超導諧振器和濾波器器件及其製造方法
2023-05-14 00:19:51
專利名稱：超導諧振器和濾波器器件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及射頻諧振器和濾波器器件，特別涉及用超導材料製成的這種器件。
背景技術：
自從先前的發現以來，高溫超導(HTS)材料就被考慮用作薄膜諧振器和濾波器，例如微波通信應用中GHZ頻率範圍內的微帶或空腔結構。由於電損耗低，所以將HTS材料用於這類器件有望獲得高的Q值。該優點同樣被應用於低頻端，但是通常用於微波頻率的普通1/4波長並聯耦合設計導致工作在MHZ範圍內的器件尺寸之大令人無法容忍。
一種使MHZ範圍的諧振器和濾波器達到可實用尺寸的方法是分塊單元法，它採用分立的電感和電容單元。一種這樣的結構由兩匝螺旋管組成，匝之間有內部數字電容器。另一種結構包含兩個螺線管和兩個由電介質層隔開的電容耦合環。第三種結構包括自諧振螺線管。但是在低MHZ頻率端，用來形成螺線管的導體長度較長，導致電阻較大而電路Q值較低。
濾波器可以設計為工作在感興趣的一個頻率或多個頻率下。例如信道化濾波器在一個輸入埠上接收多個頻率信號並且向一個或多個輸出埠選擇性地輸出信號。對信道化濾波器有興趣的參見G.Matthaei等人的「微波濾波器、阻抗匹配網絡和耦合結構」第16章(Artech House,Dedham,MA,1980)。
發明內容
本發明的一個目標是提供一種小型、高Q值、低損耗諧振器結構，適於MHZ範圍的頻率。
本發明的進一步目標是提供一種採用多個超導諧振器單元的濾波器，適於MHZ範圍包含的所有頻率。
按照一個實施例，電磁諧振器包括具有第一面和與第一面相對的第二面的襯底。超導螺線管諧振器結構被安置在所述襯底的第一面上。輸入耦合結構和輸出耦合結構被安置在襯底的第二面上並且放置為與螺線管諧振器耦合。
比較好的，超導螺線管諧振器結構由諸如釔鋇銅氧化物和鉈鋇鈣銅氧化物之類的高溫超導材料組成。同樣，輸入耦合結構和輸出耦合結構也可以由類似的高溫超導材料製成。
在另一實施例中，電磁濾波器包括具有第一面和與第一面相對的第二面的襯底。多個超導螺線管諧振器結構被安置在所述襯底的第一面上。輸入耦合結構和輸出耦合結構被安置在襯底的第二面上並且與多個超導諧振器中的至少一個耦合。
在較佳實施例中，多個超導螺線管諧振器結構具有帶第一端和第二端的伸長的幾何結構並且多個超導螺線管諧振器結構基本上以邊對邊並排的關係形式安置。
在進一步的實施例中，輸入耦合結構與多個超導螺線管諧振器結構的其中一個的第一端對齊。同樣，輸出耦合結構與多個超導螺線管諧振器結構的其中一個的第二端對齊。
多個超導螺線管諧振器結構可以具有基本相等的諧振頻率並且作為多極點濾波器協同工作。另外，多個超導螺線管諧振器結構可以工作在對應多個輸出的多個諧振頻率下，從而構成信道化濾波器。
附圖簡述
圖1A為示意性諧振器螺線管結構的頂面放大圖。
圖1B為圖1A螺線管結構細節部分的放大示意圖。
圖1C為圖1A的示意性諧振器螺線管結構的物理模型。
圖1D為對應圖1C物理模型的電學模型。
圖2為圖1A的諧振器結構的剖面圖，但未按比例示出。
圖3為實驗確定的反射率作為圖1諧振器螺線管結構頻率的函數的關係。
圖4A-4C為本發明較佳實施例的較佳三極點濾波器的示意圖。
圖5作為圖4C的濾波器頻率的函數的反射率(S11)和插入損耗(S12)的實驗確定關係的示意圖。
圖6為按照本發明進一步實施例的替換諧振器結構示意圖，包括電感環路部分和內部數字電容器部分。
圖7為帶三個輸出的示意性RF信道化濾波器的襯底側面上諧振器螺線管布局的示意圖。
圖8為圖7濾波器內所包含的諧振器螺線管的示意圖。
圖9為在濾波器襯底的相對側上形成有一個輸入和三個輸出的圖7濾波器的示意性耦合電路示意圖。
圖10為圖7-9濾波器的等價電路示意圖。
圖11-13為圖7-9濾波器的三個輸出環路的每一個的反射率與透射率的曲線圖。
附圖中，除非另有指明，相同的標號和字符用來表示所示實施例相同的特徵、單元、單位或部分。而且雖然藉助附圖對本發明作了描述，但是與所示實施例相關。在不偏離所附權利要求的前提下可以對本發明作出各種修改和改動。
實施發明的較佳方式圖1A示出了示意性諧振器螺線管幾何結構和諧振頻率為24.5MHZ左右的諧振器實施例的尺寸。圖1B為圖1A的放大圖，進一步示出了示意性的螺線管諧振器結構，它以超導材料組成的均勻間隔的20匝形成，比較好的是高溫超導體(HTS)。螺線管諧振器結構一般設計為在所需頻率下自諧振。螺線管超導體結構提供的電感位於結構內部固有電容的諧振下。這種螺線管諧振器結構當由超導材料製成時具有超過40000無負載Q值。圖1C和1D分別示出了圖1A的諧振器結構的等價物理和電學模型。在圖1C的簡單圓形螺線管電感中，電感可以計算為L(nH)=0.03937a2n28a+11c-----(1)]]>這裡a=D0+Di4,c=D0-Di2-----(2)]]>並且n為螺線管內的匝數，D0為螺線管結構的外徑而Di為螺線管結構的內徑，單位為微米。螺線管的電阻可以由下式確定R=K11anRsW----(3)]]>這裡K為常數(對於沒有接地平面的結構假定為1)，Rs為構成螺線管的材料的表面電阻並且W為構成螺線管的軌跡的寬度。對於超導材料，Rs的數值為微歐姆量級，這使得以低電阻形成較大的電感。螺線管諧振器結構固有電容為C(pf)=3.5×10-5D0+0.06(4)方程1-4可以通過用面積表示項D0和Di而推廣到各種幾何結構D0=4a0]]>和Di=4ai----(5)]]>這裡a0為諧振器結構的外部面積而ai為諧振器結構的內部面積。
圖2為圖1A的諧振器剖面圖。諧振器形成於襯底200之上並且包括形成於襯底200一個側面210上的超導螺線管結構202以及襯底200相對側面208上形成的輸入結構204和輸出結構206。輸入和輸出結構可以利用普通的導體材料形成，例如銅或鋁。但是，由超導材料製成的輸入和/或輸出結構(例如用來構成超導螺線管結構202的材料)具有維持高電路Q值和低損耗的優點。在一個實施例，超導螺線管結構202為圖1A的螺線管諧振器結構。在另一實施例中，超導層結構202可以如圖8所示。在圖1A和8中，螺線管結構為伸長的而非圓形的。螺線管結構的該特徵使得當多個螺線管結構面對面放置時更加緊湊，例如如以下多極點濾波器實施例那樣。在按照圖lA的螺線管諧振器示意性實施例中，襯底200為2英寸鋁酸鹽鑭(LAO)晶片襯底，厚度為20密爾(mils)左右。超導螺線管結構202合適的材料是釔鋇銅氧化物(YBCO)，它作為200nm厚的一層澱積在襯底200上。YBCO薄膜可以在700-800℃下，利用雷射刻蝕或濺射澱積方法澱積在襯底上。LAO襯底和YBCO材料由幾個商業供應商提供，包括Dupont。YBCO材料在直到770K時仍然具有超導性。
當採用YBCO構成超導層結構202時，由於LAO與這些材料相關晶線結構之間晶格匹配的高度兼容性，所以LAO是較佳的襯底材料。其他合適的襯底材料包括氧化錳(MgO)和鈦酸鍶(STO)。
通常情況下，構成超導螺線管結構202的材料厚度應該超過材料的滲透厚度。在YBCO情況下，滲透厚度為270納米左右，薄膜厚度比較好的是270-450納米。其他合適的超導材料是鉈鋇鈣氧化物(TBCCO)，其滲透厚度為450納米左右。在這種情況下，TBCCO薄膜的厚度比較好的是在450-750納米範圍內。
圖1A所示的示意性諧振器可以通過按照下列程序的光刻圖案工藝利用清潔LAO襯底上的YBCO薄膜製成。首先，光敏抗蝕劑(例如Massachusetts州的Marlborough的Shepley製造的Microposit S1813)被塗敷在襯底200的一個側面208上，隨後以1500rpm旋轉40秒以建立基本均勻的薄膜。襯底隨後在120℃下加熱3分鐘以乾燥薄膜。隨後去除襯底200背面210的光敏抗蝕劑，例如利用帶丙酮的棉花葯籤。襯底未經曝光被放置在顯影劑溶液(例如Massachusetts州的Marlborough的Shepley製造的MF319)內1分鐘。這在側面208上建立了保護薄膜。
光敏抗蝕劑被塗敷在側面210上並且隨後以4500rpm旋轉40秒以建立基本均勻的薄膜。襯底200隨後在120℃下被加熱2分鐘。在襯底冷卻之後，諧振器結構的正片光掩膜被塗敷在襯底200上。光掩膜隨後在5.6mW/cm2功率的UV光下經過例如25秒的曝光。襯底再次放置顯影劑(例如Microposit MF319)中1分鐘。一旦顯影后，通過在稀釋的磷酸溶液(從Connecticut州的Norwalk的Olin微電子材料股份有限公司獲得)用40秒腐蝕掉曝光的光敏抗蝕劑下的區域200納米的YBCD層來實現結構。對於300nm的YBCO層，腐蝕時間為80秒左右，薄膜越厚腐蝕時間越長。
隨後應該清除襯底以去除剩餘的光敏抗蝕劑。將襯底200放置在溶劑(丙酮)內2分鐘左右即可實現。
為了保護側面210上的超導螺線管結構免遭腐蝕而與此同時在側面208上形成輸入和輸出結構，如上所述塗敷、乾燥、曝光和顯影光敏抗蝕劑的保護層。
採用下列步驟在襯底背面208上形成接觸焊盤。清潔襯底側面208以去除汙物和任何光敏抗蝕劑。接著，除了負片掩膜用於接觸焊盤外按照與上述相同的方式塗敷、旋轉、乾燥和曝光光敏抗蝕劑。隨後將襯底浸入氯苯5分鐘並且如上所述顯影。通過澱積50納米Ag/100納米Au/150納米Ag或50納米Ag/50納米Au/200納米Ag，在通過顯影曝光光敏抗蝕劑清除的接觸區域上形成金屬塗層。隨後可以採用提去工藝，利用丙酮去除未曝光的超導體。如果需要後退火，則可以在純氧氣氛中，在550℃下退火最終的結構10-20分鐘。
圖3示出了圖1A諧振器實驗確定的反射率特性，諧振器工作在77°K溫度下。如圖3所示，示意性的諧振器的諧振頻率24.5455MHZ，無負載Q值超過40000。諧振器的輸入結構204在襯底200背面208上的單個銅耦合環路下形成，耦合環路基本上對準諧振器結構200的其中一個圓形部分102、104。襯底210背面208上的第二銅耦合環路也基本上對準構成輸出結構206的圖案的另一圓形部分102、104。顯而易見的是，可以採用另一耦合結構代替單個環路圖案用於輸入和輸出耦合結構，例如多匝螺線管結構等。
圖4A-4C示出了採用圖1A的諧振器結構的三極點濾波器的另一實施例。僅僅是示意性質的濾波器結構包括如上所述的三個諧振器結構402、404、406，工作在基本相等的諧振頻率下並且以靠近的方式放置在襯底200第一側面上。雖然利用圖1A所示的幾何結構示出了諧振器，也可以採用其他螺線管幾何結構。通過利用伸長的幾何結構(如圖1A或圖7所示)而不是圓形幾何結構，採用幾個螺線管諧振器的濾波器的尺寸減小了。圖4A-4C各個實施例的差別是輸入結構204和輸出結構206的布局。
例如，在圖4A中，輸入結構204採用大環路408，它與每個螺線管諧振器結構402、404、406的輸入側耦合。同樣，圖4A的輸出結構也採用大環路，它與每個螺線管諧振器結構402、404、406的輸出側耦合。在圖4B中，相對中央諧振器404的輸入部分放置第一小環路，其直徑大約是螺線管諧振器結構404、406、408的輸入部分直徑。同樣的小環路414被相對於諧振器404的輸出部分放置。圖4C採用與圖4B類似的輸入和輸出結構，除了輸入環路416相對諧振器406的輸入部分放置而輸入環路418相對諧振器402的輸出部分放置以外，因此使輸入和輸出耦合結構之間的間隔最大。
按照圖4A-4C的示意性的3極點濾波器實施例在77°K下進行了測試。用HP-8712B RF網絡分析儀，對於每個濾波器的三個峰值測量了反射損耗(S11)和插入損耗(S12)。表1示出了圖4A-4C所示的每個結構的測量數據。
表1．峰值#1峰值#2峰值#3S11 S12 S11 S12 S11 S12(a)f[MHZ] 23.65 23.92 24.27損耗[db] -3.5 -8.0-3.5 -7.0 21.0 -5.5(b)f[MHZ] 22.55 63.33 24.27損耗[db] -3.03 -29.56 -5.48 -12.88 2.70 -37.28(c)f[MHZ] 24.07 24.28 24.50損耗[db] -6.37 -2.02 -4.62 -2.55 -6.56 -2.05對於按照圖4C的濾波器，耦合後的單個峰值Q值為600左右。峰值Nos.1與3之間的最大插入損耗為-6.91dB。在帶通以外的頻率處，例如小於23.77MHZ或大於25.03MHZ範圍內，如圖5所示，插入損耗超過40dB(動態範圍)。
雖然圖4的實施例示出了3極點濾波器結構，但是顯而易見的是也可以用n極點結構，這裡n為所用諧振器結構的數量。
圖6示出了適於作為輸入結構204和/或輸出結構206的另一結構，它包括藉助多個導體或超導體材料匝形成的電感部分602和由內部數字耦合導體或超導體段形成的電容器部分604。在諧振器部分下，圖6的耦合結構的電感和電容值被選定實現所需工作頻率下的諧振。因此可以在襯底側面上形成更多頻率選擇的耦合結構，其諧振頻率基本上匹配與輸入/輸出耦合結構相對的襯底其他側面上的多個極點諧振器單元的諧振頻率。
圖7-9示出了示意性的多輸出信道化RF濾波器，它可以利用上述光刻工藝形成。濾波器可以形成於單個上面澱積300納米厚的YBCO層的LAO襯底上。三個螺線管諧振器702、704、706可以形成，合適地在襯底200的第一側面210上間隔放置。一般情況下，信道化濾波器應用不是工作在同一諧振頻率下，而是工作在對應感興趣的特定信道或頻率的諧振頻率上。在信道化濾波器應用中，需要使相鄰諧振器之間的互相耦合最小，因此諧振器702、704、706之間的間隔應該較大。然而物理空間非常昂貴，如圖7所示，可以通過在相鄰諧振器之間提供端一端偏移減少耦合。在襯底200的相對側208，輸入耦合結構902相對諧振器704的第一端放置並且三個耦合結構904、906、908放置為每個環路基本上對準諧振器702、704、706其中一個的輸出端。耦合結構902用作RF輸入耦合結構，並且耦合結構904、906、908用作信道化輸出的輸出耦合結構，因此每個輸出將只允許所選頻帶中的頻率出現在終端。如圖6所示，耦合結構可以是簡單的環路、多匝螺線管或更多的頻率選擇結構。
圖10示出了圖7-9的濾波器的等價電路。圖7-9的濾波器可以用第一變壓器1002建模，變壓器由包含理想電壓源和串聯電阻(等於系統特徵阻抗，一般為50歐姆)的電源驅動。變壓器1002的初級表示輸入結構902，而變壓器1002的次級代表諧振器704部分。變壓器1004、1006、1008分別表示諧振器702、704、706與輸出結構906、906、908之間的耦合。變壓器1010、1012分別表示諧振器702、704與704、706之間的耦合。諧振器702的總阻抗分布在變壓器1002的次級、變壓器1004的初級和變壓器1010的初級。同樣，諧振器704、706的總阻抗分布在表示各結構的串聯變壓器單元。電容1014、1016和1018分別表示諧振器702、704和706的電容。電阻器1020、1022、1024分別表示諧振器702、704和706的固有電阻。圖10的電路模型的電感、電容和電阻值可以利用藉助圖1C和1D相關的方程1-5確定。電阻器RL1、RL2和RL3表示與每個輸出耦合結構耦合的輸出負載。電阻器1026、1028和1030是高值電阻器(即1兆歐姆)，是模擬軟體需要。
可以根據特定應用需要選擇合適的反射係數(S11)、透射係數(S12,S21)、每個頻帶內相鄰峰之間距離、兩個通帶之間的間隔以及器件的Q值。器件應用包括單輸入、多輸出RF和微波濾波器/接收機，可以用於衛星(幾個GHz頻率範圍內)、蜂窩基站(幾百MHZ)、TV、無線和低頻通信系統。
類似的濾波器結構可以用作磁共振成像(MRI)的採集線圈，在襯底一側上帶多個諧振結構，而其他側上帶輸出線圈。多個諧振結構隨後用於無線輸入，而輸出可以用作被檢測的每個不同頻率，例如每個對應醫學診斷中標本或組織中不同的化學元素。
雖然藉助特定實施例描述了本發明，但是可以在不偏離本發明精神和範圍的前提下對本發明作出各種修改和變化。
權利要求
1．一種電磁諧振器，其特徵在於包括具有第一面和與第一面相對的第二面的襯底；形成於所述襯底第一面上的超導螺線管諧振器結構；至少一個放置在所述襯底的所述第二面上的輸入耦合結構；以及至少一個放置在所述襯底的所述第二面上的輸出耦合結構。
2．如權利要求1所述的電磁諧振器，其特徵在於超導螺線管諧振器結構由選自包括釔鋇銅氧化物和鉈鋇鈣氧化物的一組材料組成。
3．如權利要求1所述的電磁諧振器，其特徵在於所述至少一個輸入耦合結構和所述至少一個輸出耦合結構由超導材料製成。
4．如權利要求3所述的電磁諧振器，其特徵在於超導材料由選自包括釔鋇銅氧化物和鉈鋇鈣氧化物的一組材料。
5．如權利要求1所述的電磁諧振器，其特徵在於所述至少一個輸入結構和至少一個所述輸出結構包括金屬電感單元。
6．如權利要求1所述的電磁諧振器，其特徵在於超導螺線管諧振器結構具有伸長的幾何結構。
7．一種電磁濾波器，其特徵在於包括具有第一面和與第一面相對的第二面的襯底；被安置在所述第一面上的多個超導螺線管諧振器結構；至少一個放置在所述襯底的所述第二面上的輸入耦合結構，所述至少一個輸入耦合結構與至少一個所述超導諧振器結構工作上耦合；以及至少一個放置在所述襯底的所述第二面上的輸出耦合結構，所述至少一個輸出耦合結構與至少一個所述超導諧振器結構耦合。
8．如權利要求7所述的電磁濾波器，其特徵在於所述多個超導螺線管諧振器結構具有帶第一端和第二端的伸長的幾何結構，並且所述多個超導螺線管諧振器結構基本上以邊對邊並排的關係形式安置。
9．如權利要求8所述的電磁濾波器，其特徵在於所述至少一個輸入耦合結構與所述多個超導螺線管諧振器結構的至少一個的所述第一端對齊。
10．如權利要求9所述的電磁濾波器，其特徵在於所述至少一個輸出耦合結構與所述多個超導螺線管諧振器結構的至少一個的所述第二端對齊。
11．如權利要求8所述的電磁濾波器，其特徵在於至少一個所述第一端部偏離鄰近的超導螺線管諧振器結構的第一端。
12．如權利要求7所述的電磁濾波器，其特徵在於所述至少一個輸入耦合結構和所述至少一個輸出耦合結構包括分立的電感部分和電容器部分。
13．如權利要求8所述的電磁濾波器，其特徵在於所述多個超導螺線管諧振器結構由選自包括釔鋇銅氧化物和鉈鋇鈣氧化物的一組材料組成。
14．如權利要求7所述的電磁濾波器，其特徵在於所述至少一個輸入耦合結構和所述至少一個輸出結構包括金屬電感單元。
15．如權利要求7所述的電磁諧振器，其特徵在於所述至少一個輸入耦合結構和所述至少一個輸出耦合結構由高溫超導材料製成。
16．如權利要求7所述的電磁濾波器，其特徵在於所述多個超導螺線管諧振器結構的每一個以基本相等的頻率諧振。
17．如權利要求7所述的電磁濾波器，其特徵在於所述多個超導螺線管諧振器結構以多個頻率諧振，所述多個頻率的每一個對應所述至少一個輸出耦合結構的其中一個。
全文摘要
形成於具有相對側面的襯底上的電磁諧振器和濾波器器件。第一面上的超導層的圖案為至少一個自諧振螺線管。諸如電感迴路或螺線管之類的輸入和輸出耦合結構形成於襯底的相對側面。多極點濾波器器件以幾個放置在公共支持的襯底第一側面上的有協同工作關係的諧振器單元形成。多個諧振器單元也可以用來形成多輸出信道化濾波器。
文檔編號H03H2/00GK1325561SQ99813031
公開日2001年12月5日 申請日期1999年9月14日 優先權日1998年9月14日
發明者S·薩巴, E·高, Q·Y·馬, 許輝 申請人:紐約市哥倫比亞大學託管會