本發(fā)明涉及腔體諧振器組件以及由其形成的濾波器。

背景技術(shù)：

由諧振器形成的濾波器廣泛地被使用在數(shù)據(jù)傳輸中，并且尤其是在遠(yuǎn)程通信中，例如被使用在基站、雷達(dá)系統(tǒng)、放大器線性化系統(tǒng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線電、以及RF信號(hào)消除系統(tǒng)中。雖然具體的濾波器取決于特定應(yīng)用而被選取或設(shè)計(jì)，但是某些可取特性對(duì)所有濾波器實(shí)現(xiàn)是共同的。例如，濾波器的通帶中的插入損耗量應(yīng)當(dāng)盡可能低，而阻帶中的衰減應(yīng)當(dāng)盡可能高。進(jìn)一步地，在一些應(yīng)用中，通帶與阻帶之間的頻率分隔(保護(hù)帶)需要非常小，這要求部署高階的濾波器以便實(shí)現(xiàn)這一要求。然而，對(duì)于高階濾波器的要求總是跟隨著成本(由于這樣的濾波器要求更大數(shù)目的部件)和空間上的增加。

濾波器設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)性任務(wù)之一是減少它們的大小同時(shí)保持它們的許多電性能，以使得它們比得上更大的結(jié)構(gòu)。支配濾波器的選擇性和插入損耗的主要參數(shù)之一是元件(包括該濾波器)的所謂的品質(zhì)因數(shù)—“Q因數(shù)”。Q因數(shù)被定義為元件中所存儲(chǔ)的能量與時(shí)間平均功率損耗的比率。對(duì)于用于濾波器設(shè)計(jì)的尤其在低RF頻率處使用的集總元件，Q能夠是大約～60-100，而對(duì)于腔體類型諧振器，Q能夠高達(dá)數(shù)千。雖然集總部件提供了顯著的小型化，但是它們的低Q因數(shù)阻止了它們使用在要求高抑制和/或選擇性的高要求應(yīng)用中。另一方面，腔體諧振器提供了充分的Q，但是它們的大小妨礙了它們使用在許多應(yīng)用中。

隨著基站的覆蓋區(qū)應(yīng)當(dāng)為低的小小區(qū)的出現(xiàn)，減小這樣的濾波器的大小的問(wèn)題變得更為迫切。在當(dāng)前所觀察到的宏小區(qū)基站尋求在不犧牲系統(tǒng)性能的情況下在與單頻帶解決方案類似的覆蓋區(qū)內(nèi)提供多頻帶解決方案的趨勢(shì)中，情況也是這樣。減小諧振器大小同時(shí)維持其許多性質(zhì)將會(huì)是可取的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一方面提供了一種諧振器組件，該諧振器組件包括導(dǎo)電諧振器腔體內(nèi)的諧振構(gòu)件；所述諧振構(gòu)件從所述諧振器腔體的第一內(nèi)表面朝向相對(duì)的第二內(nèi)表面延伸；所述諧振構(gòu)件的主要部分具有基本上恒定的第一橫截面積；所述諧振構(gòu)件的蓋帽部分從所述主要部分朝向所述相對(duì)的第二內(nèi)表面延伸，并且具有從鄰近于所述主要部分的所述第一橫截面積增大到所述諧振構(gòu)件的末端處較大的蓋帽橫截面積的逐漸增大的橫截面積，所述較大的蓋帽橫截面積至少是所述第一橫截面積的1.1倍。

如上文所提到的，可取的是產(chǎn)生由具有高性能并且特別是高品質(zhì)或Q因數(shù)但是小尺寸的諧振器所形成的濾波器。腔體諧振器具有許多性能要求但是一般相當(dāng)大，這被系統(tǒng)要具有諧振頻率的波長(zhǎng)的大約四分之一的大小的物理性質(zhì)所限制。因此，對(duì)于所述600MHz的諧振頻率而言，四分之一波長(zhǎng)將會(huì)是12.5cm，這要求類似長(zhǎng)度的諧振構(gòu)件。

在包括串行布置的多個(gè)諧振器組件的傳統(tǒng)梳狀線濾波器中，一種減小這樣的腔體諧振器組件的大小的方式是借助于使用電容性蓋帽，即增大諧振器頂部末端的直徑以便提供較大的電加載并且因此減小工作頻率，以使得諧振構(gòu)件在小于諧振波長(zhǎng)的四分之一處諧振。圖1示出了這樣的諧振器組件的示例，然而，這種方法需要小心被采用，因?yàn)樗鼘?dǎo)致Q因數(shù)上的減小。

圖2中示出了另一種方法。這種方法不同于圖1中所提出的方法，因?yàn)樗灰蕾囉谠谥C振器頂部處的強(qiáng)電容性加載。替代地，它認(rèn)識(shí)到當(dāng)高頻電流在諧振器外側(cè)沿著其長(zhǎng)度流動(dòng)時(shí)，能夠通過(guò)使用波動(dòng)使得沿著外表面的長(zhǎng)度更長(zhǎng)而產(chǎn)生具有相同長(zhǎng)度的高度減小的諧振器柱。在圖2中所提出的諧振器的情況中，為了在特定頻率處諧振所需要的90度(或四分之一波長(zhǎng))的電長(zhǎng)度通過(guò)調(diào)整諧振柱的半徑而使用與傳統(tǒng)諧振器相比高度較低的諧振器而被實(shí)現(xiàn)。具體來(lái)講，由于RF電流在諧振器的外表面上流動(dòng)(從底部到頂部)的事實(shí)，具有非均勻半徑的諧振器在電氣上長(zhǎng)于相同高度的傳統(tǒng)諧振器，因?yàn)镽F電流具有較長(zhǎng)的路徑要遵循。這導(dǎo)致工作頻率的降低。這種形式的諧振器確實(shí)提供了適度的尺寸減小，但是由于沿著諧振柱的寄生電流耦合，這以極大降低的Q因數(shù)而到來(lái)。此外，由于諧振器的彎曲屬性，所以準(zhǔn)確地制造這種諧振器稍具挑戰(zhàn)性。

本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)識(shí)到當(dāng)前諧振器并且特別是腔體諧振器的缺陷，并且尋求提供一種具有高品質(zhì)因數(shù)和減小的尺寸的改進(jìn)的腔體諧振器組件。特別地，他們認(rèn)識(shí)到，使用諸如在圖1的階梯式阻抗諧振器中所使用的電容性蓋帽降低了諧振器的工作頻率，這允許其被用于較低頻率，而不像在要求工作頻率降低時(shí)一般所要求的那樣要求其尺寸增大。就此而言，蓋帽的頂部面積的尺寸可以大于諧振構(gòu)件的主要部分的面積尺寸的1.1倍，或者其可以顯著地更大，多于兩倍或者在一些情況下多于五倍。

然而，圖1的常規(guī)階梯式阻抗濾波器具有低品質(zhì)，這一定程度上是由于柱體與蓋帽之間的接合處的阻抗高度不匹配，因?yàn)橹C振構(gòu)件的阻抗取決于半徑。就此而言，底部節(jié)段的特性阻抗通常遠(yuǎn)高于頂部分段的特性阻抗。阻抗不匹配生成了反射并且增加了損耗。通過(guò)提供蓋帽部分的逐漸增大的橫截面積以使得該面積逐步增大，本發(fā)明減小了阻抗上的不匹配和對(duì)應(yīng)的損耗。因此，尺寸減小上的優(yōu)點(diǎn)能夠被維持同時(shí)Q因數(shù)上的減小顯著地被減小。

此外，這樣的諧振器組件的形狀使得更容易令諧振構(gòu)件的頂部處的尺寸與腔體的尺寸相比為大同時(shí)不限制諧振，而圖1的設(shè)計(jì)要求諧振構(gòu)件的頂部的尺寸顯著小于腔體，因?yàn)樗谥C振時(shí)要求諧振構(gòu)件的蓋帽與腔體壁之間具有合理量的空隙。由于諧振構(gòu)件的上表面的尺寸影響電容上的增加，所以提供較大的頂部面積是有利的。

在一些實(shí)施例中，諧振構(gòu)件包括從第一內(nèi)表面延伸到主要部分的支撐部分，支撐部分具有錐形化橫截面，其從鄰近于諧振器腔體的第一內(nèi)表面的較大的支撐橫截面積到鄰近于諧振構(gòu)件的主要部分的第一橫截面積逐漸減小，較大的支撐橫截面積至少是第一橫截面積的1.1倍。較大的支撐橫截面積的尺寸可以大于諧振構(gòu)件的主要部分的面積尺寸的1.1倍，或者它可以多于兩倍或者在一些情況下可以多于五倍。

本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，在腔體諧振器中，在諧振器中耗散的功率使品質(zhì)因數(shù)減小，并且在諧振器的連接到腔體(其自身接地)的部分中耗散的功率由于也存在阻抗不匹配而為高，該阻抗不匹配從狹窄柱體的相對(duì)高阻抗到接地板的低阻抗。如早前所提到的，這樣的諧振器構(gòu)件的特性阻抗取決于其半徑，并且因此以逐漸的方式朝向接地板增大半徑將會(huì)逐步減小阻抗，并且以這種方式將使阻抗上的不匹配減小并且反射和相關(guān)聯(lián)的功率損耗也將會(huì)對(duì)應(yīng)地減小。因此，設(shè)計(jì)具有擁有外展(flared)上部蓋帽和外展底部支撐構(gòu)件的諧振構(gòu)件的諧振組件減少了這種設(shè)備的功率損耗并且因此增大了品質(zhì)因數(shù)，而頂部構(gòu)件的增大的電容允許設(shè)備與具有簡(jiǎn)單柱體的常規(guī)腔體濾波器相比具有較小的尺寸。

如先前所提到的，諧振器組件的增加的電容被諧振構(gòu)件的自由端處的橫截面積的尺寸以及其與諧振腔體的相對(duì)內(nèi)表面的緊密度所影響。在一些情況下，蓋帽的上表面距離諧振腔體的相對(duì)內(nèi)表面小于3mm，并且優(yōu)選地小于1.5mm。清楚的是，將在電容隨著逼近的接近度的增大與空氣在間隙過(guò)小的情況下的介電擊穿的可能性和/或在這種設(shè)備在使得該間隙特別小的場(chǎng)合所要求的制造公差上的增大之間進(jìn)行一些平衡。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)1.5與3mm之間的間隙高效地起作用，但是這是特定于應(yīng)用的并且其他間隙可能被使用。

在一些實(shí)施例中，諧振構(gòu)件具有諧振器構(gòu)件的諧振波長(zhǎng)的八分之一至十六分之一之間的長(zhǎng)度，優(yōu)選地在十一分之一與十三分之一之間。

當(dāng)前設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，諧振構(gòu)件由于蓋帽的增大的電容將不在四分之一波長(zhǎng)處而是在較低的波長(zhǎng)處諧振，由此允許減小尺寸的諧振器組件。如上文所提到的，尺寸上的這一減小可能是顯著的，并且諧振發(fā)生在對(duì)應(yīng)于諧振波長(zhǎng)的八分之一至十六分之一的22至45度之間。如能夠意識(shí)到的，與具有用于擁有四分之一諧振波長(zhǎng)的長(zhǎng)度的諧振構(gòu)件的柱體的常規(guī)諧振器腔體相比，這能夠使尺寸減小一半至四分之一。

在一些實(shí)施例中，蓋帽部分的至少一部分具有基本上截頭圓錐形的形狀。

雖然諧振構(gòu)件的自由端或蓋帽部分的錐形化或外展形狀可能采取多種形式，但是基本上截頭圓錐形的形狀提供了易于制造并避免阻抗上的階躍變化的穩(wěn)定錐形。

類似地，支撐部分也可以具有截頭圓錐形的形狀。

就此而言，支撐部分和蓋帽部分可以僅為截頭圓錐形，或者它們可以具有截頭圓錐形的部分并且最末端可能是圓柱形的。這可以使得構(gòu)件更易于制造并且更為魯棒，同時(shí)還支持最末端部分周?chē)碾娏髁鲃?dòng)。

在其他實(shí)施例中，錐形化形狀可以具有指數(shù)剖面，以使得角度上的增加是指數(shù)地增加而不是如在截頭圓錐形情況中那樣線性地增加。替換地，該剖面可以具有對(duì)數(shù)或多項(xiàng)式函數(shù)的形式。

當(dāng)人們看到這樣的特性阻抗的等式時(shí)，能夠觀察到，如果諧振柱的半徑以指數(shù)方式變化則觀察到特性阻抗的線性變化。因此，如果諧振柱的直徑以指數(shù)方式朝向腔體直徑增大，則特性阻抗的變化將會(huì)是線性的，這導(dǎo)致了較低的反射并且隨后降低由于諧振構(gòu)件底部處不想要的反射所致的功率耗散。這樣成形的錐形對(duì)于支撐部分和蓋帽部分兩者可能是有利的，替換地，這兩者中的任一個(gè)可以具有這種形狀。

在一些實(shí)施例中，所述較大的蓋帽節(jié)段橫截面積至少為所述諧振腔體的所述相對(duì)內(nèi)表面的所述橫截面積的70％。

諧振構(gòu)件的自由端或蓋帽的橫截面積越大，諧振構(gòu)件的電容上的增大就越高并且工作頻率上的減小就越高，并且因此設(shè)備大小的減小就越高。清楚的是，該大小被腔體的大小所限制，然而，至少為相對(duì)內(nèi)部腔體表面的面積的70％的諧振構(gòu)件自由端的橫截面積已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)是特別有利的，基本上填充了腔體同時(shí)允許了進(jìn)行諧振的空間。

類似地，較大的支撐橫截面積有利地至少為腔體的支撐內(nèi)表面的面積的70％。

在一些實(shí)施例中，所述諧振構(gòu)件和所述腔體每個(gè)都包括基本上圓形的橫截面。

雖然諧振構(gòu)件和腔體可能具有多種形式，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在它們具有匹配形式的情況下是有利的，因?yàn)檫@改進(jìn)了任何電場(chǎng)的均勻性并且減少了熱點(diǎn)電流。特別地，與由更為有角度的形狀所形成的組件相反，圓形橫截面為組件提供了特別低的熱點(diǎn)電流。

對(duì)應(yīng)形狀的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)是，諧振構(gòu)件任一端的橫截面積在它們具有對(duì)應(yīng)形狀的情況下較少地被腔體大小所限制。

在其他實(shí)施例中，所述諧振構(gòu)件包括基本上圓形的橫截面并且所述諧振腔體包括四邊形的橫截面。

雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在諧振構(gòu)件和諧振腔體具有匹配形狀的情況下是有利的，特別是因?yàn)檫@允許諧振柱的自由端與腔體邊緣是等距的從而避免熱點(diǎn)電流，但是在一些情況下，四邊形橫截面的腔體的更易于制造可能具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。特別地，在諸如腔體按行布置的梳狀線濾波器的設(shè)備中，四邊形形狀關(guān)于諧振器組件的性質(zhì)的缺點(diǎn)可能更多地通過(guò)濾波器的來(lái)自使用這種形狀的設(shè)計(jì)上的優(yōu)點(diǎn)而被補(bǔ)償。

雖然諧振器組件可應(yīng)用于寬頻率范圍并且諧振器組件的尺寸將隨著諧振頻率而改變，但是它在射頻中具有特別應(yīng)用并且例如用于在基站中使用。在這樣的情況下，500MHz與1GHz之間的諧振頻率能夠使用具有5-3cm之間的諧振構(gòu)件的諧振器而被實(shí)現(xiàn)。這顯著地小于常規(guī)的簡(jiǎn)單柱體諧振器腔體，常規(guī)的簡(jiǎn)單柱體諧振器腔體將具有四分之一波長(zhǎng)的柱體尺寸，并且因此在這個(gè)示例中在12.5-9cm之間。

在一些實(shí)施例中，所述諧振構(gòu)件的所述蓋帽部分被配置為包括容抗，該容抗與所述諧振器構(gòu)件的所述主要部分的感抗在振幅上相等但具有相反的符號(hào)。

為了諧振構(gòu)件具有低阻抗并且達(dá)到諧振，該容抗和感抗應(yīng)當(dāng)被匹配并且具有相反的符號(hào)。因此，在選擇諧振構(gòu)件的形狀并且特別是主要部分的長(zhǎng)度和寬度以及電容性蓋帽的尺寸時(shí)，需要考慮到這些因素。

在一些實(shí)施例中，主要節(jié)段的長(zhǎng)度在諧振器構(gòu)件總長(zhǎng)度的一半與四分之三之間。這樣的布置已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)提供了適合的性質(zhì)。

本發(fā)明的第二方面提供了一種濾波器，該濾波器包括：根據(jù)本發(fā)明的第一方面的多個(gè)諧振器組件，該多個(gè)諧振器組件包括輸入諧振器組件和輸出諧振器組件，輸入諧振器組件和輸出諧振器組件被布置以使得在所述輸入諧振器組件處接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)所述多個(gè)諧振器組件并且在所述輸出諧振器組件處被輸出；輸入饋線，被配置為向所述輸入諧振器組件的輸入諧振器構(gòu)件傳輸信號(hào)以使得所述信號(hào)激勵(lì)所述輸入諧振器構(gòu)件，所述多個(gè)諧振器組件被布置以使得所述信號(hào)在所述對(duì)應(yīng)的多個(gè)諧振器構(gòu)件之間被傳送給所述輸出諧振器組件的輸出諧振器構(gòu)件；輸出饋線，用于從所述輸出諧振器構(gòu)件接收所述信號(hào)并且輸出所述信號(hào)。

這些類型的諧振器組件當(dāng)被組合在一起以形成濾波器時(shí)是特別有用的，該濾波器例如可以被使用在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的基站中。它們具有高品質(zhì)因數(shù)但具有與常規(guī)腔體濾波器相比減小的尺寸。

這些諧振器組件特別地可應(yīng)用于使用作為射頻濾波器和/或梳狀線濾波器。

在這樣的濾波器中，輸入和輸出線路可以在主要部分處接觸諧振構(gòu)件，使得其諧振，或者它們可以接近于但不接觸諧振構(gòu)件被定位以使得信號(hào)通過(guò)電容性耦合被傳送。

另外的特定和優(yōu)選的方面在所附的獨(dú)立和從屬權(quán)利要求中被闡述。從屬權(quán)利要求的特征在適當(dāng)時(shí)可以與獨(dú)立權(quán)利要求的特征進(jìn)行組合，并且是以權(quán)利要求中明確闡述的那些組合之外的組合。

在裝置特征被描述為可操作為提供功能的場(chǎng)合，將意識(shí)到，這包括了提供該功能或者被適配或配置為提供該功能的裝置特征。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)在將參考附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中：

圖1圖示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的階梯式阻抗諧振器；

圖2圖示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的曲折型諧振器；

圖3A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的諧振器組件的打開(kāi)視圖；

圖3B示出了表格，該表格給出了現(xiàn)有技術(shù)的階梯式阻抗諧振器與圖3A的諧振器之間的性能比較；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的五極切比雪夫?yàn)V波器；

圖5示出了常規(guī)諧振器的五極切比雪夫?yàn)V波器與根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的沙漏型諧振器的五極切比雪夫?yàn)V波器之間的插入損耗性能比較；

圖6示出了圖5的分解視圖；

圖7示意性地示出了具有方形諧振器腔體的5極沙漏型濾波器中的電場(chǎng)分布；

圖8示意性地示出了具有圓形諧振器腔體的5極沙漏型濾波器中的電場(chǎng)分布；

圖9示出了表格，該表格示出了常規(guī)諧振器與圖7和圖8的實(shí)施例的沙漏型諧振器之間的性能特性；

圖10示意性地示出了用于大約700MHz的諧振頻率的諧振器組件；

圖11示意性地示出了具有線性錐形化節(jié)段的諧振構(gòu)件以及這樣的諧振構(gòu)件在被安裝于諧振器組件中時(shí)在阻抗上的改變；

圖12示意性地示出了具有錐形化節(jié)段的有效直徑上的指數(shù)式改變的諧振構(gòu)件以及阻抗上的對(duì)應(yīng)改變；以及

圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例的諧振器組件。

具體實(shí)施方式

在更為詳細(xì)地討論實(shí)施例之前，將首先提供概述。

公開(kāi)了一種適合于在濾波器(諸如射頻和/或梳狀線濾波器)中使用的諧振器組件。諧振構(gòu)件在它的自由端處具有蓋帽部分，該蓋帽部分具有外展形狀，從而橫截面積從中部柱狀的節(jié)段向末端增大，該末端具有接近于腔體內(nèi)壁的上部圓板的形式。這一蓋帽部分向諧振構(gòu)件提供了電容上的增加，由此允許諧振器組件在與相同大小的常規(guī)腔體諧振器相比的較低頻率處進(jìn)行操作。相對(duì)小的腔體諧振器由此被提供有高品質(zhì)因數(shù)。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，諧振構(gòu)件具有沙漏形狀，從而諧振構(gòu)件附接到諧振腔體的部分具有與蓋帽部分相似的錐形化或外展形狀。

這樣的諧振器解決了階梯式阻抗諧振器的缺陷，也就是低Q因數(shù)，同時(shí)保持并實(shí)際上經(jīng)常超過(guò)可取的小體積。下文描述它們的操作原理。

在附接到腔體的末端處的錐形化節(jié)段引起了諧振器的短路端中的耗散功率上的減少。這一節(jié)段不需要很長(zhǎng)，只需要足夠長(zhǎng)以提供阻抗上的平滑過(guò)渡并且由此減少耗散功率。主要的中部部分負(fù)責(zé)電感性能量存儲(chǔ)并且能夠被制成具有適當(dāng)?shù)男≈睆揭詽M足所要求的諧振條件。蓋帽部分引入了容抗，該容抗在優(yōu)選的實(shí)施例中與主要節(jié)段所引入的感抗在振幅上相等但是具有相反的符號(hào)。增加蓋帽節(jié)段的直徑，使得電容性加載增大并且產(chǎn)生較低的工作頻率，并且因此產(chǎn)生與現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)應(yīng)諧振器組件相比的減小尺寸的諧振器組件。

現(xiàn)在從圖1的階梯式阻抗諧振器或諧振器組件開(kāi)始，提供諧振構(gòu)件的形狀如何影響諧振器組件的操作的解釋。

用于這一諧振器組件的Q因數(shù)的表達(dá)式能夠被寫(xiě)為：

$Q=2{\mathrm{\πf}}_0\frac{W_1+W_2}{P_s+P_1+P_2}---\left(1\right)$

其中W₁和W₂分別表示圖1的諧振構(gòu)件的諧振器部分中存儲(chǔ)的能量，每個(gè)諧振器部分具有特性阻抗Z₀₁和Z₀₂。P₁和P₂表示相同特性阻抗的圖1的諧振構(gòu)件的諧振器部分中所耗散的功率。(1)中的P_s表示諧振器的短端(short ended)部分(附接到腔體的支撐部分)中耗散功率并且能夠被表示為

$P_s=\left(\frac{r_s}{4\mathrm{\π}}\right)I_0^{2}ln\left(\frac{b}{a}\right)---\left(2\right)$

在等式(2)中，r_s是導(dǎo)電性柱體的表面電阻率，I₀表示線路的短路端處的電流，而b和a分別代表諧振腔體和諧振柱體的外部和內(nèi)部有效直徑。(這個(gè)意義上的“有效”意指圖1的諧振器的橫截面能夠?yàn)榫匦?，在這種情況下需要定義“有效”半徑。)

在階梯式阻抗諧振器的設(shè)計(jì)中，完整諧振器的底部節(jié)段的特性阻抗Z₀₁通常遠(yuǎn)高于完整諧振器的頂部節(jié)段的特性阻抗Z₀₂，因?yàn)樵摻M合提供了所期望的減小的工作頻率，但是其以減小的Q因數(shù)為代價(jià)。Q因數(shù)的減小的主要原因在于等式(2)，其表明短路節(jié)段中的功率損耗通過(guò)圖1的諧振器的底部部分的直徑的減小而被增加。為了減少這一節(jié)段中的耗散功率，圖1的諧振器的底部節(jié)段的直徑需要盡可能地寬—最終的最小值情況在

$\underset{a\→b}{\lim }\left(P_s\right)=0---\left(3\right)$

時(shí)被建立，即在有效直徑a和b相等時(shí)被建立。然而，這樣的要求施加了對(duì)于諧振柱體與諧振腔室一樣寬的需求，這進(jìn)而使得諧振器是無(wú)用的，因?yàn)樵谶@種情況下諧振器不能諧振。

本申請(qǐng)尋求提供對(duì)這一問(wèn)題的解決方案。為了滿足等式(3)，但是同時(shí)使得諧振器能夠諧振，在諧振器短端部分處引入短的錐形化節(jié)段，從而該節(jié)段在諧振器的底部處較寬，因?yàn)檫@在短路節(jié)段中提供了減少的功率損耗同時(shí)允許諧振器諧振。圖3A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的諧振器的示例，其中諧振腔體的橫截面為方形。然而，其他橫截面被設(shè)想到，諸如矩形或圓形。

圖3A的諧振器組件由于其形似沙漏而被稱作“沙漏型諧振器”。它解決了階梯式阻抗諧振器的缺陷—也就是低Q因數(shù)，同時(shí)保持了可取的小體積。現(xiàn)在描述它的操作原理。

依據(jù)等式(3)，具有長(zhǎng)度Θ₁的節(jié)段負(fù)責(zé)減少諧振器的短路端中的耗散功率。這一節(jié)段不需要很長(zhǎng)—幾度的信號(hào)就足以確保平滑過(guò)渡并且減少耗散功率。被稱作Θ₂的第二節(jié)段負(fù)責(zé)電感性能量存儲(chǔ)并且能夠被制成具有足夠小的直徑以便滿足諧振條件。第三部分Θ₃引入了必要的容抗，在這種情況下與節(jié)段Θ₂所引入的感抗在振幅上相等但是具有相反的符號(hào)。這一節(jié)段Θ₃的頂部部分的直徑能夠被增大以使得它的電容性加載被增大以產(chǎn)生較低的工作頻率。

為了論證所提出的諧振器的強(qiáng)度和潛力，它的代表性性能與在相同頻率(714MHz)處諧振的常規(guī)諧振器(具有輕微電容性加載以減小它的高度)進(jìn)行了比較并且被提供在圖3B的表格中。應(yīng)當(dāng)注意，這些值僅是代表性的，并且沙漏型諧振器可能有更好的性能。

如從圖3b的表格來(lái)看是明顯的，所提出的諧振器展現(xiàn)出比所比較的常規(guī)諧振器小2.25倍的體積，并且Q因數(shù)上僅有輕微減小(小于3％)。Q因數(shù)上的這一減小幾乎可忽略。進(jìn)一步地，沙漏型諧振器的第一假響應(yīng)發(fā)生在4.64GHz處，這比它的基本諧振頻率高6.5倍；而常規(guī)諧振器的第一假響應(yīng)在3.04GHz處，對(duì)應(yīng)于比常規(guī)諧振器的基本諧振頻率高4.25倍的頻率。

所給出的示例用于714MHz的諧振頻率。兩個(gè)錐形化節(jié)段的長(zhǎng)度在這一實(shí)施例中為3-4度，而中部節(jié)段的長(zhǎng)度大約為15度。這提供了21至23度的總長(zhǎng)度，其顯著小于90度的在四分之一波長(zhǎng)處諧振的柱體諧振器的長(zhǎng)度。一般而言，本發(fā)明的實(shí)施例的諧振器可以具有20與40度之間的諧振構(gòu)件；這是諧振頻率處的波長(zhǎng)的十八分之一至九分之一。因此，在諧振頻率為714MHz的場(chǎng)合，20度表示波長(zhǎng)的1/18，這能夠從300/714m導(dǎo)出(換句話說(shuō)，光速除以頻率)，并且處于2.5cm的區(qū)域之中。

為了進(jìn)一步論證所提出的諧振器的潛力，圖4中示出了使用沙漏型諧振器的五極濾波器，并且它的性能與在相同頻帶中進(jìn)行操作的常規(guī)五極濾波器進(jìn)行了比較，參見(jiàn)圖5和6。

如從圖5和圖6來(lái)看是明顯的，與常規(guī)濾波器相比，沙漏型五極濾波器的總插入損耗性能在通帶中降級(jí)小于0.1dB，這足以用于大多數(shù)應(yīng)用。

為了理解所提出的濾波器的功率處理能力，讓我們看一下什么參數(shù)影響到功率處理。忽略無(wú)源互調(diào)(PIM)—因?yàn)檫@種現(xiàn)象取決于接合的質(zhì)量和表面平面度，確定功率處理的限制因素在于濾波器腔體內(nèi)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)可得到的文獻(xiàn)，在空氣中的介電擊穿之前的最大電場(chǎng)發(fā)生在3x10⁶V/m。任何設(shè)備中的電場(chǎng)的強(qiáng)度最終都取決于電荷在導(dǎo)體中的分布。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可取的是具有盡可能均勻的電荷分布，因?yàn)椴痪鹊姆植紝?dǎo)致“熱點(diǎn)”的創(chuàng)建，即電場(chǎng)可能比導(dǎo)體中的任何其他地方大若干量級(jí)的區(qū)域。電荷分布的并且因此電場(chǎng)的這些“熱點(diǎn)”不僅從功率處理的視角來(lái)看是有害的，而且它們還負(fù)面地影響了諧振結(jié)構(gòu)的Q因數(shù)，因?yàn)椤盁狳c(diǎn)”是由于增大的電流密度而具有顯著功率損耗的區(qū)域。

例如，讓我們考慮圖4的5極濾波器，其中諧振器的頂部邊緣被平滑化以便避免創(chuàng)建電荷的非連續(xù)性。進(jìn)一步地，值得注意的是，在這種情況下，諧振腔室的橫截面為方形并且沙漏型諧振器的圓形頂部的邊緣與諧振器的外殼不是等距的。濾波器內(nèi)的電場(chǎng)分布在圖7中給出。在0.5W的平均輸入功率處的最大電場(chǎng)發(fā)生在3.2x 10⁵V/m處，這給出了4.68W的最大平均輸入功率，而在該輸入功率處發(fā)生空氣中的介電擊穿。更接近地查看電場(chǎng)的分布，從圖7來(lái)看變得清楚是，最大電場(chǎng)在第二諧振器(以紅色給出)的頂部上發(fā)生在最接近于外殼主體的邊緣處，而電場(chǎng)在其他地方更為均等地被分布。為了增大這種諧振器類型的功率處理能力，應(yīng)當(dāng)避免或者至少減少這些熱點(diǎn)的創(chuàng)建。這能夠以各種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)；然而，最簡(jiǎn)單的方式是將腔體的橫截面從方形改變?yōu)閳A形。以這種方式，實(shí)現(xiàn)了更為均等的電荷分布，并且因此不僅增加了功率處理能力，而且也增大了Q因數(shù)。

圖9中的表格給出了比較。如能夠從這個(gè)表格看到的，通過(guò)將諧振器的橫截面的形狀從方形改變?yōu)閳A形，Q因數(shù)增大了并且此外第一假響應(yīng)現(xiàn)在位于4.75GHz而不是4.64GHz。進(jìn)一步地，所占據(jù)的體積減小了大約5％。與常規(guī)諧振器相比，總的體積減小大約是2.36倍，并且未加載的Q因數(shù)上沒(méi)有減小。確實(shí)，圓形橫截面的沙漏型諧振器的Q因數(shù)優(yōu)于常規(guī)諧振器的Q因數(shù)。

現(xiàn)在來(lái)看功率處理能力，5極圓形橫截面的濾波器已經(jīng)被設(shè)計(jì)為工作在與它的方形橫截面對(duì)應(yīng)物相同的頻率范圍中。圖8中呈現(xiàn)了腔體內(nèi)的最大電場(chǎng)。如從這個(gè)圖來(lái)看清楚的是，電場(chǎng)的最大強(qiáng)度發(fā)生在第三諧振器的頂部上的邊緣上并且大約等于1.8x 10⁵。使用與具有方形橫截面的沙漏型諧振器的情況下相同的理由，在介電擊穿之前的最大平均輸入功率大約為8.3W，其幾乎比方形橫截面的沙漏型諧振器的情況中大兩倍。重要的是要注意到，所提出的沙漏型諧振器(具有方形和圓形形狀)沒(méi)有被優(yōu)化并且在功率處理和插入損耗方面的更好性能可以是很可能的。

圖10中示出了具有尺寸的示例諧振器組件。這一諧振器組件10被配置用于工作在大約700MHz頻率處并且具有40×15×15mm的腔體大小。諧振構(gòu)件12具有25mm長(zhǎng)的中部部分14以及5mm長(zhǎng)的支撐部分16和6mm長(zhǎng)的蓋帽部分18。兩個(gè)錐形化節(jié)段的最大直徑為14mm，而諧振構(gòu)件的中部節(jié)段具有5.6mm的直徑。在這個(gè)示例中，諧振構(gòu)件的兩端具有直徑為14mm且長(zhǎng)度為1mm的圓柱形節(jié)段。

圖11示意性地示出了具有截頭圓錐形的錐形化節(jié)段的諧振器組件的諧振構(gòu)件的阻抗沿著諧振構(gòu)件的長(zhǎng)度如何變化。如能夠看到的，阻抗上的改變隨著諧振器的寬度y以指數(shù)函數(shù)變化。實(shí)際上阻抗Z＝f(ln y)。

圖12示意性地示出了具有指數(shù)錐形化末端部分的諧振器組件的諧振構(gòu)件的阻抗Z如何變化。在這種情況下，諧振構(gòu)件的兩個(gè)末端部分的直徑以指數(shù)方式從中部節(jié)段開(kāi)始增大而使得直徑y(tǒng)是e^x的函數(shù)。在這種情況下，阻抗Z是x的線性函數(shù)，Z＝f(x)。阻抗上的這種線性進(jìn)展以減小的功率損耗為諧振器組件提供了改進(jìn)的品質(zhì)因數(shù)。

圖13示出了具有諧振器腔體11和諧振構(gòu)件12的諧振器組件10的進(jìn)一步示例。在這一實(shí)施例中，諧振構(gòu)件在支撐端處具有柱狀節(jié)段14并且在自由端處具有外展的蓋帽部分18。因此，提供了電容上的增大以降低工作頻率并且提供減小的尺寸。然而，歸因于附接到腔體11的諧振構(gòu)件12的末端處的阻抗不匹配，與沙漏型實(shí)施例相比將會(huì)有附加的功率損耗。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易認(rèn)識(shí)到，上文描述的各種方法的步驟能夠由經(jīng)編程的計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行。在本文中，一些實(shí)施例還意圖覆蓋程序存儲(chǔ)設(shè)備，例如數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，它們是機(jī)器或計(jì)算機(jī)可讀的并且對(duì)機(jī)器可執(zhí)行或計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的指令程序進(jìn)行編碼，其中所述指令執(zhí)行上文描述的所述方法的一些或全部步驟。程序存儲(chǔ)設(shè)備例如可以是數(shù)字存儲(chǔ)器、磁性存儲(chǔ)介質(zhì)(諸如磁盤(pán)和磁帶)、硬驅(qū)動(dòng)器、或者光學(xué)可讀數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。實(shí)施例還意圖覆蓋被編程為執(zhí)行上文描述的方法的所述步驟的計(jì)算機(jī)。

附圖中所示出的各種元件的功能，包括被標(biāo)記為“處理器”或“邏輯”的任何功能塊，可以通過(guò)使用專用硬件以及與適當(dāng)軟件相關(guān)聯(lián)的能夠執(zhí)行軟件的硬件來(lái)提供。當(dāng)由處理器提供時(shí)，這些功能可以由單個(gè)專用處理器、由單個(gè)共享處理器、或者由多個(gè)個(gè)體處理器(其中的一些可以是共享的)來(lái)提供。此外，對(duì)術(shù)語(yǔ)“處理器”或“控制器”或“邏輯”的明確使用不應(yīng)當(dāng)被解釋為排他地指代能夠執(zhí)行軟件的硬件，并且可以隱含地不帶限制地包括數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)硬件、網(wǎng)絡(luò)處理器、專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)、用于存儲(chǔ)軟件的只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(RAM)、以及非易失性存儲(chǔ)設(shè)備。還可以包括常規(guī)和/或定制的其他硬件。類似地，附圖中所示出的任何開(kāi)關(guān)僅是概念性的。它們的功能可以通過(guò)程序邏輯的操作、通過(guò)專用邏輯、通過(guò)程序控制和專用邏輯的交互、或者甚至手動(dòng)地來(lái)執(zhí)行，特定的技術(shù)是由實(shí)施者在從上下文更具體地理解時(shí)可選擇的。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，本文的任何框圖表示了體現(xiàn)本發(fā)明原理的說(shuō)明性電路的概念視圖。類似地，將意識(shí)到，任何流程圖、流程圖表、狀態(tài)變換圖、偽代碼等表示各種過(guò)程，這些過(guò)程可以基本上被表示在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中并且因此由計(jì)算機(jī)或處理器來(lái)執(zhí)行，而無(wú)論是否明確示出了這樣的計(jì)算機(jī)或處理器。

本描述和附圖僅說(shuō)明了本發(fā)明的原理。將因此意識(shí)到，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠設(shè)計(jì)出各種布置，它們雖然沒(méi)有在本文中明確被描述或示出，但是卻體現(xiàn)了本發(fā)明的原理并且被包括在它的精神和范圍之內(nèi)。此外，本文所引用的所有示例主要明確地意圖為僅用于教導(dǎo)的目的以幫助讀者理解本發(fā)明的原理以及由(多個(gè))發(fā)明人為促進(jìn)本領(lǐng)域所貢獻(xiàn)的概念，并且將被解釋為沒(méi)有限制于這樣具體記載的示例和條件。此外，本文中記載本發(fā)明的原理、方面和實(shí)施例以及它們的具體示例的所有陳述意圖涵蓋它們的等價(jià)物。