人工介质谐振器和基于它的人工介质滤波器.pdf

提供可获得基本模式下更高相对介电常数的人工介质谐振器。此人工介质谐振器1具有由多个薄板状的金属条带20沿长度方向隔开微小间隙20G环状排列而成的第1系列金属条带组2和由多个薄板状的金属条带30沿长度方向隔开微小间隙30G环状排列而成的第2系列金属条带组3，第1系列金属条带组2和第2系列金属条带组3，沿着金属条带20、30的厚度方向靠近配置，并且，一方的金属条带组2或3的金属条带20或30，面对并跨过另一方的金属条带组3或2的间隙30G或20G。

权利要求书1.  具有由多个薄板状金属条带沿长度方向隔开微小间隙排列而成的第1系列金属条带组和由多个薄板状金属条带沿长度方向隔开微小间隙排列而成的第2系列金属条带组，其特征是：所述第1系列金属条带组和所述第2系列金属条带组沿所述金属条带的厚度方向靠近配置，并且，一个金属条带组的金属条带面对且跨过另一个金属条带组的所述间隙的人工介质谐振器。2.  如权利要求1中所述的人工介质谐振器，其特征是：所述第1系列金属条带组和所述第2系列金属条带组分别形成环状。3.  如权利要求2中所述的人工介质谐振器，其特征是进一步具有：由多个薄板状金属条带沿长度方向隔开微小间隙环状排列而成的、与所述第1系列金属条带组同心的、沿金属条带宽度方向靠近配置的第3系列金属条带组；由多个薄板状金属条带沿长度方向隔开微小间隙环状排列而成的、与所述第2系列金属条带组同心的、沿金属条带宽度方向靠近配置的第4系列金属条带组。4.  具有多个权利要求1～3中的任何1项的人工介质谐振器和2个输入输出端子，其特征是：相邻的所述人工介质谐振器相互耦合，所述输入输出端子分别与相邻的所述人工介质谐振器耦合的人工介质滤波器。5.  如权利要求4所述的人工介质滤波器，其特征是：所述各输入输出端子分别与其相邻的所述人工介质谐振器的金属条带直接连接。6.  如权利要求4或5所述的人工介质滤波器，其特征是：多个所述人工介质谐振器安装在整体多层基板上，以使多个所述人工介质谐振器的相对位置固定，以达到预定的段间耦合度。7.  权利要求4～6中的任何1项的人工介质滤波器，其特征是：所述人工介质谐振器以TE01δ模式作为基本模式进行谐振。

说明书人工介质谐振器和基于它的人工介质滤波器
技术领域
本发明是关于人工介质谐振器和基于它的人工介质滤波器的发明。
背景技术
近年来，用于微波频段的高频滤波器，为了达到小型化和高性能，大多采用高相对介电常数材料的介质谐振器。介质谐振器通过特定大小和形状的介质材料块及其相对介电常数获得指定的所需的谐振频率。
介质谐振器的介质材料采用高相对介电常数的陶瓷(介电陶瓷)已广为人知。这些介电陶瓷，当在其分子上外加电场时，分子中的束缚电子将产生移动而极化，从而显示出高相对介电常数。考虑到高频下的低损失以及对温度的稳定性，介电陶瓷的相对介电常数，一般可实用的范围是20～100。
介质谐振器也有采用人工介质材料(人工介质谐振器)的案例(例如专利文献1)。人工介质材料由多片金属片集合而成。这种人工介质材料在外加电场后，因其金属片上存在的自由电子产生移动而极化，从而起到介质材料的作用，根据其自由电子的多少和移动距离的大小，对应其金属片的大小和形状，可获得等效的高相对介电常数。此外，为了保持各金属片的位置，人工介质材料分别配置在某种形式的基材中。
如专利文献1中所述，人工介质材料根据其金属片上所加电场的方向不同，具有相对介电常数的各向异性。根据这种各向异性，人工介质谐振器可按照在所需频率的谐振(基本模式)时让相对介电常数变高，而在与此频率比较接近的其他谐波(高次模)时让相对介电常数变低来配置金属片，从而可以分离这些频率，控制高次模。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：专利公开号2003－133820
发明内容
发明将解决的课题
因此，人工介质谐振器通过金属片的不同大小、形状和配置，可获得通常的介电陶瓷共振器所没有的优良性能。但是，相对于人们对基于人工介质谐振器的高频滤波器(人工介质滤波器)的要求，人工介质谐振器尚有改善的余地。特别是为了满足小型化的要求，人工介质谐振器需要更进一步提高基本模式下的相对介电常数。
基于人工介质谐振器的人工介质滤波器，通常在其内部配置多个人工介质谐振器的同时，还配置有与人工介质谐振器耦合、与外部进行信号交互处理的输入输出端子。这样，人工介质滤波器通过对输入输出端子和人工介质谐振器之间的耦合度(输入输出耦合度)以及2个人工介质谐振器之间的段间耦合度进行适当的控制，可实现指定基本模式的所需带宽的滤波特性(例如切比雪夫型等)。人工介质滤波器有输入输出耦合度小、滤波特性带宽变窄的趋势，也有难以获得所需滤波特性的情况。
此外，人工介质滤波器为了控制2个人工介质谐振器之间的段间耦合度，希望在制造过程中无需经过复杂的工序即可对多个人工介质谐振器进行正确的定位。
本发明就是针对这些相关问题，其目的是提供基本模式下更高相对介电常数的人工介质谐振器，并且，利用它提供具有更大输入输出耦合度的、可以实现人工介质谐振器正确定位的人工介质滤波器。
解决课题的方法
为了所述目的，本发明优选实施方式的人工介质谐振器，具有多个薄板状金属条带沿长度方向隔开微小间隙排列而成的第1系列金属条带组和多个薄板状金属条带沿长度方向隔开微小间隙排列而成的第2系列金属条带组，所述第1系列金属条带组和所述第2系列金属条带组沿所述金属条带的厚度方向靠近配置，并且，一个金属条带组的金属条带面对且跨过另一个金属条带组的所述间隙的人工介质谐振器。
优选方案的人工介质谐振器是将所述第1系列金属条带组和所述第2系列金属条带组分别做成环状。更优选方案的人工介质谐振器是进一步具有：多个薄板状金属条带沿长度方向隔开微小间隙环状排列而成的、与所述第1系列金属条带组同心的、沿金属条带宽度方向靠近配置的第3系列金属条带组；多个薄板状金属条带沿长度方向隔开微小间隙环状排列而成的、与所述第2系列金属条带组同心的、沿金属条带宽度方向靠近配置的第4系列金属条带组。
优选方案的人工介质滤波器具有多个上述人工介质谐振器和2个输入输出端子，相邻的上述人工介质谐振器相互耦合，上述输入输出端子与其相邻的上述人工介质谐振器耦合。
优选方案的人工介质滤波器，上述各输入输出端子分别与其相邻的上述人工介质谐振器的金属条带直接相连。
优选方案的人工介质滤波器，将多个上述人工介质谐振器安装在整体多层电路板上，以使多个上述人工介质谐振器相对位置固定，以获得预定的段间耦合度。
优选方案的人工介质滤波器，将上述人工介质谐振器以TE01δ模式作为基本模式进行谐振。
发明的效果
根据本发明，第1系列金属条带组和第2系列金属条带组沿金属条带的厚度方向靠近配置，并且，一个金属条带组的金属条带跨越另一个金属条带组的间隙相对配置，通过其间的大电容量，可提供非常高的相对介电常数的人工介质谐振器。并且，采用此人工介质谐振器，将输入输出端子与金属条带直接连接，多个人工介质谐振器安装在整体多层电路板上，增大输入输出耦合度、实现人工介质谐振器正确定位的人工介质滤波器。
附图说明
图1本发明实施方式的人工介质谐振器的立体图。
图2同上人工介质谐振器的第1系列金属条带组平面图。
图3同上人工介质谐振器的第2系列金属条带组平面图。
图4同上人工介质谐振器的第1系列金属条带组和第2系列金属条带组中产生的电荷说明图。
图5同上人工介质谐振器的扩展型立体图。
图6同上人工介质谐振器的扩展型中的第1系列金属条带组和第3系列金属条带组的平面图。
图7同上人工介质谐振器的扩展型中的第2系列金属条带组和第4系列金属条带组的平面图。
图8同上人工介质滤波器的立体图。
图9同上人工介质滤波器的内部平面图。
图10同上人工介质滤波器的段间耦合度特性图。
图11同上人工介质滤波器的输入输出耦合度特性图。
图12变更了同上人工介质滤波器的输入输出方式后的内部平面图。
图13变更了同上人工介质滤波器的输入输出方式后的输入输出耦合度特性图。
具体实施方式
以下参照各图说明本发明的实施方式。如图1、图2、图3所示，本发明实施方式中的人工介质谐振器1，具有由多个薄板状金属条带20、20、……沿长度方向隔开微小间隙20G、20G、……环状排列而成的第1系列金属条带组2和由多个薄板状金属条带30、30、……沿长度方向隔开微小间隙30G、30G、……环状排列而成的第2系列金属条带组3。这些第1系列金属条带组2和第2系列金属条带组3沿金属条带20、30的厚度方向靠近配置，并且，一方的金属条带组2或3的金属条带20或30，面对并跨过另一方的金属条带组3或2的间隙30G或20G。
薄板状金属条带20和30是长宽比很大(宽度很小长度很大)的金属片。并且，人工介质谐振器1中，第1系列金属条带组2和第2系列金属条带组3分别配置在保持其位置的基材(例如树脂多层电路板、LTCC(低温共烧陶瓷)电路板等后述的多层电路板)中。
人工介质谐振器1将与第1系列金属条带组2或第2系列金属条带组3同样的 金属条带组按与第1系列金属条带组2和第2系列金属条带组3同样的位置关系顺序进行适当的叠加配置。图1所示为3层和第1系列金属条带组2相同的金属条带组、与2层和第2系列金属条带组3相同的金属条带组共计5层的金属条带组叠加而成。
这样的人工介质谐振器1，其金属条带20和30中的自由电子因外加电场而产生移动，金属条带20和30的一端显示正电荷或负电荷、而另一端显示负电荷或正电荷。这种状态是金属条带20和30产生极化的状态，这些显示的正电荷和负电荷组成电偶极子。电偶极子中的电荷量和正、负电荷中心间的距离相乘所得的偶极矩越大，则获得的相对介电常数也越大。
因此，形成环状的第1系列金属条带组2和第2系列金属条带组3，对加在环上的电场显示出高相对介电常数。这样，具有第1系列金属条带组2和第2系列金属条带组3的人工介质谐振器1，可将谐振电场方向为环状的TE01δ模式作为目标基本模式。TE01δ模式因为其损失小故被广泛用作基本模式。
第1系列金属条带组2的金属条带20和第2系列金属条带组3的金属条带30的位置关系，使金属条带20和金属条带30之间产生大的电容量。这样，如图4所示，通过更多电荷(一端的正电荷或负电荷与另一端的负电荷或正电荷)的蓄积，偶极矩变大，可在环状方向获得非常高的相对介电常数。而且，相邻的金属条带20、20之间以及相邻的金属条带30、30之间的电场也会增强。并且金属条带20和金属条带30之间也产生电场。
通过改变第1系列金属条带组2中的金属条带20的宽度、间隙20G的距离以及第2系列金属条带组3中的金属条带30的宽度、间隙30G的距离等，可调整相对介电常数。
如果将基本模式作为指定谐振频率的TE01δ模式，人工介质谐振器1将可以小型化。当谐振频率有与TE01δ模式的谐振频率比较接近的高次模(例如TM11δ模式等)时，因人工介质谐振器1的大小变化，与此相应地高次模的谐振频率也将发生变化，其结果可以分离基本模式和高次模的谐振频率。
接下来，说明人工介质谐振器1的扩展型。如图5、图6、以及图7所示，此人工介质谐振器1’，在人工介质谐振器1的组成的基础上，还具有第3系列金属条带组4和第4系列金属条带组5。即，第3系列金属条带组4由多个薄板状金 属条带40沿长度方向隔开微小间隙40G环状排列而成、与第1系列金属条带组2同心、沿金属条带20的宽度方向靠近配置。第4系列金属条带组5由多个薄板状金属条带50沿长度方向隔开微小间隙50G环状排列而成、与第2系列金属条带组3同心、沿金属条带30的宽度方向靠近配置。
这样的人工介质谐振器1’，在金属条带20和金属条带40之间、金属条带30和金属条带50之间，分别产生电容量。这些电容量虽然没有金属条带20和金属条带30之间的电容量大，但有益于蓄积更多的电荷(一端的正电荷或负电荷与另一端的负电荷或正电荷)。因此，可进一步提高相对介电常数。
下面说明人工介质滤波器10。如图8和图9所示，人工介质滤波器10具备有多个人工介质谐振器1’、1’和2个输入输出端子11、11。各人工介质谐振器1’、1’，配置在外壳12内的基材13上并保持位置，相邻的人工介质谐振器1’、1’相互通过电磁场耦合。各输入输出端子11、11固定在外壳12上，输入输出端子11和与其相邻的上述人工介质谐振器1’耦合。此外，图8中的14为支撑基材13的支座材料。
人工介质谐振器1’、1’的数量不受限制，2个、3个或更多都可以。并且，如图8和图9所示，本实施方式中，使用了上述的人工介质谐振器1’、1’，但也可以使用上述的人工介质谐振器1、1。
为了人工介质谐振器1’和输入输出端子11之间进行耦合，人工介质滤波器10的输入输出端子11，与人工介质谐振器1’的金属条带20直接连接。因为人工介质谐振器1’具有分离的金属条带20、20、……这种直接连接才得以实现。具体的做法是设置连接输入输出端子11与金属条带20的探头11a、设置除与探头11a相连的金属条带20以外的其他金属条带20与接地部G连接的探头11a’。探头11a、11a’与第1系列金属条带组2和第3系列金属条带组4安装在同一层(金属层)。
通过这样的直接连接，可提升输入输出端子11和人工介质谐振器1’之间的输入输出耦合度，接近人工介质谐振器1’、1’相互间的段间耦合度。如果输入输出耦合度与段间耦合度接近，通过人工介质谐振器1’、1’间的滤波特性的相对带宽也可制约人工介质滤波器10整体的滤波特性的带宽变窄。并且，通过直接连接，固定输入输出端子11和人工介质谐振器1’之间耦合用的导线， 可稳定输入输出耦合度。此外，如后述参考例所示，为了输入输出端子11和人工介质谐振器1’之间的耦合，不需要另外的层或加大面积用于耦合，从而有利于小型化。
人工介质滤波器10的多个人工介质谐振器1’、1’都安装在基材13的整体多层电路板上。因此，多个人工介质谐振器1’、1’的相对位置被固定、达到指定的段间耦合度。多层电路板可使用树脂多层板或LTCC(低温共烧陶瓷)电路板。
人工介质滤波器10的模拟分析结果如下所示。本分析采用了三维电磁场模拟软件HFSS。金属层的厚度为18μm，5层重叠。基材的相对介电常数为2.4、介电损耗为0.00114。人工介质谐振器1’中，金属条带的宽度为0.8mm、同一层的2个金属条带之间的间隙全部都为0.2mm。形成环状的第1系列金属条带组2的外径为8.4mm。探头11a、11a’的宽度为0.5mm。另外，本分析的特性图中表示输入输出耦合度的值为外部k值，表示段间耦合度的值为耦合系数，但因为这不是本发明的主旨，故在此省略说明。
图10所示为人工介质滤波器10的段间耦合度特性。图10的横轴为2个人工介质谐振器1’、1’之间的距离X。当人工介质谐振器1’、1’的间距X较小时，段间耦合度为10－2数量级。并且，在此范围内，随着人工介质谐振器1’、1’的间距变短，段间耦合度有比较急剧的上升。由此可知，将2个人工介质谐振器1’、1’安装在整体多层基板，固定其相对位置是一个有效的方法。
图11所示为人工介质滤波器10的输入输出耦合度特性。图11的横轴为输入输出端子11的探头11a和探头11a’之间的距离Y。在探头11a和探头11a’的距离Y较小处，输入输出耦合度达到10－2数量级，与段间耦合度的值相近。由此可知，如果输入输出端子11与人工介质谐振器1’直接连接，可控制人工介质滤波器10整体滤波特性的带宽变小。
图12所示为作为参考示例的人工介质滤波器10A。人工介质滤波器10A的输入输出端子11不与人工介质谐振器1’的金属条带20直接连接，而是在输入输出端子11的探头11a设置圆环部分11aa，通过间隙与人工介质谐振器1’耦合。这样做的目的是：如果基本模式为TE01δ模式，人工介质谐振器1’的周围将存在大量的磁场能量，此磁场能量通过人工介质谐振器1’和圆环部分11aa相互 作用而产生耦合(磁场耦合)。
图13所示为人工介质滤波器10A的输入输出耦合度特性。可以看出，输入输出耦合度达不到10－2数量级。这是因为无论让人工介质谐振器1’和圆环部分11aa如何接近，能够相互作用的磁场能量也有限度。此外，图13的横轴为圆环部分11aa的半径r和第1系列金属条带组2的外圆半径R之比。
以上是本发明实施方式中的人工介质谐振器和基于它的人工介质滤波器的说明。但本发明并不仅限于上述实施方式中记述的内容，它可在权利要求书的记载事项范围内进行各种各样的设计变更。例如，在上述人工介质谐振器1’的结构的基础上，可适当增加从宽度方向接近的与第1系列金属条带组2或第3系列金属条带组4相同结构的金属条带组。此外，虽然已介绍了人工介质滤波器10的输入输出端子11和第1系列金属条带组2的金属条带20直接连接的情况，但只要人工介质谐振器有上述第1系列金属条带组2，不受人工介质谐振器1’(或1)的具体构造的限制，此直接连接的技术都可适用。
符号说明
1    人工介质谐振器
10   人工介质滤波器
11   输入输出端子
2    第1系列金属条带组
20   第1系列金属条带组金属条带
20G  第1系列金属条带组的金属条带间隙
3   第2系列金属条带组
30   第2系列金属条带组的金属条带
30G  第2系列金属条带组的金属条带间隙
4   第3系列金属条带组
40   第3系列金属条带组的金属条带
40G  第3系列金属条带组的金属条带间隙
5   第4系列金属条带组
50   第4系列金属条带组的金属条带
50G   第4系列金属条带组的金属条带间隙