專利名稱：平面濾波器和濾波器系統(tǒng)的制作方法
本申請(qǐng)涉及1999年9月29日在日本申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)No．H11-276626公開的主題，該申請(qǐng)根據(jù)巴黎公約要求優(yōu)先權(quán)，并在此引入以作為參考。
本發(fā)明涉及一種平面濾波器，它通過在一個(gè)調(diào)諧部件的對(duì)面放置一個(gè)濾波器部件而構(gòu)成，本發(fā)明特別涉及一種使用超導(dǎo)體作為濾波器材料，用于通信裝置以及類似裝置的技術(shù)。
在通過無線電或電纜完成信息通信的通信裝置中，用于只提取所需頻帶的濾波器是一個(gè)重要的組成部件。為實(shí)現(xiàn)頻率的有效利用，以及節(jié)省能量，需要一種衰減特性好而且插入損耗小的濾波器。
為滿足這種需要，Q值高的諧振元件是一個(gè)濾波器必要的構(gòu)成元件。作為一種實(shí)現(xiàn)高Q值諧振元件技術(shù)，已經(jīng)提出了一種使用超導(dǎo)體作為構(gòu)成諧振元件的導(dǎo)體，以及在襯底上使用諸如藍(lán)寶石或MgO等損耗極低的材料的技術(shù)。在這種技術(shù)下，可獲得10000或更高的Q值，而且諧振特性變得很劇烈。另一方面，在設(shè)計(jì)和制造濾波器時(shí)，有一個(gè)問題是，諧振特性必須以高精確度作調(diào)整。
也就是說，處理過程中襯底介電常數(shù)的輕微漂移，或?qū)w輕微的處理誤差，諧振特性就會(huì)發(fā)生巨大的變化，而且無法得到預(yù)期的濾波器特性。此外，即使獲得了預(yù)期的濾波器特性，仍會(huì)有問題發(fā)生，即，隨時(shí)間或環(huán)境溫度的變化，濾波器特性也會(huì)產(chǎn)生偏離。
另一方面，為了省去變頻器和降低成本，提出了一種利用前述的高Q值以及直接濾波一個(gè)GHz頻帶的高頻信號(hào)的技術(shù)。同樣在這種情況下，毋需多言，該諧振元件的諧振特性必須高度精確地作調(diào)整，但如果通過正向改變諧振頻率，隨機(jī)頻率可用一個(gè)濾波器選擇，那么可簡(jiǎn)化濾波器的結(jié)構(gòu)，也可實(shí)現(xiàn)成本的降低。
另外，作為一種消除前述的濾波器特性偏離的技術(shù)，比如，有一種技術(shù)能在諧振元件上配置一種介電常數(shù)隨電壓變化的電介質(zhì)，以及在電介質(zhì)附近放置一個(gè)電壓施加電極。
在這種技術(shù)下，通過可變地控制用于安排電極配置位置的位置和施加的電壓，介電常數(shù)可局部和獨(dú)立地被改變。結(jié)果，這使得能單獨(dú)和獨(dú)立地調(diào)整(1)該諧振元件的諧振頻率，(2)諧振元件之間的耦合，和(3)諧振元件和輸入／輸出部分之間的耦合，這通常對(duì)調(diào)諧該濾波器的通頻帶是必要的。特別地，該通頻帶能可變地控制，而且可調(diào)整邊緣特性和波紋，以便獲得理想的特性。在此，邊緣特性指示該通頻帶兩側(cè)的上升和下降特性，而波紋指示該通頻帶的凹陷程度特性。通常，最好是邊緣特性陡峭而波紋小。
然而，在傳統(tǒng)的技術(shù)中，用于改變介電常數(shù)的電介質(zhì)，以及用于施加電壓的電極都是必不可少的構(gòu)成元件，由電介質(zhì)和電極帶來的損耗將諧振元件的Q值降低到幾百或更少，而且很難獲得衰減特性好而插入損耗小的諧振元件和濾波器。
另一技術(shù)是在微波傳輸帶結(jié)構(gòu)的諧振器上配置一種磁(YIG)板，其磁導(dǎo)率根據(jù)施加的磁場(chǎng)而變化，并從外部均勻地施加該磁場(chǎng)到該磁板以改變諧振頻率。
在這種技術(shù)下，與前述的電介質(zhì)控制系統(tǒng)相比，不必采用電極，YIG的損耗比電介質(zhì)的要小，而且該諧振元件的Q值因此能改善10倍。然而，當(dāng)這種技術(shù)應(yīng)用到調(diào)諧濾波器特性時(shí)，只有均勻的磁場(chǎng)才能施加到相應(yīng)的諧振元件，以及諧振元件之間或施加到輸入／輸出部分，調(diào)諧濾波器通頻帶所必要的前述(1)到(3)的單獨(dú)和獨(dú)立的調(diào)整因此不可能實(shí)現(xiàn)，而且問題是通頻帶的改變使邊緣特性和波紋變壞。
本發(fā)明的提出考慮到前述問題，因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種平面濾波器，它能以高精確度可變地控制通頻帶，而且具有更好的邊緣特性和更小的波紋。
本發(fā)明的另一目的是提供一種平面濾波器，它能單獨(dú)和獨(dú)立地調(diào)整作為濾波器構(gòu)成部分的諧振元件的諧振頻率，在諧振元件之間耦合，以及在諧振元件和輸入／輸出部分之間耦合。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種平面濾波器，它能高速和大范圍內(nèi)調(diào)諧通頻帶，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單卻不損失超導(dǎo)體的低損耗特性。
為實(shí)現(xiàn)前述目的，本發(fā)明提供一種平面濾波器，它包括一個(gè)濾波器部件，其中超導(dǎo)體薄膜的多個(gè)諧振元件，以及位于這些諧振元件兩側(cè)的輸入／輸出部分是經(jīng)電介質(zhì)襯底上的間隙形成的；和一個(gè)由磁性材料形成的調(diào)諧部件，經(jīng)一個(gè)預(yù)定的間隙置于該濾波器部件的對(duì)面，而且在其上施加直流磁場(chǎng)。
該調(diào)諧部件包括一個(gè)介電常數(shù)調(diào)整部分，它能調(diào)整諧振元件之間間隙邊緣以及輸入／輸出部分與諧振元件之間間隙邊緣中至少一個(gè)的有效介電常數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，濾波器部件置于調(diào)諧部件的對(duì)面，而且該調(diào)諧部件能調(diào)整濾波器部件中諧振元件之間間隙邊緣以及輸入／輸出部分和諧振元件之間間隙邊緣中至少一個(gè)的有效介電常數(shù)。由于這個(gè)原因，當(dāng)改變?yōu)V波器的通頻帶時(shí)，邊緣特性可得到改善，而且可消除波紋。
此外，還提供一種平面濾波器，它包括一個(gè)濾波器部件，其中超導(dǎo)體薄膜的多個(gè)諧振元件和置于這些諧振元件兩側(cè)的輸入／輸出部分是經(jīng)電介質(zhì)襯底上的間隙形成的；和一個(gè)調(diào)諧部件，經(jīng)一個(gè)預(yù)定的間隙置于該濾波器部件的對(duì)面。
該調(diào)諧部件包括第一磁性材料，置于輸入／輸出部分和諧振元件之間的一個(gè)間隙對(duì)面；第二磁性材料，置于每個(gè)諧振元件的對(duì)面；第三磁性材料，置于諧振元件之間的一個(gè)間隙對(duì)面；和用于調(diào)整第一到第三磁性材料的磁導(dǎo)率的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置。
根據(jù)本發(fā)明，通過配置包含第一到第三磁性材料的調(diào)諧部件到該濾波器部件的對(duì)面，以及調(diào)整第一到第三磁性材料的磁導(dǎo)率，諧振頻率、諧振元件之間的耦合、以及諧振元件和輸入／輸出部分之間的耦合能可變地控制，而且邊緣特性、波紋、以及其他濾波器特性可得到改善。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一種平面濾波器的第一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)視圖。
圖2為圖1的A-A方向的截面圖。
圖3示出了圖1的濾波器的使用狀態(tài)視圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的平面濾波器的第二個(gè)實(shí)施例視圖圖4A為一個(gè)濾波器部件的透視圖；而圖4B為一個(gè)調(diào)諧部件的透視圖；圖5是該調(diào)諧部件的平面視圖；圖6示出了該過濾器部件被翻轉(zhuǎn)并置于該調(diào)諧部件的對(duì)面視圖；圖7示出了磁性材料也置于調(diào)諧部件背面一側(cè)以形成一個(gè)閉合磁路的視圖；圖8示出了本實(shí)施例的濾波器頻率通導(dǎo)特性圖；圖9示出了一個(gè)電極以交叉指型形成的視圖；圖10示出了濾波器通導(dǎo)特性圖；圖11示出了該平面濾波器的第二個(gè)例子的結(jié)構(gòu)視圖圖11A為該濾波器部件的平面視圖；圖11B為該調(diào)諧部件的平面視圖；而圖11C為圖11平面濾波器的截面圖；圖12示出了電極以交叉指型形成的視圖；圖13示出了YIG的磁導(dǎo)率圖；圖14示出了磁性材料截面區(qū)域總是設(shè)置為常數(shù)的說明性視圖。
下文中將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的平面濾波器。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的平面濾波器的第一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)視圖，而圖2為圖1在A-A方向上的截面視圖。
如圖2所示，本實(shí)施例的平面濾波器的構(gòu)成方式是，平面濾波器部件1經(jīng)一個(gè)預(yù)定間隙置于一個(gè)類似的平面調(diào)諧部件2的對(duì)面。
圖1示出了濾波器部件1配置到調(diào)諧部件2對(duì)面之前的狀態(tài)，而圖1的虛線示出了當(dāng)該濾波器部件置于調(diào)諧部件對(duì)面時(shí)的垂直重疊位置。
圖1的濾波器部件1為微帶線結(jié)構(gòu)的帶通濾波器，其中由超導(dǎo)體形成的一對(duì)輸入／輸出部分5，以及類似地由超導(dǎo)體形成的多個(gè)諧振元件6置于襯底4上，襯底4的背面一側(cè)為接地面3。
圖1的調(diào)諧部件2的構(gòu)成方式為，多個(gè)電介質(zhì)薄膜8以及用于施加電場(chǎng)到電介質(zhì)薄膜8的多個(gè)電極9位于磁板7的表面(圖1的較低面)，磁板7的磁導(dǎo)率根據(jù)施加的磁場(chǎng)改變。每個(gè)電介質(zhì)薄膜8置于濾波器部件1的諧振元件6之間的間隙對(duì)面位置，或者置于濾波器部件1的諧振元件6和輸入／輸出部分5之間的間隙對(duì)面位置。
在圖1中，電介質(zhì)薄膜8和電極9對(duì)應(yīng)介電常數(shù)調(diào)整部分，而電介質(zhì)薄膜8對(duì)應(yīng)電介質(zhì)部分，電極9對(duì)應(yīng)電場(chǎng)產(chǎn)生部分。
如圖2所示，一束微波作為過濾對(duì)象輸入到濾波器部件1的輸入／輸出部分5的輸入端。此外，圖2箭頭Y1所示的直流磁場(chǎng)從輸入／輸出部分5的一端施加到輸入／輸出部分5的另一端。這個(gè)磁場(chǎng)可變地控制濾波器通頻帶。
如圖3所示，圖1中的平面濾波器包含在銅(Cu)容器11內(nèi)。容器11再置于杜瓦瓶12內(nèi)。容器11與制冷器13的冷端部14保持熱接觸。用于在圖2箭頭Y1方向產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈15繞在容器11的外壁上。
此外，在圖3忽略的杜瓦瓶12的外面，放置有一個(gè)電壓施加電源，用于施加一個(gè)電壓到圖1中的電極9，以及放置有一個(gè)線圈激勵(lì)電源，用于激勵(lì)線圈。通過可變地控制將要提供給該電源的電壓，可控制圖1中濾波器的通導(dǎo)頻率、邊緣特性或波紋。
圖3示出了一個(gè)例子，其中濾波器的次級(jí)放大器(未示出)不包含在杜瓦瓶12中，但該放大器可以包含在杜瓦瓶12內(nèi)。此外，為簡(jiǎn)化起見，圖3示出了其中只有一個(gè)平面濾波器置于杜瓦瓶12內(nèi)的例子，但多個(gè)濾波器可如圖3的虛線所示包含在杜瓦瓶12內(nèi)。
接下來將描述圖1所示平面濾波器的第一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)操作。決定圖1平面濾波器通頻帶的因數(shù)有諧振元件6的長(zhǎng)度、以及諧振元件6周圍介質(zhì)的有效的介電常數(shù)ε和有效磁導(dǎo)率。此外，邊緣特性和波紋由諧振元件6的空載Q值、諧振元件6之間的耦合、以及諧振元件6和輸入／輸出部分5之間的耦合限定。
諧振元件6之間，以及諧振元件6和輸入／輸出部分5之間的耦合由間隙長(zhǎng)度、以及間隙周圍介質(zhì)的有效介電常數(shù)ε和有效磁導(dǎo)率μ確定。當(dāng)直流磁場(chǎng)通過圖3所示的外部線圈15施加到圖1的調(diào)諧部件2上時(shí)，有效磁導(dǎo)率μ完全改變，而且所有諧振元件6的諧振頻率可均勻地偏移。
在此，諧振元件6的諧振頻率f用有效介電常數(shù)ε、有效磁導(dǎo)率μ、諧振元件6的長(zhǎng)度L以及光速C的公式(1)表示為f=C/2πLϵμ...(1)]]>從公式(1)可看出，當(dāng)有效磁導(dǎo)率μ改變時(shí)，諧振頻率f根據(jù)有效磁導(dǎo)率的變化而變化。當(dāng)諧振頻率f改變時(shí)，濾波器的通頻帶也隨之改變。
如上所述，當(dāng)直流磁場(chǎng)以箭頭Y1方向施加到圖1濾波器時(shí)，濾波器的通導(dǎo)特性在頻率軸上偏移，而諧振元件6之間的耦合，以及諧振元件6和輸入／輸出部分5之間的電磁耦合也隨之改變，而且濾波器邊緣特性、波紋、以及其它濾波器特性也不同于設(shè)計(jì)。
在這種情況下，在本實(shí)施例中，通過在位于圖1的電介質(zhì)薄膜8附近的電極9之間施加電壓，諧振元件6之間間隙的有效介電常數(shù)ε、或諧振元件6和輸入／輸出部分5之間間隙的有效介電常數(shù)ε可變地受控，而且調(diào)整了邊緣特性和波紋。
此外，在本實(shí)施例中，由于具有較大介質(zhì)損耗的電場(chǎng)相關(guān)介電常數(shù)的電介質(zhì)僅用在諧振元件6之間間隙或諧振元件6和輸入／輸出部分5之間間隙的對(duì)面部分，就不會(huì)嚴(yán)重?fù)p害諧振元件6的空載Q值、濾波器插入損耗以及邊緣特性。
第二個(gè)實(shí)施例的特征在于諧振元件6的諧振頻率、諧振元件6之間的耦合、以及諧振元件6和輸入／輸出部分5之間的耦合可單獨(dú)和獨(dú)立地調(diào)整。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的平面濾波器第二個(gè)實(shí)施例的視圖。圖4A是濾波器部件1的透視圖；而圖4B是調(diào)諧部件2的透視圖。此外，圖5是調(diào)諧部件2的平面視圖。
圖4平面濾波器的特征在于，該調(diào)諧部件2的結(jié)構(gòu)不同于第一個(gè)實(shí)施例(圖1)中的結(jié)構(gòu)，而濾波器部件1的結(jié)構(gòu)類似于圖1中的結(jié)構(gòu)。
圖4A的濾波器部件1類似于圖1，其特征在于超導(dǎo)體在襯底4的兩個(gè)表面形成，一個(gè)表面用作接地面導(dǎo)體，另一表面上的超導(dǎo)體經(jīng)處理，分別形成一對(duì)輸入／輸出部分5以及多個(gè)諧振元件6。
圖4B的調(diào)諧部件2有第一磁性材料21，置于輸入／輸出部分5和諧振元件6之間間隙的對(duì)面；第二磁性材料22，置于置于諧振元件6的對(duì)面；第三磁性材料23，置于諧振元件6之間間隙的對(duì)面；第四和第七磁性材料31和41，置于磁性材料21的兩側(cè)；第五和第八磁性材料32和42，置于磁性材料22的兩側(cè)；第六和第九磁性材料33和43，置于磁性材料23的兩側(cè)；以及線圈51、52和53，它們中的每一個(gè)均與磁性材料31、32和33的每一個(gè)的一端相連。
圖4的平面濾波器與圖3的類似，包含在銅(Cu)容器11內(nèi)，置于杜瓦瓶12內(nèi)。
濾波器部件1或調(diào)諧部件2中的任意一個(gè)翻轉(zhuǎn)并置于另一部件的對(duì)面，圖6示出了濾波器部件1翻轉(zhuǎn)并置于調(diào)諧部件2的對(duì)面。如圖所示，磁性材料22置于諧振元件6的對(duì)面，磁性材料23置于諧振元件6之間間隙的對(duì)面，而磁性材料21置于諧振元件6和輸入／輸出部分5之間間隙的對(duì)面。
另外，圖4B中，示出了磁性材料21和23通過陰影線與磁性材料31至33、41至43分隔開，但這些材料可形成不同部件，或同一部件。
磁性材料41至43配置方式為，施加到磁性材料21至23的磁場(chǎng)在濾波器部件1上的超導(dǎo)體5和6之外的空間擴(kuò)散，不必要經(jīng)磁性材料21至23對(duì)稱地布置磁性材料31至33和磁性材料41至43。
此外，如圖7所示，磁性材料也可置于調(diào)諧部件2的背面以形成一個(gè)閉合磁路，這樣由線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)就不會(huì)外泄。通過這個(gè)結(jié)構(gòu)，泄漏的磁通量減少了，可防止超導(dǎo)體特性由于磁場(chǎng)而變壞，而且能降低提供給線圈51至53的功率。
如前述公式(1)所示，決定濾波器通導(dǎo)頻率的主要因數(shù)為諧振元件6的長(zhǎng)度、以及諧振元件6附近的有效介電常數(shù)ε和有效磁導(dǎo)率μ。此外，決定邊緣特性和波紋的主要因數(shù)為諧振元件6的Q值、諧振元件6之間的耦合量、以及諧振元件6和輸入／輸出部分5之間的耦合量。
圖8示出了本實(shí)施例濾波器的頻率通導(dǎo)特性圖。當(dāng)圖4B的線圈51、52、53不產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)，如實(shí)線a所示，在中心頻率f1，沒有波紋，而且邊緣特性處于令人滿意的狀態(tài)。
在這種狀態(tài)下，當(dāng)圖4B的線圈52產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)，諧振元件6附近的磁導(dǎo)率改變，而且濾波器通頻帶可偏移到f2。然而，在圖4B的線圈52產(chǎn)生磁場(chǎng)之前，由于諧振元件6之間以及諧振元件6和輸入／輸出部分5之間的耦合被設(shè)置到適合于通頻帶的值，只需要通過線圈52產(chǎn)生磁場(chǎng)，如圖8的虛線b所示，波紋產(chǎn)生了，而邊緣特性變壞了。
因此，在第二個(gè)實(shí)施例中，由圖4B的線圈51和53產(chǎn)生磁場(chǎng)，而且磁性材料21和23的磁導(dǎo)率變化到理想的值。結(jié)果，諧振元件6之間以及諧振元件6和輸入／輸出部分5之間的耦合被設(shè)置到理想值，如圖8的實(shí)線c所示，可獲得令人滿意的頻率特性。
此外，由于磁性材料21至23的損耗足夠小，可始終如一地維持使用超導(dǎo)體特性的低損耗和尖切濾波器特性。
在前述第一和第二實(shí)施例中，兩級(jí)的帶通濾波器已作為例子描述，但本發(fā)明也能應(yīng)用到其它級(jí)的濾波器。此外，濾波器類型并不限于帶通濾波器，本發(fā)明也能應(yīng)用于其他諸如帶阻濾波器、低通濾波器以及高通濾波器等類型的濾波器。另外，沒有必要限制濾波器外型體現(xiàn)一種耦合到端部耦合類型的方式，本發(fā)明也可應(yīng)用于諸如側(cè)耦合等其它耦合類型。同樣沒有必要的是限制微帶線結(jié)構(gòu)，也可采用其它的任何結(jié)構(gòu)，只要由諧振元件6的長(zhǎng)度以及間隙決定特性，而且本發(fā)明也可應(yīng)用于如共面結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的具體例子將在下文中描述。(第一個(gè)具體例子)下文中描述的第一個(gè)具體例子是在第一個(gè)實(shí)施例描述的圖1中濾波器的具體例子，而且要描述的是一種4．8GHz頻帶的微帶線結(jié)構(gòu)的帶通濾波器。
在本例中，0．5mm厚的LaAlO3用作濾波器部件1的襯底4。通過濺射法在襯底4的兩面上形成500nm厚的Y基超導(dǎo)體薄膜，其中一面的超導(dǎo)體薄膜用作接地面3，另一面的超導(dǎo)體薄膜經(jīng)由離子銑方法處理，形成輸入／輸出部分5和具有理想諧振頻率的多個(gè)諧振元件6，而且準(zhǔn)備好了微帶線結(jié)構(gòu)的濾波器部件1。
每個(gè)諧振元件6寬170μm，長(zhǎng)8mm且諧振頻率為4．8GHz。此外，諧振元件6之間設(shè)置100μm的間隙，諧振元件6和輸入／輸出部分5之間設(shè)置70μm的間隙。
另一方面，對(duì)調(diào)諧部件2，首先，通過濺射法在0．5mm厚的Y3Fe5O12(YIG)磁板7上形成7nm厚的氧化導(dǎo)體膜SrRuO3(下文中稱為SRO膜)，磁板7的飽和磁化強(qiáng)度為750高斯。
SRO膜接著經(jīng)過離子銑方法處理，在濾波器部件1的諧振元件6之間的間隙部分以及諧振元件6和輸入／輸出部分5之間的間隙部分的對(duì)面部分形成線寬為10μm，間隙寬為40μm的一對(duì)電極9。
接下來，使用金屬罩，介電常數(shù)依賴于所施加電場(chǎng)的SrTiO3電介質(zhì)薄膜8(下文中稱為STO膜)，通過濺射法覆蓋在前述間隙部分的對(duì)面厚達(dá)500nm。電極9的外型可以是不同于圖1所示的雙線型，或?yàn)閳D9所示的交叉指型(梳型)。
對(duì)濾波器特性的評(píng)估依下述執(zhí)行。在將前述處理中準(zhǔn)備的濾波器部件1和調(diào)諧部件2面對(duì)面以間隙0．3mm組裝到容器11中后，如圖3所示，將線圈15繞在容器11的外壁。
接下來，將容器11置于杜瓦瓶12內(nèi)，并與可冷卻到40K的制冷器13相連，進(jìn)行制冷以達(dá)到60K，然后通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量微波功率的通導(dǎo)特性和反射特性。
在將80V電壓提供到電壓施加電極9，和沒有電流通過磁場(chǎng)施加線圈15的狀態(tài)下，也就是說，在圖10中曲線d所示的零磁場(chǎng)的狀態(tài)下，濾波器通導(dǎo)特性在通帶上是平坦的，插入損耗為1dB或更小，兩端的上升和下降沿(邊緣特性)很陡，顯示了令人滿意的濾波器特性。
接下來，當(dāng)電流通過圖3中的磁場(chǎng)施加線圈15，并施加300奧斯特(Oe)場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，如曲線e所示，通帶的中心頻率以Δf=38MHz偏移到高頻一側(cè)，但通帶中的不規(guī)則性(波紋)增加了，同時(shí)邊緣特性也變壞了。
在這種狀態(tài)下，當(dāng)應(yīng)用到圖1中電壓施加電極9上的電壓設(shè)置為40V時(shí)，如曲線f所示，當(dāng)通過頻帶中心頻率為(f+Δf)時(shí)，波紋減小了，而邊緣特性改善了，顯示出令人滿意的濾波器特性。
在本例中，為簡(jiǎn)化描述，在零磁場(chǎng)施加的電壓為80V作為初始狀態(tài)，如曲線d所示，但當(dāng)在零磁施加的電壓為0V時(shí)，通帶中心頻率f類似于曲線d所示，得到如曲線e所示的大波紋特性。
當(dāng)濾波器部件1置于接近于調(diào)諧部件2時(shí)，在施加300奧斯特(Oe)磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況下的頻率偏移為149MHz，這大約是前述偏移的4倍，而且插入損耗增加，為2dB。此外，與上面的描述類似，由電壓施加電極9施加電壓到電介質(zhì)可調(diào)整由頻率調(diào)諧引起的濾波器特性的變化。
如上所述，由于本例的濾波器可通過電壓施加電極9隨意調(diào)整邊緣特性和波紋，那么可在較大范圍內(nèi)可變地控制通頻帶，而不使濾波器的諸如邊緣特性和波紋特性等變壞。
此外，在本例中，由于作為空載Q值變壞原因的電介質(zhì)薄膜只用于有限部分，如諧振元件6之間的間隙，那么就不會(huì)損失作為超導(dǎo)體特性的損耗降低特性。
另外，對(duì)于前述的第一個(gè)具體例子，如圖1所示，已描述了平面濾波器部件1和調(diào)諧部件2互相并行設(shè)置的例子，而且也實(shí)驗(yàn)了濾波器部件1與調(diào)諧部件2沒有并行設(shè)置的情況。結(jié)果，與并行配置相比，濾波器插入損耗增加了，而且無法獲得陡峭的邊緣特性。
此外，在前述第一個(gè)具體例子的結(jié)構(gòu)中，置于濾波器部件1的上面(或下面)的調(diào)諧部件2的磁性材料需要覆蓋濾波器部件1超導(dǎo)體部分的整個(gè)表面。在只覆蓋一部分的結(jié)構(gòu)中，濾波器插入損耗增加，而且無法獲得陡峭的邊緣特性。(第二個(gè)具體例子)在下文中描述的第二個(gè)具體例子與第一個(gè)具體例子類似，是第一個(gè)實(shí)施例的具體例子，而且示出了通頻帶約為2GHz的例子。
圖11示出了平面濾波器第二個(gè)具體例子的結(jié)構(gòu)視圖。圖11A是濾波器部件1的平面視圖，圖11B是調(diào)諧部件2的平面視圖，而圖11C是圖11的平面濾波器的截面視圖。
圖11的平面濾波器在結(jié)構(gòu)和制造方法上類似于圖1的平面濾波器，除了平面濾波器部件1上的諧振元件6的外型不同外。
如公式(1)所示，當(dāng)諧振頻率降低時(shí)，諧振元件6的長(zhǎng)度L增長(zhǎng)。因此，在圖11的濾波器部件1中，諧振元件6通過折疊并布置自身而變長(zhǎng)。
在本例中，濾波器部件1上的諧振元件6的寬度設(shè)置為170μm，長(zhǎng)度為20．2mm，諧振元件6之間的間隙為1．2mm，而且諧振元件6和輸入／輸出部分5之間的間隙為340μm。結(jié)果，獲得了同樣的性能。
本發(fā)明申請(qǐng)人是在下述條件下進(jìn)行試驗(yàn)的調(diào)諧部件2的電極9，如圖12所示，為交叉指型，電極9的線寬設(shè)為10μm，線間隙設(shè)為40μm，諧振元件6之間的電極9的數(shù)量設(shè)為24，諧振元件6和輸入／輸出部分5之間的電極9的數(shù)量設(shè)為6，以及濾波器部件1和調(diào)諧部件2之間的間隙設(shè)為0．3mm。
在帶通濾波器通帶為2GHz頻帶的情況下，當(dāng)磁性材料的飽和磁化強(qiáng)度設(shè)為750高斯，類似于4．8GHz的濾波器時(shí)，插入損耗為20dB或更高，而且該濾波器簡(jiǎn)直無法忍受它的使用。對(duì)于2GHz頻帶的帶通濾波器，通過設(shè)置磁性材料的飽和磁化強(qiáng)度為300高斯或更小，獲得的插入損耗實(shí)際值可為1dB或更小。
隨著施加到電極9的電壓和施加的磁場(chǎng)的變化，濾波器特性的變化類似于第一個(gè)具體例子，但施加300奧斯特磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)中心頻率變化了38MHz。
當(dāng)濾波器通導(dǎo)頻率f(MHz)和磁性材料飽和磁化強(qiáng)度4πMs(高斯)之間的關(guān)系、插入損耗以及濾波器特性完成檢查，以及當(dāng)用在濾波器中的磁性材料的飽和磁化強(qiáng)度4πMs的通導(dǎo)頻率f從4πMs＜f／6．3條件下偏移時(shí)，本發(fā)明的平面帶通濾波器的插入損耗快速增加，而且邊緣特性也緩和了。(第三個(gè)具體例子)下文中描述的第三個(gè)具體例子是第二個(gè)實(shí)施例描述的圖4中濾波器的具體例子。
在第三個(gè)具體例子中，以下述方式準(zhǔn)備圖4所示的平面濾波器。在縱向尺寸為40mm、橫向尺寸為20mm、厚度為0．5mm的LaAlO3單晶襯底4的兩個(gè)表面上，通過濺射法、激光汽相淀積法、CVD(化學(xué)汽相淀積)法或類似方法，形成500nm厚的YBCO超導(dǎo)體膜。接著，其中一個(gè)表面通過平板印刷術(shù)法處理以形成輸入／輸出部分5以及諧振元件6。接下來，背面13用作接地面3，也準(zhǔn)備好了微波傳輸帶結(jié)構(gòu)的兩級(jí)帶通濾波器。
諧振元件6的寬度設(shè)置為170μm，長(zhǎng)度為8mm，諧振元件6之間的間隙為100μm，諧振元件6和輸入／輸出部分5之間的間隙為50μm。
此外，以下述方法準(zhǔn)備圖4B所示的調(diào)諧部件2。在縱向尺寸為35mm、橫向尺寸年為30mm、厚度為1mm的非磁性陶瓷襯底4的整個(gè)頂面上，形成一個(gè)由Y3Fe5O12(YIG)組成的磁性材料，以通過一個(gè)應(yīng)用方法獲得100μm的厚度。
接著，用一個(gè)激光束處理器處理YIG厚膜，其尺寸如圖5所示，以獲得圖4B的形式。在本例中，以同樣的材料連續(xù)形成磁性部件21至23、31至33、41至43，但也可用不同的材料形成。
接下來，如圖4B所示，用一個(gè)固定的夾子(未示出)將磁場(chǎng)產(chǎn)生線圈51至53置于磁性材料31至33的附近。對(duì)于線圈51、53，內(nèi)徑設(shè)置為2mm，外徑設(shè)置為4mm，長(zhǎng)度設(shè)置為5mm。對(duì)于線圈52，內(nèi)徑設(shè)置為3mm，外徑設(shè)置為10mm，長(zhǎng)度設(shè)置為10mm。
對(duì)于51至53的每個(gè)線圈，直徑為0．1mm的導(dǎo)體每1cm繞800次，以便由100mA的直流供電產(chǎn)生約為100Oe的磁場(chǎng)。
一般來講，當(dāng)磁場(chǎng)施加到Y(jié)IG磁性材料時(shí)，YIG的磁導(dǎo)率的改變?nèi)鐖D13所示。特別地，零磁場(chǎng)的磁導(dǎo)率隨著磁場(chǎng)的施加單調(diào)遞減。
接下來，圖4A所示的濾波器部件1以如下方式覆蓋到圖4B所示的調(diào)諧部件2上其上形成諧振元件6的表面與其上形成磁性材料21至23的表面相對(duì)。
特別地，磁性材料21置于諧振元件6和輸入／輸出部分5之間間隙的對(duì)面，磁性材料22置于諧振元件6的對(duì)面，而磁性材料23置于諧振元件6之間的間隙對(duì)面。本例的平面濾波器即以這種方式準(zhǔn)備。
圖8示出了當(dāng)本例的濾波器冷卻到40K時(shí)的通導(dǎo)特性圖。當(dāng)不施加磁場(chǎng)時(shí)，通頻帶的中心頻率f1為4．8GHz，而帶寬為15MHz。
在這種情況下，通導(dǎo)頻帶很平坦而且基本沒有波紋，插入損耗為1dB或更小。此外，通頻帶兩側(cè)的上升和下降沿特性(邊緣特性)很陡，由于這個(gè)原因，顯示出相當(dāng)令人滿意的帶通濾波器特性。
接下來，通過從線圈52流過100mA的電流，并產(chǎn)生100Oe的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)施加到磁性材料22上。結(jié)果如圖8的虛線b所示，通導(dǎo)頻率的中心頻率f2以20MHz偏移到高頻一側(cè)但在通帶中產(chǎn)生2dB(凹陷部分)的波紋，而且邊緣特性也變壞了。
此外，在這種狀態(tài)下，通過從線圈51流過30mA的電流和從線圈53流過40mA的電流，將磁場(chǎng)施加到磁性材料21和23上。結(jié)果如圖8的實(shí)線c所示，通頻帶的中心頻率f2沒有改變，波紋消除了，邊緣特性改善了，并獲得了令人滿意的帶通濾波器特性。
另外，在本例中，已描述了濾波器特性在所有零磁場(chǎng)都令人滿意的初始狀態(tài)，但濾波器的構(gòu)成可以以濾波器特性處于滿意的初始狀態(tài)，同時(shí)磁場(chǎng)由一些線圈產(chǎn)生的方式設(shè)計(jì)。
一般來說，YIG的磁導(dǎo)率隨圖12所示的磁場(chǎng)單調(diào)遞減。因此，預(yù)先設(shè)計(jì)具有施加于其上的過渡磁場(chǎng)的初始狀態(tài)是有用的(如圖12的H2所示的磁場(chǎng)值)，這樣使在磁導(dǎo)率增加或減小的方向上進(jìn)行調(diào)整成為可能。
對(duì)于線圈51至53的每個(gè)線圈產(chǎn)生的用于調(diào)整通導(dǎo)頻率特性的磁場(chǎng)大小，可考慮試驗(yàn)和誤差的控制方式，例如，通導(dǎo)特性受網(wǎng)絡(luò)分析儀的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
然而，如果根據(jù)所要求的濾波器特性，作預(yù)先的導(dǎo)電測(cè)試以設(shè)置相應(yīng)的線圈51至53的供給電流值，并準(zhǔn)備一種校準(zhǔn)表，則有可能在下一次基于該校準(zhǔn)表快速調(diào)整濾波器特性。
此外，當(dāng)使用通常的導(dǎo)電金屬作為線圈51至53的材料時(shí)，在供電期間產(chǎn)生功率消耗，于是準(zhǔn)備超導(dǎo)體線的線圈以及抑制功率消耗的方式是有效的。在本例中，YIG厚度設(shè)置為100μm，但實(shí)際上該厚度假定在幾十納米到幾毫米的范圍內(nèi)。
此外，為減小損耗，磁性材料21至23、31至33、41至43最好根據(jù)磁導(dǎo)率必要的改變量做到盡可能的薄。膜形成方法不限于所述應(yīng)用方法，厚度可很小為幾微米或更小，該薄膜可通過濺射方法、激光汽相淀積、或CVD方法形成。
另外，當(dāng)磁性材料21至23、31至33、41至43的每個(gè)形成厚度為100um或更大時(shí)，散裝材料可置于襯底4上。此外，當(dāng)磁性材料本身有足夠的硬度時(shí)，材料并不一定要在襯底4上面形成，而是可以單獨(dú)形成。
在本例中，使用同樣的材料以同一厚度連續(xù)準(zhǔn)備磁性材料21至23、31至33、41至43，但厚度可以改變。例如，為在線圈的緊密內(nèi)徑內(nèi)形成磁性材料32，建議減小在線圈附近部分的寬度。在這種情況下，當(dāng)厚度與磁性材料22的相同時(shí)，線圈51至53附近磁性材料的截面面積小于磁性材料22的截面面積。
由于圖4中所示的濾波器通過磁性材料21至23、31至33、41至43導(dǎo)通磁場(chǎng)，磁力線的數(shù)目總是保持為常數(shù)。此外，由于磁通密度與截面積成反比，由于磁性材料22的截面積大于線圈51至53鄰近區(qū)域的截面積，磁通密度減小了，而且有可能無法獲得足夠的磁導(dǎo)率的變化。
因此，對(duì)于磁性材料31至33，如圖13所示，一種增加線圈51至53鄰近區(qū)域厚度的技術(shù)以便結(jié)果截面積不改變，而有效地獲得了足夠的磁導(dǎo)率變化。另外，為了獲得更大的磁導(dǎo)率變化，可以擴(kuò)大線圈51至53鄰近區(qū)域中的截面積。
此外，在前述第一到第三個(gè)具體例子中，YIG被描述為磁性材料的例子，但磁性材料并不局限于YIG。不同于YIG的磁性材料的例子包括Y3Fe5O12、Pr0．85Ca0．15MnO3、和Nd0．67Sr0．33MnO3。
另外，磁性材料被描述使用大塊板形成，但是也可使用通過各種各樣的薄膜形成方法在合適的襯底4上獲得的薄膜，或在濾波器部件1上形成的薄膜。
此外，沒有特別限定通過前述濾波器過濾的一個(gè)信號(hào)頻率，但一個(gè)達(dá)到約幾十GHz頻率的信號(hào)能被過濾，而且本濾波器由此能應(yīng)用于蜂窩電話使用的頻率帶，或者應(yīng)用于類似的情形。
權(quán)利要求
1．一種平面濾波器包括一個(gè)濾波器部件，它有由超導(dǎo)體薄膜形成的多個(gè)諧振元件，以及經(jīng)電介質(zhì)襯底上的間隙置于所說諧振元件的兩個(gè)側(cè)面的輸入／輸出部分；和由磁性材料形成的一個(gè)調(diào)諧部件，所說調(diào)諧部件經(jīng)一個(gè)預(yù)定的間隙置于所說濾波器部件的對(duì)面，而且對(duì)其施加一直流磁場(chǎng)，所說調(diào)諧部件包括一個(gè)介電常數(shù)調(diào)整部分，它調(diào)整所說諧振元件之間的間隙邊緣和所說輸入／輸出部分和所說諧振元件之間的間隙邊緣中至少一個(gè)的有效介電常數(shù)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的平面濾波器，其中所說的介電常數(shù)調(diào)整部分包括置于所說諧振元件之間的所說間隙以及所說輸入／輸出部分和所說諧振元件之間的所說間隙中至少一個(gè)的對(duì)面的一個(gè)電介質(zhì)部分；和用于在所說電介質(zhì)部分中產(chǎn)生電場(chǎng)的一個(gè)電場(chǎng)產(chǎn)生部分。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的平面濾波器，其中所說的介電常數(shù)調(diào)整部分可變地控制要施加到所說電場(chǎng)產(chǎn)生部分的一個(gè)電壓，以可變地控制所說諧振元件之間的所說間隙以及所說諧振元件和所說輸入／輸出部分之間的所說間隙中至少一個(gè)的有效介電常數(shù)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的平面濾波器，其中一個(gè)直流磁場(chǎng)從所說輸入／輸出部分的一端沿所說輸入／輸出部分的另一端方向上施加。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的平面濾波器，其中所說的濾波器部件為一微帶線結(jié)構(gòu)的帶通濾波器，其中由超導(dǎo)體形成的一對(duì)所說輸入／輸出部分和由超導(dǎo)體形成的所說多個(gè)諧振元件排列在襯底上，襯底的背面一側(cè)為接地面。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的平面濾波器，其中一個(gè)微波信號(hào)被輸入到所說輸入／輸出部分的輸入端。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的平面濾波器，其中所說的調(diào)諧部件使用Y3Fe5O12、 Pr0．85Ca0．15MnO3和Nd0．67Sr0．33MnO3中的至少一種形成。
8．一種濾波器系統(tǒng)包括一個(gè)包含根據(jù)權(quán)利要求1的平面濾波器的容器；一個(gè)環(huán)繞所說容器外壁的繞組，所說繞組沿所說濾波器部件和所說調(diào)諧部件之間的所說間隙施加一直流磁場(chǎng)；和一個(gè)用于冷卻所說容器的制冷器。
9．一種平面濾波器包括一個(gè)濾波器部件，有由超導(dǎo)體薄膜形成的多個(gè)諧振元件，以及經(jīng)電介質(zhì)襯底上的間隙置于所說諧振元件的兩個(gè)側(cè)面的輸入／輸出部分；和一個(gè)調(diào)諧部件，經(jīng)一個(gè)預(yù)定的間隙置于所說濾波器部件的對(duì)面，所說調(diào)諧部件有第一磁性材料，置于所說輸入／輸出部分和所說諧振元件之間的間隙對(duì)面；第二磁性材料，置于每個(gè)所說諧振元件的對(duì)面；第三磁性材料，置于所說諧振元件之間的間隙對(duì)面；和用于調(diào)整所說第一，所說第二和所說第三磁性材料的磁導(dǎo)率的磁場(chǎng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的平面濾波器，其中所說磁場(chǎng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)有第一、第二和第三線圈，用于獨(dú)立地施加磁場(chǎng)到所說第一、第二和第三磁性材料上。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的平面濾波器，其中所說磁場(chǎng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)能單獨(dú)地控制提供給所說第一、第二和第三線圈的電流，以調(diào)整濾波器的波紋、邊緣特性和中心頻率。
12．根據(jù)權(quán)利要求10的平面濾波器，其中所說濾波器部件有n(n為2或更大的整數(shù))塊諧振元件，而且所說的調(diào)諧部件有所說的第三磁性材料，其置于所說相鄰諧振元件之間的(n-1)間隙的對(duì)面，而且所說第三線圈對(duì)應(yīng)著第三磁性材料。
13．根據(jù)權(quán)利要求10的平面濾波器，其中所說調(diào)諧部件包括第四磁性材料，置于所說第一線圈和所說第一磁性材料之間，而且與所說第一線圈和所說第一磁性材料都相連；第五磁性材料，置于所說第二線圈和所說第二磁性材料之間，而且與所說第二線圈和所說第二磁性材料都相連；第六磁性材料，置于所說第三線圈和所說第三磁性材料之間，而且與所說第三線圈和所說第三磁性材料都相連；第七磁性材料，通過夾住所說第一磁性材料置于所說第四磁性材料的對(duì)面一側(cè)，而且與所說第一磁性材料相連；第八磁性材料，經(jīng)所說第二磁性材料置于所說第五磁性材料的對(duì)面一側(cè)，而且與所說第二磁性材料相連；和第九磁性材料，通過夾住所說第三磁性材料置于所說第六磁性材料的對(duì)面一側(cè)，而且與所說第三磁性材料相連。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的平面濾波器，其中所說第一、第二和第三線圈，與相應(yīng)的線圈相連的所說第四、第五和第六磁性材料，與所說第四、第五和第六磁性材料相連的所說第一、第二和第三磁性材料，以及與所說第一、第二和第三磁性材料相連的所說第七、第八和第九磁性材料相應(yīng)地形成閉路。
15．根據(jù)權(quán)利要求13的平面濾波器，其中所說第四、第五、第六、第七、第八和第九磁性材料的每一個(gè)的截面積都為常數(shù)。
16．根據(jù)權(quán)利要求15的平面濾波器，其中所說第五磁性材料在所說第二磁性材料的遠(yuǎn)處一側(cè)比所說第二磁性材料的近處一側(cè)的寬度要窄，厚度要大。
17．根據(jù)權(quán)利要求15的平面濾波器，其中所說第四和第六磁性材料在所說第一和第三磁性材料的遠(yuǎn)處一側(cè)比所說第一和第三磁性材料的近處一側(cè)寬度要寬，厚度要小。
18．根據(jù)權(quán)利要求9的平面濾波器，其中所說濾波器部件為微帶線結(jié)構(gòu)的帶通濾波器，它有由超導(dǎo)體形成的一對(duì)所說輸入／輸出部分和由超導(dǎo)體形成的所說多個(gè)諧振元件排列在襯底上，襯底的背面一側(cè)固定為地電位。
19．根據(jù)權(quán)利要求9的平面濾波器，其中一個(gè)微波信號(hào)作為過濾對(duì)象輸入到所說輸入／輸出部分的輸入端。
20．根據(jù)權(quán)利要求9的平面濾波器，其中所說調(diào)諧部件使用Y3Fe5O12、Pr0．85Ca0．15MnO3和Nd0．67Sr0．33MnO3中的至少一種形成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種平面濾波器,包括:一個(gè)濾波器部件,它有由超導(dǎo)體薄膜形成的多個(gè)諧振元件和經(jīng)電介質(zhì)襯底上的間隙置于所說諧振元件的兩個(gè)側(cè)面的輸入/輸出部分;以及由磁性材料形成的一個(gè)調(diào)諧部件,所說調(diào)諧部件經(jīng)一個(gè)預(yù)定的間隙置于所說濾波器部件的對(duì)面,而且對(duì)其施加一直流磁場(chǎng)。所說調(diào)諧部件包括介電常數(shù)調(diào)整部分,調(diào)整所說諧振元件之間的間隙邊緣和所說輸入/輸出部分和所說諧振元件之間的間隙邊緣中至少一個(gè)的有效介電常數(shù)。
文檔編號(hào)H01P1/203GK1290052SQ00129218
公開日2001年4月4日 申請(qǐng)日期2000年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月29日
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