[发明专利]天线和滤波器结构

说明书

技术领域

本发明涉及用于处理电信号的滤波器和天线。

背景技术

单模的介电滤波器在许多通信系统中具有广泛的使用，包括在蜂窝通信行业之内的低和高功率使用两者。特别地，在许多手持装置中使用的双工滤波器通常将采用该形式的滤波器技术，并且存在某些较高功率的应用，虽然与商业产品相关联的高损耗通常将它们的使用限制到几瓦特（平均功率）或更低的功率级别。

为了在介电滤波器设计中实现陡峭的滚降（roll-off）以及宽通带带宽，通常需要串联地级联多个介电谐振器。该工艺通常将导致在（想要的）通带中的损耗的显著增加，这是由于介电材料本身的插入损耗（即，在该材料之内的介电损耗）以及将能量传送入以及出电介质中的耦合损耗两者。

对使用多模滤波器的兴趣正在增长，因为这些滤波器允许介电材料片（或者“冰球体（puck）”）被有效地多次重新使用以形成更复杂的滤波器特性。这将通常具有比等同的单模谐振器能够实现的更陡峭的滚降和更宽的通带带宽。其通常还将导致较低的损耗，因为信号需要被耦合到介电材料中和被耦合出介电材料的次数减少。典型的示例将是三模滤波器，其中在三个维度或“平面”——X平面、Y平面和Z平面——中激励介电材料。激励可以是H场（磁）或E场（电）或者两者的组合（以任何比率）的形式。在图1A至1C中示出了在立方体100中的三模谐振，其中的每个示出了模式中的不同的一个。在这些图中，由实线箭头示出E场（在图1A的情况下指向纸面中），并且由环绕E场线的环中的虚线表示H场。

在图1A至1C中示出的结构是空腔滤波器的结构。这是被广泛使用并且固有低损耗的结构，这归因于接触电介质并且“反射”在电介质之内设立的场的较大的金属面积——该较大的金属面积减少在金属中的I²R损耗。相对而言，传输线滤波器（例如，梳状线或交指滤波器）一般将电流集中在相对小的导体中并且因此一般具有较高的损耗。

空腔滤波器通常具有大且沉重的缺点，然而使用多模方法允许滤波器的电介质被（实际上）多次使用并且因此允许滤波器针对在其响应中的给定数量的极点和零点更紧密。例如，三模滤波器可以具有每谐振器多达三个极点和三个零点，而常规的单空腔滤波器将仅具有最多一个极点和一个零点，并且因此将需要三倍数量的谐振器来实现相同的滤波器特性。

使用多模方法的结果是具有原理上低成本结构、低损耗和小尺寸的滤波器（或谐振器）。这在有源天线应用中是高度有利的，在有源天线应用中在每个有源天线产品中需要许多滤波器——例如，在16元件（element）900 MHz有源天线产品中通常将需要多达16个。除非使用小的、低成本、低损耗的滤波器，否则产品变得过于沉重或者过于昂贵而不能被大规模部署。

有源天线系统还包含天线元件以辐射和接收信号。这些天线元件一致（unison）地动作以形成单个束或多个束，这取决于馈送它们的一个或多个信号的相位关系或者相位和幅度关系。这样的系统在本领域公知并且这里将不详细描述。

虽然在有源天线架构中使用的多模滤波器可以带来显著的益处，但是仍然可能进一步改善这样的系统。通常指定用于这样的系统的双工滤波器通常具有到被设计成辐射和接收所期望的无线电信号的天线元件的直接连接。尽管该连接的长度短，但是由于所涉及的各种阻抗的失配（这样的失配不是由设计引起，而是由在所涉及的各种部件和材料的制造工艺中的不足产生）并且由于所使用的导体的非零的电阻两者，该连接将招致损耗。例如，在冰球体上使用的耦合结构（即，在冰球体上的传导性接口，用于将信号传递入和/或出冰球体）和在其上安装冰球体的PCB之间将存在失配，连同在PCB走线中的损耗；在将该PCB连接到在其上形成天线元件的PCB（如果其是贴片天线）或者到已形成的金属天线结构（例如，偶极子）的同轴（或其他传输线）连接中也将存在损耗。甚至辐射元件本身将具有非零的电阻率并且因此具有某些损耗。单独地，这些损耗中的每个将非常小，但是合计起来，它们将具有对总体天线的EIRP（有效各向同性辐射功率）及其接收噪声系数的明显的影响。