整开口宽度W改变得最多的是耦合M25。类似地，通过改变开口的厚度T可以调整通过电场耦合的耦合M16。
图20表示了由HFSS 3D电磁仿真器在中心频率2140MHz处仿真得到的三模单块延时滤波器的频响特性。该滤波器在宽频带上具有超过20dB的反射损耗和很平坦的群延时。
尽管本发明在本专利申请中是通过参考本发明优选实施例的细节而公开的，但可以理解本公开只是示例性的而不是限制性的，这正如那些熟悉技术的人士所熟知的，可以在本发明的精神和所附权利要求及其等价内容的范围内作改动。