一種平面超導微帶諧振器的製作方法

2023-05-08 22:24:31

專利名稱：一種平面超導微帶諧振器的製作方法
技術領域：
本發明涉及諧振器，尤其涉及一種平面超導微帶諧振器。
背景技術：
微波工程中，超導微帶諧振器可以組成不同階數的平面超導濾波器(一種 無源器件)，使用在各種微波裝置(如雷達、行動電話基站、微波通訊裝置、 射電天文望遠鏡等)中，用來選擇一定頻率的信號。在各種微波接收系統的前 端，常使用濾波器抑制不要的信號頻率，使需要的信號頻率順利通過。高溫超 導濾波器是用高溫超導材料製成的一種平面器件，它是由若干個平面諧振器按 一定規則排列而成的。對於用普通金屬製做的帶通濾波器來說，通常相對帶寬
在5%以下就叫窄帶濾波器。高溫超導濾波器的相對帶寬可以比這個值小很多， 但相對帶寬要小於0.5%也比較困難，原因在於寄生耦合的幹擾。相關的理論
指出諧振器之間的耦合係數應滿足下列關係
式中M,是第i個諧振器和第j個諧振器之間的耦合係數；FBW是相對帶 寬，定義它為通帶寬度和中心頻率的比值；g是歸一化電容；J是特性導納。 這一公式表明耦合係數M取決於相對帶寬，也取決於諧振器自身的性質。顯 然，無論是歸一化電容g還是特性導納J都應和平面諧振器自身的幾何形狀密 切相關。在濾波器中二個相鄰諧振器產生的耦合叫做相鄰耦合，這種耦合是必 要的。但是不相鄰的二個諧振器之間也存在耦合，這類耦合對濾波器的設計有 可能造成有害影響，這種有害的非相鄰耦合就是寄生耦合(parasitical coupling)。在進行寬帶平面超導濾波器的設計時，諧振單元之間的寄生耦合可 以忽ffl各。但窄帶平面超導濾波器的情況則完全不同，寄生耦合往往造成了破壞 性的幹擾，當帶寬在0.5%附近時這一矛盾尤為突出，至今末見理想的解決辦另外，由於受超導薄膜襯底大小的限制(一般為2-3英寸)，對於UHF波 段，VHF波段甚至工作在更低頻率下的濾波器，傳統的分布式的諧振器已經 不再適用，因為根據
人。為真空中的頻率為f的電磁波的波長，c為光速，Xg為在相對介電常數 為s,e的介質中頻率為f的電磁波的波長，約等於在此種介質中相應頻率諧振 器的長度，^與介質本身的介電常數^，介質厚度以及電磁波波長有關。例如 對於f=300MHz， 0.5mm厚的介質MgO (er=9.67)， sre=6.44， 、=394mm;對 於f:300MHz， 0.5mm厚的介質LaA103 (sr=23.6)， ere=15.14， Xg=257mm，可 見其長度是非常大的，就算採取常用的彎曲的形式，也不能顯著降低諧振器體 積，無法將其放在2-3英寸的超導薄膜襯底上，所以對於UHF波段，VHF波 段甚至工作在更低頻率下的濾波器，傳統的分布式的諧振器己經不再適用。另 外在低頻下，諧振器體積增大，不能單純通過增大諧振器之間的距離來減小寄 生耦合，所以必須找到新的減小寄生耦合的方法，用來設計窄帶濾波器。
傳統的平面諧振器主要有二種結構形式，即分布式和集總式。近年來平面 超導濾波器的研究取得了長足的進步，相應的平面諧振器也演化出一系列其它 的形式。 一般設計者多從減少諧振器的面積或改變耦合方式等目的出發來確定 諧振單元的拓撲結構，例如英國伯明罕大學設計的彎折線平面超導微帶諧振器 (2002 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology Proceedings文集，168頁)就是一例。
為了解決上述的技術問題，提供了一種實現並切換同步、異步映射方式的 裝置，其目的在於，提供一種平面超導微帶諧振器，該平面超導微帶諧振器具 有高Q值，結構緊湊，並能夠在一片超導薄膜上放下IO階甚至更多VHF波 段或更低頻率的低電磁輻射的這種平面超導諧振器，並使得寄生耦合減小到可 以忽略的程度
發明內容
本發明提供了一種平面超導微帶諧振器，該平面超導微帶諧振器由一條 上、下兩層超導薄膜和位於兩層超導薄膜之間的單晶介質組成的微帶線構成， 該平面超導微帶諧振器包括插指電容、雙螺旋曲線電感和與地形成的塊狀電 容，所述插指電容與所述雙螺旋曲線電感並聯，並聯的所述插指電容與所述雙 螺旋曲線電感與所述塊狀電容串聯d
所述塊狀電容的形狀為直線，折線，圓形，矩形，梯形或三角形。
與地形成的塊狀電容的數量為兩個。
插指電容為與塊狀電容連接的平行微帶線條交叉在一起，任意兩根相鄰的 微帶線條之間電荷極性相反。
雙螺旋曲線電感中任意兩條相鄰曲線之間的諧振電流方向相反。 所述雙螺旋曲線電感至少為一圈。
本發明提供的平面超導微帶諧振器體積小，電磁輻射小。本發明提供的諧 振器可以用來設計並製作出高性能的窄帶超導帶通濾波器。本發明提供的這種 諧振器組合在一起時，為了滿足一定的耦合關係，它們必須靠得更近，這樣就 使整體面積更緊湊。


圖1是微帶線的截面圖2是本發明平面超導微帶諧振器的第一種幾何結構以及電荷電流分布 示意圖3a是本發明平面超導微帶諧振器的第二種幾何結構示意圖； 圖3b是本發明平面超導微帶諧振器的第三種幾何結構示意圖； 圖4 a和4b是本發明平面超導微帶諧振器以及作為比較的相同頻率的彎 曲線諧振器；
圖5是本發明平面超導微帶諧振器耦合結構及電荷分布示意圖； 圖6是根據給定頻率=252.45MHz，晶體介質LaA103的介電常數= 23.6，設計的超導微帶諧振器圖形；
圖7是經過計算機仿真計算後得到的諧振器的頻率響應曲線；
圖8a是本發明中超導諧振器組成的耦合結構及其遠場耦合頻率響應圖8b是本發明中超導諧振器組成的另一種耦合結構及其遠場耦合頻率響 應曲線；
圖9是一種單螺旋超導諧振器組成的耦合結構及其遠場耦合頻率響應曲線。
具體實施例方式
本發明提供的平面超導微帶諧振器包括 一條由上、下兩層超導薄膜和位 於兩層超導薄膜之間的人造單晶介質組成的微帶諧振器；其特徵在於，所述微 帶諧振器有三部分組成 一組插指電容，並聯一組雙螺旋曲線電感，然後一起 串聯一組與地形成的塊狀電容。
在上述的技術方案中，所述塊狀電容可以為直線，折線，圓形，矩形，梯 形，三角型或其他任意多邊形，兩個塊狀電容可以相同，也可以不同
在上述的技術方案中，所述插指電容為兩組連在塊狀電容的平行線條交叉 在一起，任意兩根相鄰的線條之間電荷相反，組成了一個電容。
在上述的技術方案中，所述一組雙螺旋曲線電感中任意兩條相鄰曲線之間 的諧振電流方向相反。
在上述的技術方案中，所述雙螺旋曲線電感可以為一圈，兩圈，三圈或者 任意多圈。
在上述的技術方案中，所述塊狀電容為矩形，雙螺旋曲線電感為兩條的結構。
上述不同的特性的插指電容，塊狀電容以及雙螺旋曲線電感可以以任意組 合連接到一起組成一個集總參數諧振器，三者互不影響。
本發明還提供了一種全新的耦合方式。在上述的技術方案中，所述全新的 耦合方式如下將第一個諧振器的插指電容中自外面數第二根線條縮短，甚至 完全切除，將第二個諧振器插指電容的最外一根線條拉長，彎曲(如圖5)， 並伸入到第一個諧振器的自外面數第一根和第三根線條之間，這樣這三條直線 就構成了通過插指電容實現的一種全新的耦合方式。對於傳統的諧振器間的耦 合方式，都是通過改變諧振器之間的距離來改變耦合係數的大小。本專利中提 供的全新的耦合方式使得耦合係數的大小與諧振器之間的距離無關，既可以使 得在不改變諧振器之間距離的情況下改變耦合係數的大小，又可以在不改變諧振器耦合大小的情況下改變諧振器之間的距離。
下面結合附圖，對本發明做進一步的詳細描述。 第一實施例
參照圖1、 2，利用一條完整的微帶線，該微帶線為超導微帶線，其上層 微帶導體3和下層地平面導體1均為高溫超導薄膜，中間是介電常數為^的單 晶介質片。形成一個由一組插指電容，並聯一組雙螺旋曲線電感，然後一起串 聯一組與地形成的塊狀電容三部分組成的結構。本實施例中，選用的微帶線採
用晶體介質LaA103 ，其介電常數~=23.6，該結構中塊狀電容選取的矩形， 插指電容等長等寬，雙螺旋電感為兩條，這樣可以最大限度減小諧振器體積， 並且最大限度的利用空間，插指電容的線條和雙螺旋電感的曲線均為等寬等 距。在這種結構中諧振時電場大部分集中於插指電容中，洩露的很少；磁場大 部分集中於雙螺旋電感中，其中的任意兩根相鄰的曲線之間的瞬時諧振電流相 反，以上兩個方面可以使諧振器的總輻射很小。
圖4b是本實施例根據給定頻率/。 二252MHz，晶體介質LaA103的介電常 數~二23.6，設計的一個超導微帶諧振器圖形，其最大邊長為5.4mm，最大邊 寬為4.3mm，微帶線的線寬為0.08mm，線間距為0.08mm。
圖7表明本實施例經過計算機仿真測算得到的諧振曲線，其峰值對應的諧 振頻率為252.451MHz，經計算無載Q值大於6000。
為了體現及本發明諧振器體積小而緊湊的優勢，本發明給出了一個彎曲線 (meanderline)諧振器做比較，圖4a是根據給定頻率/。 二252.45MHz，晶體 介質LaA103的介電常數~=23.6，設計的一個彎曲線諧振器，為了便於比較， 微帶線的線寬與線間距與上述本發明提供的諧振器相同，均為0.08mm，最大 邊寬也與如上設計的本發明諧振器相同，為4.3mm，在此種情況下，彎曲線諧 振器的最大邊長為14.16mm，約為本發明諧振器長度的1.75倍，由此可見本 發明諧振器可以大幅減小諧振器體積。
二個諧振器之間的耦合係數由下述方法測出。圖8a、 8b是由二個諧振器 組成的兩種耦合結構及其遠場耦合頻率響應曲線，二個諧振器之間的距離略大 於諧振器寬度，圖中的曲線是該耦合結構的傳輸特性，它的二個峰值分別對應 的頻率是乂、 /2，相關理論指出，該耦合結構的耦合係數A可用公式(2)計算，formula see original document page 8是諧振器中心頻率。可以看出耦合係數/t與A/成正比。
圖9是一種單螺旋線諧振器組成的耦合結構及其遠場耦合頻率響應曲線。 單螺旋線線諧振器是英國伯明罕大學在2005年公布的一種設計形式，這種諧 振器結構也很緊湊，為了保證對比結果的可靠性，彎折線諧振器的頻率應調整 到/。二252MHz， 二個諧振器間的間隔與圖8a、圖8b—致。由公式(2)算出 該結構的耦合係數，可以看出，圖9中的耦合結構的頻率差A,是圖8a和8b 中的本發明諧振器耦合結構的20倍和158倍，從而證明本發明諧振器具有相 對弱的耦合特性。
第二實施例
用一條完整的超導微帶線，形成一個由一組插指電容，並聯一組雙螺旋曲 線電感，然後一起串聯一組與地形成的塊狀電容三部分組成的結構。本實施例 中塊狀電容直線，插指電容等長等寬等距，插指電容線為折線，雙螺旋電感為 三圈，雙螺旋電感的曲線均為等寬等距，如圖3b所示。
本實施例外環最大邊長為6.4mm，最大邊寬為5.2mm，微帶線的線寬為 0.4mm，內、外環線間距為0.3mm，內、外環開口端間距為0.12mm。
第三實施例
用一條完整的超導微帶線，形成一個由一組插指電容，並聯一組雙螺旋曲 線電感，然後一起串聯一組與地形成的塊狀電容三部分組成的結構。本實施例 中塊狀電容選取的三角形，插指電容不等長不等寬，雙螺旋電感為兩條，雙螺 旋電感的曲線均為不等寬不等距。
本實施例外環最大邊長為6.0mm，最大邊寬為5.2mm，微帶線的線寬為 0.5mm，內、外環線間距為0.3mm，內、外環開口端間距為0.12mm。
第四實施例
用一條完整的超導微帶線，形成一個由一組插指電容，並聯一組雙螺旋曲 線電感，然後一起串聯一組與地形成的塊狀電容三部分組成的結構。本實施例 中塊狀電容選取的梯形，插指電容等長等寬，插指電容線為折線，雙螺旋電感 為一條，雙螺旋電感的曲線均為不等寬不等距。
本實施例外環最大邊長為5.0mm，最大邊寬為4.5mm，微帶線的線寬為0.4mm，內、外環線間距為0.3mm，內、外環開口端間距為0.15mm。 第五實施例
用一條完整的超導微帶線，形成一個由一組插指電容，並聯一組雙螺旋曲 線電感，然後一起串聯一組與地形成的塊狀電容三部分組成的結構。本實施例 中塊狀電容選取的不規則多邊形，插指電容不等長等寬等距，插指電容線為折 線與直線並存，雙螺旋電感為兩條，雙螺旋電感的曲線均為等寬不等距。
本實施例外環最大邊長為6.4mm，最大邊寬為5.2mm，微帶線的線寬為 0.4mm，內、外環線間距為0.3mm，內、外環開口端間距為0.12mm。
第六實施例
用一條完整的超導微帶線，形成一個由一組插指電容，並聯一組雙螺旋曲 線電感，然後一起串聯一組與地形成的塊狀電容三部分組成的結構。本實施例 中塊狀電容一個選取的折線， 一個選取倒三角型，插指電容不等長不等寬等距， 插指電容線為折線，雙螺旋電感為一條，雙螺旋電感的曲線均為不等寬等距。
本實施例外環最大邊長為6.4mm，最大邊寬為5.2mm，微帶線的線寬為 0.4mm，內、外環線間距為0.3mm，內、外環開口端間距為0.12mm。
第七實施例
用一條完整的超導微帶線，形成一個由一組插指電容，並聯一組雙螺旋曲 線電感，然後一起串聯一組與地形成的塊狀電容三部分組成的結構。本實施例 中塊狀電容選取的圓形，插指電容等長等寬，雙螺旋電感為一條，插指電容的 線條和雙螺旋電感的曲線均為等寬等距，如圖3a所示。
本實施例外環最大邊長為6.0mm，最大邊寬為5.2mm，微帶線的線寬為 0.5mm，內、外環線間距為0.3mm，內、外環開口端間距為0.12mm。
本發明中涉及的製作微帶線的技術是一種現有技術。圖1是微帶線的截面 圖。圖中上層是微帶導體3，中間是介質2，下層是地平面導體l。本發明中 的微帶線均為超導微帶線，其上層微帶導體3和下層地平面導體1均為高溫超 導薄膜，中間是介電常數為^的單晶介質片。本發明中提到的微帶線幾何結構 指的是上層微帶導體3構成的幾何結構。在設計微帶諧振器時，介質厚度h， 介電常數^均為已知，諧振頻率/。與品質因數Q也已給定。
本發明中設計工作是利用微波仿真軟體(如sonnet或ansoft)在計算機上 進行的，具體操作和仿真本發明中的超導微帶諧振器是按常用工藝製作的，即按光刻、幹法刻蝕、 切割、組裝等工藝步驟製作，屬於本領域技術人員的公知技術。
本領域的技術人員在不脫離權利要求書確定的本發明的精神和範圍的條 件下，還可以對以上內容進行各種各樣的修改。因此本發明的範圍並不僅限於 以上的說明，而是由權利要求書的範圍來確定的。
權利要求
1. 一種平面超導微帶諧振器，該平面超導微帶諧振器由一條上、兩層超導薄膜和位於兩層超導薄膜之間的單晶介質組成的微帶線構成，其特徵在於，該平面超導微帶諧振器包括插指電容、雙螺旋曲線電感和與地形成的塊狀電容，所述插指電容與所述雙螺旋曲線電感並聯，並聯的所述插指電容與所述雙螺旋曲線電感與所述塊狀電容串聯。
2. 如權利要求1所述的平面超導微帶諧振器，其特徵在於，所述塊狀電 容的形狀為直線，折線，圓形，矩形，梯形或三角形。
3. 如權利要求2所述的平面超導微帶諧振器，其特徵在於，與地形成的塊狀電容的數量為兩個。
4. 如權利要求l所述的平面超導微帶諧振器，其特徵在於，插指電容為 與塊狀電容連接的平行微帶線條交叉在一起，任意兩根相鄰的微帶線條之間電 荷極性相反。
5. 如權利要求1所述的平面超導微帶諧振器，其特徵在於，雙螺旋曲線 電感中任意兩條相鄰曲線之間的諧振電流方向相反。
6. 如權利要求1所述的平面超導微帶諧振器，其特徵在於，所述雙螺旋曲線電感至少為一圈。
7. 如權利要求1所述的平面超導微帶諧振器，其特徵在於，所述插指電 容、塊狀電容以及雙螺旋曲線電感連接到一起組成一個集總參數諧振器。
全文摘要
本發明涉及一種平面超導微帶諧振器，該平面超導微帶諧振器由一條上、下兩層超導薄膜和位於兩層超導薄膜之間的單晶介質組成的微帶線構成，該平面超導微帶諧振器包括插指電容、雙螺旋曲線電感和與地形成的塊狀電容，所述插指電容與所述雙螺旋曲線電感並聯，並聯的所述插指電容與所述雙螺旋曲線電感與所述塊狀電容串聯。本發明提供的平面超導微帶諧振器體積小，電磁輻射小。本發明提供的諧振器可以用來設計並製作出高性能的窄帶超導帶通濾波器。
文檔編號H01P7/08GK101546856SQ200810102869
公開日2009年9月30日 申請日期2008年3月27日 優先權日2008年3月27日
發明者濤 於, 何豫生, 亮 孫, 強 張, 張雪強, 翡 李, 李春光, 王躍輝, 強 羅, 邊勇波, 進 郭, 顧長志, 路 高, 紅 黎 申請人:中國科學院物理研究所