專利名稱：用于高功率高溫超導(dǎo)器件的諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在其中心有孔的TM0i0模(i=1、2、3、…)圓形和多邊形的平面高溫超導(dǎo)諧振器，及將其用于高溫超導(dǎo)濾波器，濾波器組和信號倍增器的應(yīng)用。
濾波器組和信號倍增器作為按其頻率分離或組合輸入信號的信道器被廣泛用于通信領(lǐng)域。濾波器組和信號倍增器的基本組塊是濾波器，該濾波器包括作為頻率選擇元件的多個諧振器。為了在通信中使用，濾波器需要有窄帶寬，精確的中心頻率，頻帶內(nèi)的低插入損耗，偏離頻帶的高抑制，在頻帶邊緣的陡邊，緊湊的尺寸和高的功率使用容量。由于在常規(guī)導(dǎo)體上的高損耗，所以由常規(guī)導(dǎo)體制成的普通濾波器不適于通信的使用。
高溫超導(dǎo)(HTS)平面濾波器在低功率下具有優(yōu)異的性能。參見Zhi-Yuan Shen,High Temperature Superconducting MicrowaveCircuits,Artech House,Boston,1994,p.113。盡管這些HTS平面濾波器用于接收器，但由于其有限的功率使用容量，所以它們不是很適合用于發(fā)射機(jī)。為了在發(fā)射機(jī)中使用，濾波器必須具備數(shù)十瓦至幾百瓦的功率使用范圍。在共同被受讓的，于1995年5月11日提交的未審批申請no.08/439402中，我們披露了能夠處理100瓦以上發(fā)射功率的TM0i0模(i=1、2、3、…)圓形和多邊形HTS濾波器，濾波器組和信號倍增器。
特別是對于窄帶濾波器來說，中心頻率精度是另一項(xiàng)重要要求。這對于在稱為“鄰接的”倍增器中的濾波器，例如在Zhi-Yuan Shen,supra P.120中披露的濾波器，和在中心頻率精度的損耗將導(dǎo)致性能急劇下降的多極濾波器，尤為突出?？上?，由于電路制作誤差和基板中的不可控制的變化，例如厚度改變或“雙邊界”，所以濾波器中的HTS諧振器的頻率會偏離設(shè)計(jì)值。參見Zhi-Yuan Shen,supra P.12。
在共同被受讓的，于1994年4月14日提交的未審批申請no.08/227437中，我們披露了“疊層形式的”平面HTS濾波器，在該濾波器中，單獨(dú)的HTS諧振器垂直地堆疊，通過接地板上的孔或凹槽耦合。但是，耦合僅產(chǎn)生在相鄰諧振器之間。某些類型的濾波器，例如“橢圓頻率響應(yīng)”帶通濾波器就需要“跳躍”耦合，也就是說，被一個中間諧振器彼此隔開的諧振器之間的耦合。
大體上說，本發(fā)明包括TN0i0模平面高溫超導(dǎo)體諧振器，其中，i是≥1的整數(shù)，該諧振器包括在至少一個介電基板的相對側(cè)上淀積的定形的高溫超導(dǎo)體膜和至少一個高溫超導(dǎo)體接地板；其中，定形高溫超導(dǎo)體膜在其中心有孔，并有從包括圓形和多邊形的組中選擇的形狀。在微波條帶形式的實(shí)施例中，諧振器包括單塊接地板和單塊介電基板。在條帶形式中，使用分別在其上帶有淀積的接地板的兩塊基板，把定形高溫超導(dǎo)體膜夾在基板之間，以形成帶有接地板/基板/HTS膜/基板/接地板結(jié)構(gòu)的諧振器。
諧振器特別適用于頻率調(diào)諧，也就是說，改變諧振器頻率使濾波器的性能最佳，和適用于為有橢圓頻率響應(yīng)的濾波器提供相鄰的鄰接諧振器之間的跳躍耦合。


圖1(a)-1(b)圖示說明在微波條帶結(jié)構(gòu)中本發(fā)明的TM0i0模(i=1、2、3、…)平面諧振器的實(shí)施例，其中，圖1(a)表示正視圖，圖1(b)表示剖面圖。
圖2(a)-2(c)分別表示工作于圖2(a)所示的TM010模、圖2(b)所示的TM020模、圖2(c)所示的TM030模中的本發(fā)明諧振器的電流和磁場分布的曲線圖。
圖3(a)-3(c)分別表示工作于圖3(a)所示的TM010模、圖3(b)所示的TM020模、圖3(c)所示的TM030模中的典型的現(xiàn)有技術(shù)的圓形諧振器的電流和磁場分布的曲線圖。
圖4(a)-4(b)圖示說明在條帶結(jié)構(gòu)中本發(fā)明的諧振器的另一實(shí)施例，其中，圖4(a)表示A-A剖切圖，圖4(b)表示剖面圖。
圖5(a)-5(b)圖示說明在微波條帶結(jié)構(gòu)中本發(fā)明的八角形HTS平面諧振器，其中，圖5(a)表示正視圖，圖5(b)表示剖面圖。
圖6(a)-6(b)圖示說明在條帶結(jié)構(gòu)中本發(fā)明的八角形諧振器的另一實(shí)施例，其中，圖6(a)表示A-A剖切圖，圖6(b)表示剖面圖。
圖7(a)-7(c)圖示說明帶有本發(fā)明的TM010模諧振器作為頻率調(diào)諧器件的三極HTS濾波器，其中，圖7(a)表示正視圖，圖7(b)表示剖面圖，圖7(c)表示后視圖。
圖8(a)-8(f)圖示說明帶有本發(fā)明的TM010模諧振器的用于非相鄰諧振器之間的跳躍耦合的疊層式三極HTS濾波器，其中，圖8(a)表示剖視圖，圖8(b)、8(c)、8(d)、8(e)和8(f)分別表示B-B、C-C、D-D、E-E和F-F剖切圖。
圖9(a)-9(b)圖示說明帶有作為頻率調(diào)諧器件的本發(fā)明TM010模諧振器的三極HTS濾波器，其中，圖9(a)表示其正視圖，圖9(b)表示其后視圖。
圖10表示相對于圖9(a)-9(b)的HTS濾波器在六個不同發(fā)射功率電平下S21與頻率響應(yīng)的關(guān)系曲線。
概括地說，本發(fā)明包括帶有圓形或多邊形HTS膜的平面TM0i0模(其中i是≥1的整數(shù))HTS諧振器，該膜有位于中心的孔，和在至少一塊基板上淀積的至少一塊接地板。HTS膜最好是圓形和八角形?？卓梢匀鐬閳A形或多邊形而不必與HTS膜形狀相同。這里使用的術(shù)語“圓形”不應(yīng)被理解為要求理想的圓。相反，也包括非理想的圓；也就是說，也包括圓的直徑差低于1％的圓。同樣地，術(shù)語“多邊形”應(yīng)理解為具有至少五條相等邊和五個相等角的多邊形。
參照圖1，它示意地表示本發(fā)明諧振器的一個實(shí)施例，包括在基板22的相對面上淀積的其上帶有中心孔24的圓形HTS膜21和HTS接地板23。最好從具有轉(zhuǎn)換溫度大于80°K和導(dǎo)電率為純銅的一百倍以上的高溫超導(dǎo)體中選擇用于HTS膜和HTS接地板的HTS材料。作為選擇的HTS材料，優(yōu)選地選擇YBa2Cu3O7-δ、Tl2Ba2CaCu2O8和(Tl,Pb)Sr2Ca2Cu3O9?；蹇梢允窃贖TS器件中常用的任何介電基板。優(yōu)選地采用損耗角正切(losstagent)小于10-3的介電材料。
下面，參照圖2，它表示工作于TM010模(圖2(a))、TM020模(圖2(b))和TM030模(圖2(c))中的半徑方向的電流Jρ和圓周方向的磁場Hφ作為距本發(fā)明的諧振器中心的半徑距離ρ的函數(shù)的曲線關(guān)系。
在現(xiàn)有技術(shù)中已知圓形平面HTS TM0i0模諧振器，其中i是≥1的整數(shù)。圖3(a)-3(c)表示分別工作于如圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)所示的TM010模、TM020模和TM030模中的半徑方向的電流Jρ和圓周方向的磁場Hφ作為距現(xiàn)有技術(shù)典型圓形HTS諧振器中心的半徑距離ρ的函數(shù)的曲線關(guān)系。通過把圖2所示的Jρ、Hφ與ρ的函數(shù)關(guān)系曲線與圖3所示的函數(shù)關(guān)系曲線進(jìn)行比較，可以看出，帶有中心孔的諧振器(圖2)有相應(yīng)于沒有諧振器場的中心孔的區(qū)域，且電磁場被限制在HTS圖形內(nèi)。
圖4(a)-(b)表示在條帶結(jié)構(gòu)中圓形諧振器的另一實(shí)施例。如圖所示，在本實(shí)施例中的諧振器包括在基板32a、32b之間夾入的其上帶有中心孔34的圓形HTS膜31，各基板還分別包括HTS接地板33a、33b。
圖5(a)-(b)表示本發(fā)明諧振器的實(shí)施例，其中，在基板52的相對面上淀積有其上帶有八角形中心孔54的八角形HTS膜51和HTS接地板53。
圖6(a)-(b)表示本發(fā)明諧振器的再一個實(shí)施例。在本實(shí)施例中，在與圖4(a)和4(b)所示的實(shí)施例類似的條帶結(jié)構(gòu)中，諧振器還包括在兩塊基板62a、62b之間夾入的在其上帶有八角形孔64的八角形HTS膜61，各基板62a、62b還分別在其上淀積有接地板63a、63b。
圖7表示裝有本發(fā)明諧振器的TM010模HTS高功率三極濾波器。如圖7所示，三極濾波器包括在其一側(cè)上淀積多個HTS膜72a、73、72b和在其背面淀積HTS接地板71的基板70(參見圖7(b))。在圖示實(shí)施例中，膜72a和72b表示現(xiàn)有技術(shù)圓形HTS諧振器，在其上帶有中心孔74的膜73表示本發(fā)明的諧振器。
參照圖7(c)，濾波器的輸入耦合電路包括在接地板71中用以提供用于其余耦合電路的場所的開口75a、按共面線形式的輸入中心線76a和與諧振器72a耦合的分支線77a。輸出耦合電路包括在接地板71上用以提供用于其余耦合電路的場所的開口75b、按共面線形式的輸出中心線76b和與諧振器72b耦合的分支線77b。內(nèi)部諧振器耦合電路包括在接地板71上的兩個開口78a和78b，和用以分別提供諧振器72a到諧振器73的耦合和諧振器73到諧振器72b的耦合的按共面線形式的兩個耦合中心線79a和79b。
對于三極濾波器來說，包括濾波器的三個諧振器的諧振頻率必須精確地等于其設(shè)計(jì)值。實(shí)際上，由于許多不可控制的因素，諧振頻率會變化。因此，十分期望有調(diào)諧單個諧振器的諧振頻率的某些方法。例如，已知改變現(xiàn)有技術(shù)的圓形HTS諧振器的半徑來改變其頻率，但在其制造后改變半徑和籍此調(diào)諧圓形諧振器的頻率非常困難。
在圖7所示的三極濾波器的實(shí)施例中，本發(fā)明的諧振器包括調(diào)諧濾波器諧振頻率的裝置。具體地說，按照本發(fā)明，通過在諧振器的中心設(shè)置孔，能夠容易地增加圓形諧振器的頻率。利用高功率激光器、光刻腐蝕或掩模腐蝕，能夠容易地完成該孔。
圖8表示帶有加入本發(fā)明諧振器的疊層式結(jié)構(gòu)的另一三極Tm0i0模(i=1、2、3、…)HTS濾波器。三極濾波器被分為三個部分輸入部分，中間部分和輸出部分。
輸入部分包括在基板80a(帶有在其一側(cè)淀積的接地板81a)和基板80b之間夾入的HTS電路(參見圖8(b))。參照圖8(b),HTS電路包括淀積在基板80b上的圓形HTS諧振器82a和輸入耦合電路83a。中間部分包括在兩塊基板80c、80d之間夾入的如圖8(d)所示的HTS電路圖形。如圖8(d)所示的中間部分的電路圖形包括在其中心帶有孔85的HTS諧振器84和與孔85同心的圓形HTS孔86，以及淀積在基板80d上的諧振器84。輸出部分包括在基板80f(帶有在其一側(cè)淀積的接地板81b)和基板80e之間夾入的HTS電路(參見圖8(f))。如圖8(f)所示，輸出部分的HTS電路包括淀積在基板80f上的圓形HTS諧振器82b和輸出耦合電路83b。帶有中心耦合裝置88a(參見圖8(c))的HTS接地板87a分隔輸入部分和中間部分。帶有中心耦合裝置88b(參見圖8(e))的類似的接地板87b分隔中間部分和輸出部分。在該方案中，接地板87a在輸入部分和中間部分之間有共享函數(shù)性(functionality)，接地板87b在中間部分和輸出部分之間有共享函數(shù)性。耦合裝置88a在諧振器82a和諧振器84之間提供耦合，同時耦合裝置88b在諧振器84和諧振器82b之間提供耦合。此外，如以下的詳細(xì)說明，耦合裝置88a和88b與諧振器84中的孔85一起在諧振器82a和諧振器82b之間提供耦合。
再次參照圖8(d)，帶有圓孔85的諧振器84包括在諧振器82a和諧振器82b之間耦合的裝置。由于諧振器82a和諧振器82b不相互鄰近，而且實(shí)際上它們被中間諧振器84分隔開，所以可以理解把這種耦合適當(dāng)?shù)胤Q為“跳躍”耦合。因此，從諧振器82a到諧振器82b的耦合需要“跳過”中間諧振器84。對于其本身具有很陡峭邊緣的優(yōu)點(diǎn)的橢圓頻率響應(yīng)濾波器中的應(yīng)用來說，本發(fā)明的這種“跳躍”耦合的應(yīng)用特別有益。
如參照圖2所作的前述說明，諧振器中的TM0i0模(i=1、2、3、…)的電磁場被限制在HTS膜本身，諧振器中的中心孔沒有由諧振器產(chǎn)生的電磁場。因此，這個“自由空間”有利于用于耦合非相鄰諧振器。參照圖8(a)-8(f)所示的疊層式濾波器，電磁場被限制在HTS膜84的區(qū)域內(nèi)，中心孔85提供沒有電磁場的空間，通過在接地板87a(參見圖8(c))上的耦合裝置88a和接地板87b(參見圖8(e))上的耦合裝置88b，該空間可被用作在諧振器82a和82b之間進(jìn)行“跳躍”耦合的空間。在孔85中的同心HTS點(diǎn)86(參見圖8(d))提供另一尺寸，以改變這些諧振器間的耦合強(qiáng)度?？傊ㄟ^改變耦合裝置88a和88b、孔85及HTS點(diǎn)86的直徑，能夠調(diào)整諧振器82a、84和82b之間的耦合強(qiáng)度。
實(shí)例通過在40.8mm×17.2mm×0.508mm的LaAlO3基板的兩面(兩級)上淀積雙面的Tl2Ba2CaCu2O8HTS薄膜，制備高功率三極TM010模HTS濾波器。利用標(biāo)準(zhǔn)的雙面光刻處理和離子束研磨，制備帶有如圖9(a)和9(b)所示結(jié)構(gòu)的濾波器，其中，90是基板；918和91b是八角形諧振器；92是在其上帶有中心孔93的八角形諧振器；94是接地板；開口95a、共面的中心線96a和T型耦合分支線97a共同形成輸入耦合電路；開口95b、共面的中心線96b和T型耦合分支線97b共同形成輸出耦合電路；開口98a和98b形成內(nèi)部諧振器耦合電路。
把濾波器裝入銅外殼中，該銅外殼有SMA兼容的輸入和輸出連接器，并在77°K下測試濾波器。按24微米的增加量增加諧振器92中中心孔93的直徑，直至獲得最佳性能。然后，在功率電平為1.7瓦、20瓦、40瓦、50瓦、62瓦和74瓦下測試濾波器。圖10表示在這六個功率電平下測量的S21與頻率響應(yīng)的關(guān)系曲線。如圖10所示，即使在1dB/Div的精密垂直標(biāo)度下，六條曲線位于彼此的頂部，而沒有明顯的性能下降。
權(quán)利要求
1．一種TM0i0模平面高溫超導(dǎo)諧振器，其中，i是≥1的整數(shù)，在微波條帶形式中，該諧振器包括在介電基板的相對面上淀積的定形的高溫超導(dǎo)體膜和至少一個高溫超導(dǎo)體接地板；其中定形高溫超導(dǎo)體膜在其中心上有孔，并有從包括圓形和多邊形的組中選擇的形狀。
2．一種TM0i0模平面高溫超導(dǎo)諧振器，其中，i是≥1的整數(shù)，在條帶形式中，該諧振器依次包括(a)第一高溫超導(dǎo)接地板；(b)第一介電基板；(c)定形高溫超導(dǎo)體膜；(d)第二介電基板；和(e)第二高溫超導(dǎo)體接地板；其中，所述定形高溫超導(dǎo)體膜在其中心有孔，并有從包括圓形和多邊形的組中選擇的形狀。
3．如權(quán)利要求1或2的諧振器，其特征在于，定形高溫超導(dǎo)體膜有圓形形狀。
4．如權(quán)利要求1或2的諧振器，其特征在于，定形高溫超導(dǎo)體膜有多邊形形狀。
5．如權(quán)利要求4的諧振器，其特征在于，定形高溫超導(dǎo)體膜有八角形形狀。
6．如權(quán)利要求1或2的諧振器，其特征在于，還包括相對于定形高溫超導(dǎo)體膜中心上的孔同心地定位的第二高溫膜。
全文摘要
一種用于高溫超導(dǎo)體濾波器、濾波器組和信號倍增器的TM
文檔編號H01P1/20GK1220031SQ97194868
公開日1999年6月16日 申請日期1997年5月16日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月22日
發(fā)明者沈致遠(yuǎn) 申請人:納幕爾杜邦公司