高频传输线、介质谐振器、滤波器、双工器以及通信设备 本发明涉及一种高频传输线和介质谐振器，它们尤其适用于微波或毫米波段。
微带线在高频电路内被广泛用作传输线，这是因为它们具有易于被制成小体积形式和/或制成较薄的形式的优点。
如图33所示，微带线的基本结构由形成在介质板1的一面的地电极2和形成在另一面上的微带线电极3组成。在具有如图33所示的这种结构的微带线中，由于所谓的边缘效应，电流集聚在电极3的边缘。这在边缘上大大增加了导体损耗。大部分导体损耗发生在微带线几微米范围内的边缘部分。这意味着传输线的损耗和最大允许功率由边缘效应来决定。
鉴于上述情况，日本未审专利公开No.8-321706揭示了一种高频传输线，在这种传输线中，减少了电流在电极边缘的集聚。在这种高频传输线中，形成宽度固定的线形导体，使它们彼此分开一固定的距离，并且，它们沿与信号传播方向平行的方向延伸。
虽然这种传输线结构(包括线形导体，并具有固定宽度且彼此均等地隔开)能有效地减少电流的边缘集聚，但是传输线的中央部分仍被制成线形导体，因此，由于传输线中央部分的导体的有效截面积的减小，也使导体损耗增加。
上述问题不仅发生在微带线或传输线中，也发生在由形成在介质上的电极组成的介质谐振器内。
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种高频传输线和制成小体积形状且损耗被有效地减小的介质谐振器。
根据本发明地一个方面，提供的一种高频传输线包括介质和电极，其中在电极的边缘部分沿电极的边缘形成一个或多个间隙。由于形成了间隙，沿电极边缘形成一个或多个薄而长的电极，作为一部分高频传输线。电流被分至一个或多个薄电极和主电极的边缘部分。由于在主电极上不形成间隙，所以避免了由于导体截面积减小而引起的导体损耗的增加。因此，与由薄形导体制成的在整条传输线上宽度固定的传统传输线以及具有这种传输线的谐振器相比，可以进一步减少导体损耗。在允许可以有与传统传输线相似的导体损耗的情况下，可以实现总尺寸小和/或厚度薄的传输线。
在上述的高频传输线中，电极较佳地形成为多层结构，由薄导体层和薄介质层组成。在由形成在介质上的单导体层组成的结构中，由于集肤效应，电流集聚在电极膜的表面层上，因此，大部分电流在有效肤深以内流过表面层。这造成高的导体损耗。这个问题通过使用根据本发明的结构得以减轻，在本发明中，电极形成为多层结构，由薄导体层和薄介质层组成，把电流分流到多层薄导体层内，从而减少电流在与电极厚度交叉的方向上的集聚，因此，减少了总导体损耗。
上述电极可以由超导材料制成。通常，超导材料在温度等于或低于超导转变温度时其电阻变为零。为了保持超导性，需要把电流密度保持在低于临界电流密度的预定值上。如果电流密度变成高于临界电流密度，则超导被打破，材料有一限定的电阻。根据本发明，可以减少电极各部分的电流集聚，因此，可以容易地保持超导性，即使电极的宽度较小(截面积小)。
根据本发明的另一个方面，提供的一种高频传输线包括介质和电极，其中电极被制成多层结构，由薄导体层和薄介质层组成，电极的一端被弯成基本上垂直于介质的表面。在这种结构中，当电流由于边缘效应集聚到电极边缘部分时，电流被分流到以基本上垂直于介质板表面的方向弯曲的电极部分内的多层薄导体层内。而且，电极的有效截面积在边缘效应比其它部分更大的边缘部分增加，因此也可以减少每个薄导体层内的电流集聚。
根据本发明的再一方面，提供的一种介质谐振器使用上述高频传输线作为谐振线，从而实现空载Q(Qo)值高的介质谐振器。
根据本发明的再一方面，提供的一种介质谐振器包括形成在介质表面或介质内的电极，其中在电极的边缘部分沿电极的边缘形成一个或多个间隙。在这种结构中，抑制了电极边缘部分的电流集聚，因此减小了总的导体损耗。结果，可以获得具有高Qo值的介质揩振器。
图31和32示出了各种传输线的模拟衰减常数α(Np/m)。这种模拟是在分别假设每块介质板的厚度和相对介电常数εr为0.1mm和10以及有效线宽度为11μm情况下，在频率2GHz下进行的。图31示出了形成的间隙为1μm的情况下的模拟结果，薄线形电极的宽度为1μm。在形成间隙使薄线形电极在整个传输线宽度上形成的情况下，得到的α变为3.59，这比如图31A所示的传统传输线中获得的衰减常数α=2.92更差。另一方面，如图31C所示，如果沿一个边缘形成一个间隙，沿相对边缘形成另一个间隙，则获得的α=2.87，因此，可以大大地改善导体损耗。如果如图31D所示，在每个边缘部分形成与上述间隙相似的两个间隙，则衰减常数α变成3.15。这一结果比图31A所示的结构差，但比图31B所示的结构要好。如图31E所示在电极的中央形成一个间隙的情况下，虽然α减小了相应于导体截面积减小的量，但α仍比结构(B)中获得的要好。
图32示出了间隙宽度为0.4μm，每个薄线形电极的宽度为1.5μm的情况下的结果。如果如图32B所示，薄线形电极形成在传输线的整个宽度上，则α变成小于图31B中获得的α，这是因为其总截面积大于图31B。然而，如从图32C、32D和32E中所看到的，本发明可以提供较小的α值，因此，减小了导体损耗。
本发明还提供一种包括上述类型的介质揩振器和耦合到该介质谐振器的输入/输出电极的滤波器。根据本发明的另一方面，提供一种双工器，包括传输滤波器和接收滤波器，每个都用根据上述技术的滤波器来实现，其中，传输滤波器设置在传输信号输入端与天线端之间，接收滤波器设置在接收信号输出端与天线端之间。
根据本发明的又一方面，提供一种通信设备，包括高频电路，其中高频电路至少包括一个上述高频传输线、上述介质谐振器、上述滤波器或上述双工器。
图1是根据本发明第一实施例的微带线的结构透视图；
图2是图1所示的微带线中和根据传统技术的微带线中的电流密度分布图；
图3是根据本发明第二实施例的微带线的结构透视图；
图4是根据本发明第三实施例的微带线的结构透视图；
图5是根据本发明第四实施例的微带线的结构透视图；
图6是根据本发明第五实施例的微带线的结构透视图；
图7是根据本发明的共面波导实施例的示意图；
图8是根据本发明的包括两个对称导体的共面波导实施例的示意图；
图9是根据本发明的槽波导实施例的示意图；
图10是根据本发明悬挂带状线实施例的示意图；
图11是根据本发明的叶片线实施例的示意图；
图12是根据本发明的PDTL实施例的示意图；
图13是根据本发明的带状线的实施例的示意图；
图14是根据本发明的改进型带状线的实施例的示意图；
图15是利用多层薄膜电极的例子的示意图；
图16是利用多层薄膜电极的另一个例子的示意图；
图17是根据本发明的1/2-λ传输线谐振器的实施例的示意图；
图18是根据本发明的弹性阻抗谐振器的实施例的示意图；
图19是根据本发明U型谐振器的实施例的示意图；
图20是根据本发明的U型弹性阻抗谐振器的实施例的示意图；
图21是根据本发明的1/4-λ传输线谐振器的实施例的示意图；
图22是滤波器结构的示意图；
图23是开环式TM模式谐振器的实施例的示意图；
图24是开放矩形式TM模式谐振器的实施例的示意图；
图25是矩形带状线谐振器的实施例的示意图；
图26是环形带状线谐振器的实施例的示意图；
图27是开环形介质谐振器的实施例的示意图；
图28是TE模式介质谐振器实施例的示意图；
图29是双工器结构的示意图；
图30是通信设备的结构的示意图；
图31是具有各种结构的高频传输线模拟的衰减常数的示意图；
图32是具有各种结构的高频传输线模拟的衰减常数的示意图；以及
图33是传统微带线的结构的透视图。
下面参照图1和图2描述根据本发明的微带线的第一实施例。图1是微带线的透视图。如图所示，微带线包括形成在介质板1下表面上的地电极2和形成在介质板1上表面上的微带线电极3和3’。如图1所示，在该实施例中，在微带线电极3的边缘部分形成多个间隙4，以在边缘部分形成薄而长的电极3'。微带线电极3和3’可以利用厚膜印刷工艺过制作。另一方面，微带线电极3和3’也可以通过在整个表面上形成电极膜，然后通过诸如蚀刻等适当的图形处理在电极膜上形成间隙4来制作。带状线电极3和3’可以由超导薄膜制成。
图2示出了图1所示的微带线以及图33所示的传统微带线的电流密度分布。在图1所示的结构中，如从图2A中所看到的，虽然电流集聚发生在各电极3和3’的边缘，但电流被分流到多个部分，因此抑制了最大电流密度。相反，在图2B所示的传统微带线中，在电极3的两边都产生了较大的电流集聚，这种边缘上较大的电流集聚导致了较大的导体损耗。
在带状线电极3和3’用超导薄膜制成的情况下，本发明实现的上述最大电流密度的减小可以使它在传输线的整个宽度上通过较大的电流，只要电流密度不超过临界电流密度。这使它可以实现小体积的微带线，并能处理高功率。换句话说，它可以减小带状线电极3和3’的厚度和宽度，使微带线能在低于临界电流密度的电流密度范围内使用。
图3是根据本发明第二实施例的微带线结构的透视图。该微带线与图1所示的微带线相似，即沿微带线电极3的边缘形成多个间隙，不同之处在于处面位置的电极的宽度较小，里面位置的电极宽度较大。在这种结构中，较高密度的薄线形电极形成在边缘效应较大的部分，从而利用较少量的间隙就可以使电流密度分布平均。
图4是根据本发明第三实施例的微带线的结构透视图。该微带线是向图1所示的间隙中填充介质材料4’得到的。虽然在电极3和3’的边缘部分产生电流集聚，但是总电流被分流到多个部分，因而，抑制了最大电流密度。
图5是根据本发明第四实施例的微带线的结构透视图。该微带线是通过在图1或图4所示的介质板1的上表面上覆盖介质5得到的。在根据第四实施例的结构中，抑制了表面波模式与接近TEM模式的基波模式之间的耦合，因而抑制了由于能量转换产生的损耗。
图6是根据本发明第五实施例的微带线的结构透视图，其中在图6A中没有示出微带线3边缘部分的详细结构。图6A的圆圈包围的边缘部分在图6B中以放大的形式示出。在该实施例中，微带线电极13设置在中央，电极3设置在微带线电极13的两侧。而且，薄线形电极3’设置在电极3的两侧。
图7-14示出了不同于微带线的传输线。虽然这些传输线也包括形成在用圆圈作标注的位置上的间隙，但是在图7-14中没有示出包括边缘部分内间隙的详细结构。
图7是应用于共面波导的例子的透视图。如图7所示，在这种结构中，地电极9和共面波导电极8都形成在介质板1的同一表面上。在图中用圆圈作标记的磁场集聚的每个部分内形成一个或多个间隙，即，在共面波导电极8的每个边缘部分上，也在靠近共面波导电极8的每个地电极9的边缘部分上形成一个或多个间隙，从而形成如图6B所示的薄线形电极。
图8是应用于由两个对称导体组成的共面波导的另一个例子的透视图。如图8所示，在该例子中，共面波导电极形成在介质板1的同一表面上。在每个共面波导电极6的两边缘部分都形成一个或多个间隙，以在边缘部分形成与如图6B所示相似的薄线形电极。
图9是应用于槽波导的例子的透视图。如图9所示，波导槽电极形成在介质板1的一个表面上。在这种槽波导中，在彼此隔开一条槽(槽内集聚了磁场)的槽波导电极的边缘部分也形成一个或多个间隙。
图10是应用于悬挂带状线的例子的透视图。如图10所示，在该例子中，在介质板1的一个表面上形成悬挂线电极10，在另一表面上形成地电极11。在彼此间隔一条槽的地电极的边缘部分以及在悬挂线电极10的两边缘部分上形成一个或多个间隙，在这些边缘部分上形成薄线形电极。
图11是应用于叶片线的例子的透视图。如图11所示，在该例子中，其上形成了地电极12的介质板1设置在波导20的内侧。在该例子中，在彼此间隔一条槽(槽内集聚了磁场)的地电极的边缘部分形成一个或多个间隙，以在这些边缘部分上形成与如图6B所示相似的薄线形电极。
图12是应用于PDTL(平面介质传输线)的例子的透视图。如图12所示，在该例子中，在介质板1的两面都形成PDTL电极21，在彼此间隔一条槽的PDTL电极的边缘部分形成与如图6B所示相似的一个或多个间隙，以在这些边缘部分上形成薄线形电极。
图13是应用于带状线的例子的示意图，其中图13A为透视图，图13B为局部放大图。如图13所示，在该例子中，在介质板1的两表面上都形成地电极22，在介质板1的内侧形成带状线电极23。在带状线电极23的两边缘部分的每个部分上形成多个间隙，如图13B所示，以在各边缘部分上形成薄线形电极23'。
图14是带状线的改进结构的透视图。在该带状线中，在介质板1的一个表面上形成地电极22，带状线电极23设置在介质板1的内侧。把带状线电极23形成为与图3所示相似的形状。
现在参照图15和图16，下面描述使用薄的多层膜电极的例子。
图15是应用于微带线的例子的示意图，其中图15A为透视图，图15B为图15A的局部剖面图。如图15所示，在该例子中，在介质板1的一面上形成单层地电极2，在介质板1的另一面上形成薄的多层膜电极30和30'。每个多层膜电极由多层膜制成，它由如图15B所示的导电薄膜层31和介质薄膜层32组成。在微带线电极的边缘部分形成间隙，以在其内形成薄线形电极30'，使集聚在边缘部分的电流以与介质板1表面平行的方向分流。而且，由于把整个电极形成为多层薄膜结构，所以也可以抑制由于在与电极厚度交叉的方向上产生的集肤效应引起的电流集聚。
图16示出了利用多层薄膜电极的另一个例子。在本例中，在介质板1的一个表面上形成单层地电极2，多层薄膜电极30在两边缘弯曲，形成在介质板1的另一表面上。多层薄膜电极30的边缘部分被弯成与图16中用E表示的介质板1垂直的方向。在这种结构中，当由于边缘效应电流集聚到多层薄膜电极30的边缘部分时，在垂直于介质板1的方向上延伸的多层薄膜的边缘部分使电流分流到多个薄膜层中。而且，由于该电极在产生比其它位置上更大的边缘效应的边缘部分具有更大的有效截面积，故也可以抑制每个薄膜层内的电流集聚。
现在参照图17-21，下面描述介质谐振器的例子，这种介质谐振器包括由根据上述任一种技术的高频传输线来实现的谐振线。
图17是1/2-λ传输线谐振器的结构透视图。在该谐振器中，在介质板1的一个表面上形成地电极2，在另一表面上形成微带线电极3和3’。从微带线电极3和3’的一个开放端到相对开放端的长度m选择为等于λ/2或λ/2的整数倍，以使该结构起到两端都开放的谐振器的作用。
图18是应用于弹性阻抗谐振器的例子的透视图。该谐振器是通过在图7所示的谐振器的电极的开放端上形成弹性阻抗电极14得到的。在该结构中，电极长度小于同一谐振频率的微带线谐振器的电极长度。这使它可以在有限的面积内形成介质谐振器。
图19示出了U型谐振器的平面图和剖面图。该谐振器可以通过把图17所示的微带线电极3和3’弯成U形来得到。
图20示出了应用于U型弹性阻抗谐振器的例子。该谐振器可以通过在图19所示的电极两开放端形成弹性阻抗电极14来得到。
图21示出了应用于1/4-λ传输线谐振器的例子。在介质板1的一个表面上形成地电极2，在另一面上形成长度n等于λ/4或等于λ/4的奇数倍的微带线电极3和3'。每个电极的一端连接到地电极2上。在这种结构中，微带线电极起到1/4-λ传输线谐振器的作用。
图22是向图17所示的1/2-λ传输线谐振器增加输入/输出端而得到的滤波器的例子的透视图。如果如图22所示，在靠近与谐振器电极的开放端分开的位置上形成耦接到1/2-λ传输线谐振器的输入/输出电极41和42，以便输入/输出端41和42与1/2-λ传输线谐振器耦接，则可以把得到的结构用作滤波器。
现在参照图23-28，它们是是在介质板或介质棒上形成谐振器电极而得到的介质谐振器的例子。
图23示出了开环TM模式谐振器的透视图和放大剖面图。如图23所示，在该谐振器中，环形谐振器电极43和44分别设置在介质板1的相对面上。而且，在每个谐振电极43和44的边缘部分形成间隙45，以在边缘部分形成薄线形电极43’。在这种结构中，抑制了谐振器电极43和44边缘部分上的电流集聚。因而，减少了导体损耗，从而提高了谐振器的Qo值。
图24是开放式矩形TM模式谐振器的透视图。在该谐振器中，矩形谐振器电极43和44分别设置在介质板1的相对表面上。除了上述之外，该谐振器的结构与图23所示的相同。
图25是矩形带状线谐振器的透视图。如图25所示，在该谐振器中，在介质板1的一个表面上形成地电极2，在另一表面上形成矩形谐振器电极46。在谐振器电极46的边缘部分形成一个或多个与图23B所示相同的间隙，以在边缘部分上形成薄线形电极。
图26示出了环形带状线谐振器。在该谐振器中，在介质板1的一个表面上形成环形谐振器电极46。除上述之外，该谐振器的结构与图25所示的相似。
图27是设置在腔体内的开环式介质谐振器的部分切去的透视图。在图27中参考号48表示柱形介质棒。谐振器电极43设置在这两根介质棒之间，电极44设置在各介质棒的外端面上。这些元件的组件设置在腔体(屏蔽腔)47内。谐振器电极43可以由分别形成在两介质棒48的内端面上的单层或两电极的组合制成。形成在两介质棒48的外端面上的电极44可以或者可以不与腔体47的壁电连接。
图27C示出了谐振器电极内的电流分布，图27D示出了该谐振器内的电分布，图27E示出了该谐振器内的磁场分布。如从这些图中所看到的，大部分谐振电磁场的能量都集聚在介质棒内，各介质棒内的电磁场分布与环形TM110模式内的分布相似。因此，电流集聚在谐振器电极43的边缘部分内。
图27B是图27A的圆圈所包围的部分的剖面放大图。如图27A所示，在谐振器电极43的边缘部分形成多个间隙，以在边缘部分上形成薄线形电极43'，从而抑制谐振器电极43边缘部分的电流集聚。
图28示出了TE模式介质谐振器的例子。在图28中，参考号1表示矩形介质板，其大小相应于腔体47的大小。在介质板1的两表面上形成地电极2，每个地电极在其中央处形成有开环。TE模式谐振器形成在介质板没有被地电极2覆盖的区域内(在形成开口的位置上)。在每个地电极2与非电极部分直接相邻的边缘部分形成多个间隙，以在边缘部分形成薄线形电极2’，从而抑制相邻于地电极2开口的边缘部分内的电流集聚。
图29示出了包含形成在介质板上的谐振传输线的双工器。
图29A是整个结构的俯视图。图29B、29C、29D是图29A中用B、C和D表示的部分的放大图。在图29A中。TX表示传输信号输入端，RX表示接收信号输出端，ANT表示天线端。参考号51、52、53和54表示把微带线电极弯成如图19所示的U形而形成的U型谐振器。参考号50表示支线。
如图29B所示，在谐振器51的端子TX和微带线电极之间的边界上，把中央微带线电极3的一端与电极3两侧的薄线形电极3’的端部形成为指形，以使它们长短交替。端子TX具有若干指，每个指的长度与对应于边界上薄线形电极3’的长度一致，端子TX的指与微带线电极3的指以叉指形式耦合。在支线50的微带线电极与谐振器52的微带线电极之间的边界上，以与图29D所示相似的形式进行耦合。如图29C所示，在谐振器51与谐振器52之间的边界上，把中央微带线电极3的一端与电极3两侧的薄线形电极3’的端部形成为指形，以使它们对于两个谐振器51和52长短交替，并且它们以叉指形式耦合。在端子RX与谐振器54之间、谐振器52与支线50之间、支线50与谐振器53之间以及谐振器53与谐振器54之间的边界上形成相似的耦合。在这种结构中，谐振器与端子之间有坚固的外部耦接，在相邻谐振器之间有坚固的耦合。这使得滤波器特性的设计更灵活。
在图29所示的结构中，传输滤波器由两级谐振器51和52组成，形成在端子TX与支线50之间，接收滤波器由两级谐振器53和54组成，形成在端子RX和支线50之间。支线50的线长度与天线端子ANT与支线50之间的连接位置以这样一种方式确定，即得到的相位阻止了接收滤波器与传输滤波器之间产生干扰。
现在参照图30，下面描述利用上述介质滤波器或双工器的通信设备。如图30所示，通信设备包括传输/接收天线ANT、双工器DX、带通滤波器BPFa、BPFb和BPFc、放大器AMPa和AMPb、混频器MIXa和MIXb、振荡器OSC以及分频器(合成器)DIV。混频器MIXa根据调制信号调制分频器DIV输出的频率信号。带通滤波器BPFa仅使传输频带内的信号通过。放大器AMP对带通滤波器BPFa的输出进行功率放大。把得到的信号通过双工器DPX发送给天线发射。另一方面，带通滤波器BPFb仅使双工器DPC的输出内包含的接收频带内的信号分量通过。放大器AMPb放大带通滤波器BPFb输出的信号。混频器MIXb把带通滤波器BPFc输出的频率信号与接收信号相混合，输出中频信号IF。
图30所示的双工器DPX可以利用具有图29所示的结构的双工器来实现。带通滤波器BPFa、BPFb和BPFc可以利用具有图22所示结构的介质滤波器来实现。可以把压控振荡器用作振荡器OSC，其中振荡器中的谐振器可以利用上述任一种谐振器来实现。因此，可以实现整体体积小、功率转换效率高的通信设备。
从上面的描述可以理解，本发明具有多种优点。即，在根据本发明第一方面的高频传输线中，电流被分流到薄线形电极和主电极的边缘部分，而不显著地减小电极的总截面积。因此，与传统的由在整条传输线上宽度固定的薄线形导体制成的传输线相比，它可以进一步减小导体损耗。在与传统传输线可以允许的导体损耗相似的导体损耗的情况下，可以实现整体体积小和/或厚度薄的传输线。
根据本发明的另一个方面，电极被形成为多层结构，由薄导电层和薄介质层组成，以把电流分流到多个薄导电层中，从而抑制与电极厚度交叉方向上的电流集聚，进一步减小总导体损耗。
在根据本发明的微带线中，如果电极由超导材料制成，则可以抑制电极各部分的电流集聚，因此，可以容易地保持超导，即使有相当大的电流。
在本发明的另一方面，当电流由于边缘效应而集聚到电极的边缘部分时，把电流分流到以基本上与介质板表面垂直方向弯曲的电极部分的多个薄导电层上。而且，在边缘效应大于其它部分的边缘部分，电极的有效截面积增加，因此，也抑制了每个薄导电层内的电流集聚。
在根据本发明另一方面的介质谐振器中，抑制边缘部分的电流集聚导致了总导体损耗的减小，因此提高了空载Q(Qo)值。
根据本发明的另一方面，实现了低损耗的小体积滤波器。
根据本发明的另一方面，实现了低损耗的小体积双工器。
根据本发明的另一方面，实现了高功率转换效率的小体积滤波器。