專利名稱：一種平面超導微帶諧振器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微波工程領域，具體的說，本發(fā)明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、移動電話基站、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(tǒng)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制成的一種平面器件，它是由若干個平面諧振器按一定規(guī)則排列而成的。對于用普通金屬制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，但相對帶寬要小于0.5％也比較困難，原因在于寄生耦合的干擾。相關的理論指出諧振器之間的耦合系數應滿足下列關系Mij=FBWgigjJij---(1)]]>式中Mij是第i個諧振器和第j個諧振器之間的耦合系數；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。這一公式表明耦合系數M取決于相對帶寬，也取決于諧振器自身的性質。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略。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干擾，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法。傳統(tǒng)的平面諧振器主要有二種結構形式，即直線形式和發(fā)卡形式。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(fā)來確定諧振單元的拓撲結構，例如英國伯明翰大學設計的彎折線平面超導微帶諧振器(2002International Conference on Microwave and Millimeter Wave TechnologyProceedings文集168頁)就是一例。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供一種高Q值，低電磁輻射，能夠使得寄生耦合減小到可以忽略程度的平面超導微帶諧振器。
為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)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于兩層超導薄膜之間的人造單晶介質組成的微帶線；其特征在于，所述微帶線是一條連續(xù)完整的帶狀體，形成一個具有內環(huán)和外環(huán)的幾何圖形結構，其內、外環(huán)均不封閉。
在上述的技術方案中，所述內環(huán)或外環(huán)是由直線(如圖3a或圖3c所示)、折線(如圖3c或圖3d所示)或曲線(如圖3b所示)構成的不封閉環(huán)形結構。
在上述的技術方案中，所述內環(huán)、外環(huán)的諧振電流方向相反。
在上述的技術方案中，所述內、外環(huán)可以是內環(huán)為凹形，外環(huán)為矩形。
在上述的技術方案中，所述內、外環(huán)可以均為矩形。
在上述的技術方案中，所述內、外環(huán)可以均為圓形。
在上述的技術方案中，所述內、外環(huán)可以是內環(huán)為折線構成的環(huán)狀結構，外環(huán)為矩形。
在上述的技術方案中，所述內、外環(huán)可以均為折線構成的環(huán)狀結構。
在上述的技術方案中，所述內環(huán)為凹形，外環(huán)為矩形的結構，其外環(huán)矩形長為5.4mm，寬為5.2mm，微帶線線寬為0.5mm，內、外環(huán)線間距為0.3mm，內、外環(huán)開口端間距為0.15mm。
本發(fā)明還提供了一種利用計算機仿真技術對平面超導微帶諧振器進行檢測與優(yōu)化的方法，以挑選出具有相對弱耦合特性的諧振器設計方案；其檢測方法是利用二個相同的諧振器組成耦合結構，通過計算機仿真測算出它們之間的耦合系數。其優(yōu)化方法是不斷地修改諧振器的幾何形狀及尺寸，并測出它們的耦合系數，通過對耦合系數的比較判斷出最優(yōu)方案。
在上述的技術方案中，所述檢測與優(yōu)化的方法如下將二個同樣的諧振器放在同一平面上，二個諧振器之間的距離應至少大于諧振器自身的寬度，從而組成一組耦合結構。用計算機仿真方法可以測算出該耦合結構的耦合系數。選擇另一種典型的超導諧振器，由二個該諧振器組成對比耦合結構，用計算機在完全相同的條件下測算出對比耦合結構的耦合系數。其中耦合系數相對較小的諧振器就具有相對較弱的輻射特性，也就意味著這種諧振器對不相鄰的諧振單元具有較小的寄生干擾。
二個諧振器之間的耦合系數由下述方法測出。圖6是由二個回形諧振器組成的耦合結構及其遠場耦合頻率相應曲線，二個諧振器之間的距離至少大于諧振器寬度，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f1、f2，相關理論指出，該耦合結構的耦合系數k可用下面的公式(2)計算，k=f22-f12f22+f12≈Δff0---(2)]]>式中Δf＝f2-f1，f0是回形諧振器中心頻率?？梢钥闯鲴詈舷禂祂與Δf成正比。
與現有技術相比，本發(fā)明提供的平面超導微帶諧振器的優(yōu)點是電磁輻射小。這是因為在本發(fā)明提供的諧振器中，內環(huán)、外環(huán)的瞬時電流方向總是相反，它們對外的電、磁輻射相抵消的緣故。更重要的是對于二個以上的諧振器組合，遠場更弱的輻射就意味著寄生耦合的影響大大減小。正是基于這一點，可以用本發(fā)明提供的諧振器設計并制做出高性能的窄帶超導帶通濾波器。此外，本發(fā)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系，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2是本發(fā)明平面超導微帶諧振器的一種幾何結構示意3a是本發(fā)明平面超導微帶諧振器的另一種幾何結構示意3b是本發(fā)明平面超導微帶諧振器的又一種幾何結構示意3c是本發(fā)明平面超導微帶諧振器的又一種幾何結構示意3d是本發(fā)明平面超導微帶諧振器的又一種幾何結構示意4是根據給定頻率f0＝1797MHz，晶體介質LaAlO3的介電常數εr＝23.6，設計的一個回形超導微帶諧振器圖形圖5是經過計算機仿真計算后得到的回形諧振器的頻率響應曲線；其結果表明在設定的仿真條件下，計算機給出的諧振頻率為1.7972GHz，無損Q≥50000圖6是一種回形超導諧振器組成的耦合結構及其遠場耦合頻率響應曲線圖7是一種彎折線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方式
下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步地描述。
實施例1參照圖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εr的單晶介質片。形成一個具有內環(huán)和外環(huán)的幾何圖形，其內、外環(huán)均不封閉且內、外環(huán)相通(本文中將這種具有不封閉內、外環(huán)的幾何結構稱為回形結構，將本發(fā)明提供的這種微帶諧振器稱為回形微帶諧振器)。本實施例中，選用的微帶線采用晶體介質LaAlO3，其介電常數εr＝23.6，該微帶線外環(huán)路做成矩形，在微帶線長不變的條件下，為了減少諧振腔的面積，內環(huán)做成凹形。在這種結構中，內、外環(huán)中的瞬時諧振電流相反，可以使諧振器的總輻射很小。
圖4是本實施例根據給定頻率f0＝1797MHz，晶體介質LaAlO3的介電常數εr＝23.6，設計的一個超導微帶諧振器圖形，其外環(huán)最大邊長為5.4mm，最大邊寬為5.2mm，微帶線的線寬為0.5mm，內、外環(huán)線間距為0.3mm，內、外環(huán)開口端間距為0.15mm。
圖5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1.7972GHz，經計算無載Q值大于5000。
本發(fā)明還提供了一種利用計算機仿真技術比較諧振器弱輻射特性的方法，該方法包括如下步驟將二個同樣的本發(fā)明回形諧振器放在同一平面上，為了比較涉及寄生干擾的遠場特性，二個諧振器之間的距離應至少大于諧振器自身的寬度，從而組成一組耦合結構，用計算機仿真方法可以測算出該耦合結構的耦合系數；選擇另一種典型的超導諧振器，再由二個該典型的超導諧振器組成對比耦合結構，用計算機在完全相同的條件下測算出對比耦合結構的耦合系數。其中耦合系數相對較小的諧振器就具有相對較弱的輻射特性，也就意味著這種諧振器對不相鄰的諧振單元具有較小的寄生干擾。
二個諧振器之間的耦合系數由下述方法測出。圖6是由二個回形諧振器組成的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于諧振器寬度，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f1、f2，相關理論指出，該耦合結構的耦合系數k可用公式(2)計算，式中Δf＝f2-f1，f0是回形諧振器中心頻率?？梢钥闯鲴詈舷禂祂與Δf成正比。
圖7是一種彎折線諧振器組成的耦合結構及其遠場耦合頻率響應曲線。彎折線諧振器是英國伯明翰大學在2002年公布的一種設計形式，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f0＝1797MHz，二個諧振器間的間隔與圖6一致。由公式(2)算出該結構的耦合系數，可以看出，圖7中的耦合結構的頻率差Δf是圖6中的回形諧振器耦合結構的14倍，從而證明回形諧振器具有相對弱的耦合特性。
上述比較耦合系數的方法也可用于回形諧振器的其它不同設計方案，從而可以從中挑選出弱輻射特性較優(yōu)的設計方案。
實施例2用一條完整的超導微帶線，形成一個具有內環(huán)和外環(huán)的幾何圖形，其內、外環(huán)均不封閉且內、外環(huán)相通。本實施例中外環(huán)路和內環(huán)路均為矩形(如圖3a所示)。當微帶線內存在諧振電流時，其內環(huán)、外環(huán)的瞬時諧振電流方向相反。
本實施例外環(huán)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(huán)線間距為0.3mm，內、外環(huán)開口端間距為0.12mm。
利用計算機仿真技術比較諧振器弱輻射特性，判斷本實施例是否符合要求。其原理、方法與實施例1相同，不再贅述。
實施例3利用一條完整的超導微帶線，形成一個具有內環(huán)和外環(huán)的幾何圖形，其內、外環(huán)均不封閉且內、外環(huán)相通。本實施例中外環(huán)路與內環(huán)路均為圓形(如圖3b所示)。當微帶線內存在諧振電流時，其內環(huán)、外環(huán)的瞬時諧振電流方向相反。
本實施例外環(huán)最大半徑為5.4mm，微帶線的線寬為0.5mm，內、外環(huán)線間距為0.2mm，內、外環(huán)開口端間距為0.15mm。
利用計算機仿真技術比較諧振器弱輻射特性，判斷本實施例是否符合要求。其原理、方法與實施例1相同，不再贅述。
實施例4制作一條完整的微帶線，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εr的單晶介質片。該微帶線形成一個具有外環(huán)和內環(huán)的幾何圖形。本實施例中外環(huán)路為矩形，內環(huán)路為由折線構成的環(huán)狀結構(如圖3c所示)，其內、外環(huán)均不封閉且內、外環(huán)相通。當微帶線內存在諧振電流時，其內環(huán)、外環(huán)的瞬時諧振電流方向相反。
本實施例外環(huán)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(huán)線間距為0.3mm，內、外環(huán)開口端間距為0.15mm。
利用計算機仿真技術比較諧振器弱輻射特性，判斷本實施例是否符合要求。其原理、方法與實施例1相同，不再贅述。
實施例5制作一條完整的微帶線，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εr的單晶介質片。該微帶線形成一個具有外環(huán)、內環(huán)的幾何圖形，本實施例中外環(huán)路、內環(huán)路均為由折線構成的環(huán)狀結構(如圖3d所示)，其內、外環(huán)均不封閉且內、外環(huán)相通。當微帶線內存在諧振電流時，其內環(huán)、外環(huán)的瞬時諧振電流方向相反。
本實施例外環(huán)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(huán)線間距為0.3mm，內、外環(huán)開口端間距為0.12mm。
利用計算機仿真技術比較諧振器弱輻射特性，判斷本實施例是否符合要求。其原理、方法與實施例1相同，不再贅述。
本發(fā)明中涉及的制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1。本發(fā)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εr的單晶介質片。本發(fā)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εr均為已知，諧振頻率f0與品質因數Q也已給定。
本發(fā)明中設計工作是利用微波仿真軟件(如sonner或ansoft)在計算機上進行的，具體操作和仿真利用本發(fā)明提供的檢測耦合系數的方法，可以比較已設計好外形、尺寸、線寬和線間距的回形諧振器的各種不同設計方案，從而從中挑選出弱輻射特性較優(yōu)的設計方案。
本發(fā)明中的超導微帶諧振器是按常用工藝制作的，即按光刻、干法刻蝕、切割、組裝等工藝步驟制作，屬于本領域技術人員的公知技術。
權利要求
1.一種平面超導微帶諧振器，包括一條由上、下兩層超導薄膜和位于兩層超導薄膜間的人造單晶介質組成的微帶線；其特征在于，所述微帶線是一條連續(xù)完整的帶狀體，形成一個具有內環(huán)和外環(huán)的幾何圖形結構，其內、外環(huán)均不封閉。
2.按權利要求1所述的平面超導微帶諧振器，其特征在于，所述內環(huán)或外環(huán)是由直線、折線或曲線構成的不封閉環(huán)形結構；所述內環(huán)、外環(huán)的諧振電流方向相反。
3.按權利要求1或2所述的平面超導微帶諧振器，其特征在于，所述微帶線的上、下兩層超導薄膜為高溫超導薄膜。
4.按權利要求1或2所述的平面超導微帶諧振器，其特征在于，所述諧振器的內環(huán)為凹形，外環(huán)為矩形。
5.按權利要求1或2所述的平面超導微帶諧振器，其特征在于，所述諧振器的內環(huán)、外環(huán)均為矩形。
6.按權利要求1或2所述的平面超導微帶諧振器，其特征在于，所述諧振器的內環(huán)、外環(huán)均為圓形。
7.按權利要求1或2所述的平面超導微帶諧振器，其特征在于，所述諧振器的內環(huán)為折線構成的環(huán)狀結構，外環(huán)為矩形。
8.按權利要求1或2所述的平面超導微帶諧振器，其特征在于，所述諧振器的內環(huán)、外環(huán)均為折線構成的環(huán)狀結構。
9.按權利要求4所述的平面超導微帶諧振器，其特征在于，所述諧振器的外環(huán)矩形長為5.4mm，寬為5.2mm，微帶線線寬為0.5mm，內、外環(huán)線間距為0.3mm，內、外環(huán)開口端間距為0.15mm。
10.一種利用計算機仿真技術對平面超導微帶諧振器進行檢測與優(yōu)化的方法，其特征在于，法包括如下步驟將二個同樣的本發(fā)明回形諧振器放在同一平面上，二個諧振器之間的距離至少大于諧振器自身的寬度，組成一組耦合結構，利用計算機仿真方法測算出該耦合結構的耦合系數；再選擇另一種典型的超導諧振器，再由二個該典型的超導諧振器組成對比耦合結構，用計算機在完全相同的條件下測算出對比耦合結構的耦合系數；得出的耦合系數相對小的諧振器就具有相對弱的輻射特性，該種諧振器對不相鄰的諧振單元具有較小的寄生干擾。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種平面超導微帶諧振器，包括一條由上、下兩層超導薄膜和位于兩層超導薄膜間的人造單晶介質組成的微帶線；其特征在于，所述微帶線是一條連續(xù)完整的帶狀體，形成一個具有內環(huán)和外環(huán)的幾何圖形，其內、外環(huán)均不封閉。本發(fā)明的優(yōu)點是寄生耦合大大減弱，結構更加緊湊。由于采用內、外環(huán)的結構，且內環(huán)、外環(huán)的電流方向相反，當本發(fā)明提供的這種諧振器組合在一起時它們的之間的耦合相對較弱，為了滿足一定的耦合關系，它們必須靠得更近，這樣就使整體結構更緊密；更重要的是對于三個或三個以上的諧振器組合，遠場更弱的耦合就意味著寄生耦合的影響大大減小，基于這一點利用本發(fā)明提供的諧振器設計并制做出高性能的窄帶超導帶通濾波器。
文檔編號H01P7/08GK1838477SQ20051001145
公開日2006年9月27日 申請日期2005年3月21日 優(yōu)先權日2005年3月21日
發(fā)明者李順洲, 何豫生, 黃建冬, 張雪強, 李春光, 何艾生, 黎紅 申請人:中國科學院物理研究所