專利名稱：帶有自諧振螺旋諧振器的hts(高溫超導(dǎo))濾波器的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及高溫超導(dǎo)(HTS)微型(迷你)濾波器和微型(迷你)多路復(fù)用器(multiplexer)，帶有自諧振螺旋諧振器作為構(gòu)建塊，它具有非常小的體積和在相鄰的濾波器之間的非常低的串?dāng)_的優(yōu)點(diǎn)。
HTS濾波器由于HTS材料的極低的損耗而具有極低的帶內(nèi)插入損耗、高的帶外抑制、陡峭的邊緣的優(yōu)點(diǎn)。HTS濾波器在電信、儀器和軍事設(shè)備中具有許多應(yīng)用。然而，對(duì)于HTS濾波器的常規(guī)設(shè)計(jì)，作為其構(gòu)建塊的諧振器體積很大。事實(shí)上，諧振器的至少一個(gè)尺寸大約等于半個(gè)波長(zhǎng)。對(duì)于具有許多極點(diǎn)的低頻率HTS濾波器，常規(guī)設(shè)計(jì)需要非常大的基片面積。薄膜HTS電路的基片是價(jià)格很貴的特別的單晶介質(zhì)材料。而且，HTS薄膜涂覆的基片甚至是更昂貴的。所以，為了節(jié)省材料成本，希望減小HTS濾波器體積，而不犧牲其性能。再者，對(duì)于HTS濾波器電路，冷卻功率、冷卻時(shí)間和把它冷卻到工作的冷凍溫度的花費(fèi)，隨電路的體積的增加而增加。這些是希望減小HTS濾波器體積而不犧牲其性能的原因。
有一種減小HTS濾波器體積的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)，即使用“集總電路”元件，諸如電容和電感來構(gòu)建用作為HTS濾波器的構(gòu)建塊的諧振器。這個(gè)方法確實(shí)減小HTS濾波器的體積。然而，它也有問題。首先，常規(guī)的集總元件電感，諸如

圖1所示的螺旋電感，具有廣泛散布的磁場(chǎng)，它達(dá)到遠(yuǎn)離電感的區(qū)域，以及造成在相鄰的電路之間的不想要的串?dāng)_。第二，在集總電路濾波器設(shè)計(jì)中，螺旋電感的兩端必須被連接到其它的電路元件，諸如電容等等。但電感的兩端中的一端位于螺旋的中心，它不能直接連接到其它元件。為了使得螺旋電感的中心端子連接到另一個(gè)元件，必須在HTS螺旋電感頂部制做空中橋路或多層上跨橋。它們不單惡化濾波器的性能，而且也難以制做。第三，可以有兩種方式引入集總電容一種是使用“插入”的電容，但它通常具有不能接受的非常大的公差。另一種是使用平面交指型電容，它需要在兩個(gè)電極之間非常窄的縫隙，兩個(gè)電極之間有高的RF(射頻)電壓，這會(huì)造成放電。
本發(fā)明的目的是使用自諧振的螺旋諧振器來減小HTS濾波器的體積，以及同時(shí)解決串?dāng)_和連接問題。
附圖簡(jiǎn)述圖1顯示現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)的螺旋電感，其中圖1a顯示了方形螺旋電感以及圖1b顯示了圓形螺旋電感。
圖2顯示具有不同的形式的本發(fā)明的自諧振螺旋諧振器。圖2a顯示方形的自諧振螺旋諧振器。圖2b顯示帶有圓角的方形自諧振螺旋諧振器。圖2c顯示八角形的自諧振螺旋諧振器。圖2d顯示圓形的自諧振螺旋諧振器。
圖3顯示用帶有圓角的自諧振方形螺旋諧振器、中心調(diào)諧墊整電容、和平行線輸入/輸出耦合電路做成的微帶線4極點(diǎn)HTS微型濾波器的本發(fā)明的第一實(shí)施例。圖3a顯示正視圖。圖3b顯示截面圖。
圖4顯示用自諧振方形螺旋諧振器、橫向偏移諧振器間耦合調(diào)整、和插入線輸入和輸出耦合電路做成的微帶線4極點(diǎn)HTS微型濾波器的本發(fā)明的第二實(shí)施例。圖4a顯示正視圖。圖4b顯示截面圖。
圖5顯示用自諧振八角形螺旋諧振器、橫向偏移諧振器間耦合調(diào)整、和插入線輸入和輸出耦合電路做成的微帶線4極點(diǎn)HTS微型濾波器的本發(fā)明的第三實(shí)施例。圖5a顯示正視圖。圖5b顯示截面圖。
圖6顯示用自諧振圓形螺旋諧振器、中心調(diào)諧墊整電容、和平行線輸入/輸出耦合電路做成的微帶線4極點(diǎn)HTS微型濾波器的本發(fā)明的第四實(shí)施例。圖6a顯示正視圖。圖6b顯示截面圖。
圖7顯示用四個(gè)自諧振方形螺旋諧振器、一個(gè)對(duì)稱雙螺旋諧振器、和插入線輸入和輸出耦合電路做成的微帶線5極點(diǎn)HTS微型濾波器的本發(fā)明的第五實(shí)施例。圖7a顯示正視圖。圖7b顯示截面圖。
圖8顯示帶有兩個(gè)通道的微帶線微型多路復(fù)用器的本發(fā)明的第一實(shí)施例。每個(gè)通道包括一個(gè)用自諧振方形螺旋諧振器、和平行線輸入/輸出耦合電路做成的8極點(diǎn)HTS微型濾波器的。多路復(fù)用器的輸入電路具有二分路器形式。圖8a顯示正視圖。圖8b顯示截面圖。
圖9顯示帶有四個(gè)通道的微帶線微型多路復(fù)用器的本發(fā)明的第二實(shí)施例。每個(gè)通道包括一個(gè)用自諧振圓形螺旋諧振器、和平行線輸入/輸出耦合電路做成的8極點(diǎn)HTS微型濾波器的。多路復(fù)用器的輸入電路具有級(jí)聯(lián)的二分路器形式。圖9a顯示正視圖。圖9b顯示截面圖。
圖10顯示帶有兩個(gè)通道的微帶線微型多路復(fù)用器的本發(fā)明的第三實(shí)施例。每個(gè)通道包括一個(gè)用自諧振圓形螺旋諧振器、和平行線輸入/輸出耦合電路做成的8極點(diǎn)HTS微型濾波器的。多路復(fù)用器的輸入電路具有多支路線形式。圖10a顯示正視圖。圖10b顯示截面圖。
圖11顯示用帶有圓角的自諧振方形螺旋諧振器、和平行線輸入/輸出耦合電路做成的微帶線4極點(diǎn)HTS微型濾波器的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。圖11a是微型濾波器的截面圖，以及圖11b是沿圖11a的線和箭頭A-A看的剖面圖。
圖12顯示原型3極點(diǎn)、帶寬0.16GHz、中心頻率5.94GHz的帶有三個(gè)自諧振方形螺旋諧振器的微帶線HTS微型濾波器的配置。
圖13顯示如圖12所示的微型濾波器的測(cè)量的S-參量數(shù)據(jù)，其中圖13a顯示S11對(duì)頻率的數(shù)據(jù)。圖13b顯示S12對(duì)頻率的數(shù)據(jù)。圖13c顯示S21對(duì)頻率的數(shù)據(jù)。圖13d顯示S22對(duì)頻率的數(shù)據(jù)。
圖14顯示如圖12所示的微型濾波器的測(cè)量的S21對(duì)頻率的數(shù)據(jù)，表明通過改變電路上面的空間的介質(zhì)而造成的頻率偏移。
圖15顯示如圖12所示的微型濾波器的測(cè)量的三階交調(diào)數(shù)據(jù)，表明它的非線性特性。
發(fā)明概要一方面，本發(fā)明包括自諧振螺旋諧振器，它包括以螺旋形式排列的高溫超導(dǎo)線，以使得相鄰的線互相以小于線寬的縫隙距離相隔開；以及其中諧振器上中心孔在每個(gè)尺度上的尺寸大約等于縫隙距離的尺寸。
另一方面，本發(fā)明包括HTS微型濾波器，它包括(a)基片，具有正面和背面；(b)至少兩個(gè)自諧振螺旋諧振器，與基片的正面緊密接觸；(c)至少一個(gè)諧振器間耦合機(jī)構(gòu)；(d)輸入耦合電路，包括具有被連接到濾波器輸入接頭的第一端和被耦合到至少兩個(gè)自諧振螺旋諧振器的第一個(gè)諧振器的第二端的傳輸線；(e)輸出耦合電路，包括具有被連接到濾波器輸出接頭的第一端和被耦合到至少兩個(gè)自諧振螺旋諧振器的最后一個(gè)諧振器的第二端的傳輸線；(f)空白高溫超導(dǎo)薄膜，被放置在基片的背面上作為地板；以及(g)空白金薄膜，被放置在高溫超導(dǎo)薄膜上。
在另一個(gè)實(shí)施例中，微型濾波器具有帶狀線形式，以及還包括(a)頂片，具有正面和背面，其中頂片的正面被放置成與被放置在基片的正面上的至少兩個(gè)諧振器緊密接觸；(b)第二空白高溫超導(dǎo)薄膜，被放置在頂片的背面上作為地板；以及(c)第二空白金薄膜，被放置在所述第二高溫超導(dǎo)薄膜上。
另一方面，本發(fā)明包括微型多路復(fù)用器，包括至少兩個(gè)具有不同的和非重疊的頻帶的微型濾波器；分布網(wǎng)絡(luò)，具有一個(gè)公共端口作為用于微型多路復(fù)用器的輸入端，以及多個(gè)分布端口，其中一個(gè)分布端口被連接到一個(gè)微型濾波器的相應(yīng)的輸入端；以及多條輸出線，被連接到一個(gè)微型濾波器的相應(yīng)的輸出端。
通過進(jìn)一步閱讀說明和權(quán)利要求，將明白本發(fā)明和優(yōu)選實(shí)施例的這些和其它方面。
優(yōu)選實(shí)施例描述本發(fā)明為減小HTS濾波器的體積而不犧牲它的性能創(chuàng)造條件，以及本發(fā)明是基于自諧振螺旋諧振器的使用。自諧振螺旋諧振器具有不同的形狀，包括方形、帶有圓角的方形、多邊形和圓形。
為了減小自諧振螺旋諧振器的體積和約束它的電磁場(chǎng)以便減小串?dāng)_，優(yōu)選地減小縫隙的寬度和減小螺旋諧振器中的中心無遮蓋面積。
有幾種方法改變自諧振螺旋諧振器的諧振頻率1．改變螺旋線長(zhǎng)度；2．改變螺旋線的相鄰的線之間的縫隙；3．在螺旋中心處放置導(dǎo)電的調(diào)諧墊整電容。第三種方法可被使用來微調(diào)頻率調(diào)諧。
微型濾波器的輸入和輸出耦合電路具有兩種基本配置1．平行線結(jié)構(gòu)，它包括傳輸線，其一端通過傳輸線上面的金的極板被連接到微型濾波器的接頭，其另一端被延伸到接近于和平行于第一諧振器(對(duì)于輸入電路)或最后的諧振器(對(duì)于輸出電路)的螺旋線以便提供濾波器的輸入或輸出耦合；2．插入線結(jié)構(gòu)，它包括傳輸線，其一端通過傳輸線上面的金連接盤被連接到微型濾波器的接頭，其另一端被延伸插入到第一諧振器(對(duì)于輸入電路)或最后的諧振器(對(duì)于輸出電路)的螺旋線以便提供濾波器的輸入或輸出耦合；在微型濾波器中相鄰諧振器之間的諧振器間耦合是通過相鄰諧振器邊緣的電磁場(chǎng)的重疊而提供的。耦合長(zhǎng)度可以通過三種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)1．改變相鄰螺旋諧振器之間的縱向長(zhǎng)度；2．改變螺旋諧振器的排列；3．沿橫向移動(dòng)螺旋諧振器的位置。這三種方式可以用作耦合強(qiáng)度細(xì)調(diào)。
本發(fā)明的微型濾波器可被使用來構(gòu)建微型多路復(fù)用器，它們具有非常小的體積而不犧牲它們的性能。微型多路復(fù)用器包括至少兩個(gè)通道，具有兩個(gè)帶有略微不同的非重疊的頻帶的微型濾波器、一個(gè)輸入分布網(wǎng)絡(luò)、和每個(gè)通道一個(gè)輸出端口。輸入分布網(wǎng)絡(luò)具有三種不同的結(jié)構(gòu)1．用于2-通道微型多路復(fù)用器的單個(gè)二分路器，它使用二分路器把兩個(gè)通道的兩個(gè)輸入組合到一個(gè)用作為微型多路復(fù)用器的輸入端的公共的端口；2．級(jí)聯(lián)的二分路器，它包含接連的多級(jí)二分路器。在N級(jí)級(jí)聯(lián)的分布網(wǎng)絡(luò)中，2N輸出端口聯(lián)邦使用來把2N個(gè)通道組合到一個(gè)用作為微型多路復(fù)用器的輸入端的公共的端口；3．匹配的多分支線，它包含一個(gè)用作為微型多路復(fù)用器的輸入端的公共的端口，多條分支線被連接到每個(gè)通道。這些線的長(zhǎng)度，寬度必須被適當(dāng)?shù)剡x擇，以便在微型多路復(fù)用器的整個(gè)頻帶上在微型多路復(fù)用器的輸入端和輸出端處達(dá)到匹配。
本發(fā)明的微型濾波器和微型多路復(fù)用器可以具有微帶線的形式，帶有一個(gè)基片和一個(gè)地板，它們也可以具有帶狀線的形式，帶有一個(gè)底片、一個(gè)頂片和兩個(gè)地板。
制做小的濾波器的傳統(tǒng)方法是使用集總電路設(shè)計(jì)，它們利用集總電感和集總電容來形成諧振器，作為濾波器的構(gòu)建塊。圖1上顯示了現(xiàn)有技術(shù)螺旋電感，其中圖1a顯示了方形，以及圖1b顯示了圓形。因?yàn)閳D1a的電感的結(jié)構(gòu)元件和圖1b的電感的結(jié)構(gòu)部件相同(只是形狀不同或螺旋結(jié)構(gòu)不同)，所以使用相同的數(shù)字表示相同的結(jié)構(gòu)部件。因此，數(shù)字1表示螺旋導(dǎo)體線以及數(shù)字2表示在導(dǎo)體線1的相鄰的圈之間的縫隙。數(shù)字3和4是位于導(dǎo)體線1的末端的連接盤以及數(shù)字5是在螺旋電感的中心處沒有導(dǎo)體的無遮蓋區(qū)域。
圖1所示的電感在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)上被使用來形成集總電路諧振器作為濾波器的構(gòu)建塊。在現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，集總電感的尺度必須細(xì)心選擇，以使得其“自諧振”頻率比濾波器的高頻段中的最高頻率高得多，以避免來自電感的自諧振的有害干擾。為了做到這一點(diǎn)，在相鄰的圈之間的縫隙2應(yīng)當(dāng)比導(dǎo)體線1的寬度大，以及中心無遮蓋區(qū)域5應(yīng)當(dāng)足夠大以便讓螺旋線中的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過。這兩個(gè)度量使得磁場(chǎng)散布到離螺旋電感很遠(yuǎn)的地方以及造成相鄰的電路之間的串?dāng)_。如上所述，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的其它問題是把位于螺旋中心處的末端連接盤4連接到其它電路元件的困難。
本發(fā)明通過利用螺旋電感的自諧振而不是避免它，而解決這些問題。當(dāng)工作頻率等于自諧振頻率fs時(shí)，出現(xiàn)自諧振fs=1/{2π[LCp]1/2}其中L是螺旋的電感，以及Cp是在相鄰的圈之間的寄生電容。如上所述，對(duì)于HTS濾波器設(shè)計(jì)，希望減小濾波器電路的體積，它要求螺旋的無遮蓋區(qū)域(圖1a和1b上的數(shù)字5)以及在導(dǎo)體線之間的縫隙(圖1a和1b上的數(shù)字2)被最小化。這些措施不單減小螺旋諧振器的體積，而且也消除了對(duì)于附加電容的需要和對(duì)于中心連接的需要。而且，這些措施也把大多數(shù)電磁場(chǎng)集中在螺旋諧振器的下面，所以解決了由集總導(dǎo)體中遠(yuǎn)區(qū)到達(dá)的磁場(chǎng)造成的串?dāng)_問題。
圖2顯示了自諧振螺旋諧振器的四個(gè)實(shí)施例如下圖2a上顯示方形，圖2b上顯示帶有圓角的方形，圖2c上顯示八角形，以及圖2d上顯示圓形。如圖2a-2d所示，自諧振螺旋諧振器包括以螺旋形式排列的高溫超導(dǎo)線。形成螺旋的相鄰的線互相間隔開一個(gè)縫隙的距離，整個(gè)距離小于線的寬度。諧振器中的中心開孔的尺度近似等于縫隙距離的尺寸。然而，將會(huì)看到，縫隙尺寸只有一個(gè)尺度(即寬度)，而中心開孔具有兩個(gè)尺度(即尺度(或高度)和寬度)。因此，詞組“尺度近似等于縫隙距離的尺寸”是指中心開孔的每個(gè)尺度與縫隙距離的單個(gè)尺度近似相同。從圖2a-2d應(yīng)當(dāng)指出，中心開孔基本上是對(duì)稱的，以及具有相應(yīng)于(雖然不一定相同)諧振器形狀的形狀。
首先參照?qǐng)D2a，數(shù)字11是導(dǎo)線，數(shù)字12是在相鄰的圈之間的縫隙，數(shù)字13是中心無遮蓋區(qū)域，其尺度接近于減小的縫隙12的寬度，以及數(shù)字14表示線11的90度形狀銳拐角。
RF電荷和電流趨向于集中在線的拐角處，這會(huì)減小HTS方形螺旋諧振器的功率承受能力。為了解決這個(gè)問題，圖2b顯示帶有圓角的方形的自諧振螺旋諧振器的第二實(shí)施例。在圖2b的實(shí)施例中，數(shù)字15是導(dǎo)體線，數(shù)字16是在相鄰的圈之間的縫隙。數(shù)字17是減小的中心無遮蓋區(qū)域，其尺度接近于減小的縫隙16的寬度，以及18表示線15的圓角。
圖2c顯示八角形的自諧振螺旋諧振器的第三實(shí)施例，其中數(shù)字20是導(dǎo)體線，數(shù)字21是在相鄰的圈之間的縫隙，數(shù)字22是減小的中心無遮蓋區(qū)域，其尺度接近于減小的縫隙21的寬度，以及數(shù)字23表示線20的120度拐角。自諧振螺旋諧振器不限于這種特定的八角形。而是可以是任何的多邊形形狀，只要它具有四個(gè)以上的拐角，以區(qū)別于方形形狀。
圖2d顯示圓形的自諧振螺旋諧振器的第四實(shí)施例。在該實(shí)施例中，數(shù)字25是導(dǎo)體線，數(shù)字26是在相鄰的圈之間的縫隙，數(shù)字27是減小的中心無遮蓋區(qū)域，其尺度接近于減小的縫隙26的寬度，以及數(shù)字28是位于中心無遮蓋區(qū)域27的導(dǎo)電的調(diào)諧墊整電容，用于微調(diào)螺旋諧振器的諧振頻率。調(diào)諧墊整電容不限于這種圓形的特定的形式，而是可以是方形或任何的任意形式。還應(yīng)當(dāng)看到，調(diào)諧墊整電容可以結(jié)合任何的上述的其它的結(jié)構(gòu)使用，而不限于在具有圓形結(jié)構(gòu)的螺旋諧振器中使用。
圖3顯示具有四個(gè)自諧振螺旋諧振器(在本例中是具有圓角的方形結(jié)構(gòu))作為其頻率選擇元件的4極點(diǎn)HTS微型濾波器的第一實(shí)施例。圖3a顯示濾波器的頂視或正視圖，以及圖3b顯示截面圖。在圖3a和3b上，數(shù)字30是具有正面和背面的介質(zhì)基片。HTS濾波器微型電路被放置在基片30的正面，如圖3a和3b所示?；?0的背面(它是在圖3b的截面圖上看到的，而不是在圖3a的圖上看到的)放置有空白的HTS薄膜31(見圖3b)，用作為微型濾波器電路的地。金的薄膜32(見圖3b)被放置在HTS薄膜31的上部，以及用來與微型濾波器的盒子(未示出)相接觸。在圖3a上，數(shù)字33、34、33a、和34a是四個(gè)帶有圓角的自諧振螺旋諧振器。諧振器間的耦合通過在相鄰的諧振器之間的耦合縫隙38、38a、和38b被提供。輸入耦合電路具有平行線形式，它包括輸入線35和在35與第一諧振器33之間的耦合縫隙39。輸出耦合電路具有平行線形式，它包括輸出線35a和在35a與最后的諧振器33a之間的耦合縫隙39a。兩個(gè)調(diào)諧的墊整電容36、36a被分別放置在諧振器34和34a的中心，用于微調(diào)諧振器34和34a的諧振頻率。金的連接盤37和37a被分別放置在輸入和輸出線35和35a上，提供到微型濾波器接頭(未示出)的連接。
圖4顯示具有四個(gè)自諧振方形螺旋諧振器作為其頻率選擇元件的4極點(diǎn)HTS微型濾波器電路的第二實(shí)施例，其中圖4a顯示濾波器的正視圖，以及圖4b顯示截面圖。數(shù)字40是具有正面和背面的介質(zhì)基片。HTS微型濾波器電路被放置在基片40的正面，如圖3a所示。如圖3b的截面圖所顯示的，基片40的背面放置有空白的HTS薄膜41，用作為微型濾波器電路的地，以及金的薄膜42被放置在41的上部，以便用來與微型濾波器的盒子(未示出)相接觸。在圖4a上，數(shù)字43、44、43a、和44a是四個(gè)自諧振方形螺旋諧振器。諧振器間的耦合通過在相鄰的諧振器之間的耦合縫隙49、49a、和49b被提供。在這個(gè)特定的例子中，諧振器間耦合長(zhǎng)度是通過改變相鄰的諧振器之間的縫隙以及通過橫向移動(dòng)諧振器位置用于細(xì)調(diào)節(jié)，而被調(diào)整的。輸入耦合電路具有插入線形式，它包括輸入線45，其延伸的較窄線46被插入到第一諧振器43的分裂的螺旋線中，其間有耦合縫隙47。輸出耦合電路具有插入線形式，它包括輸出線45a，其延伸的較窄的線46a被插入到最后的諧振器43a的分裂的螺旋線中，其間有耦合縫隙47a。金的連接盤48和48a被分別放置在輸入和輸出線45和45a上，提供到微型濾波器接頭(未示出)的連接。
圖5顯示具有四個(gè)自諧振八角形螺旋諧振器作為其頻率選擇元件的4極點(diǎn)HTS微型濾波器電路的第三實(shí)施例，其中圖5a顯示濾波器的正視圖，以及圖5b顯示截面圖。數(shù)字50是具有正面和背面的介質(zhì)基片。HTS微型濾波器電路被放置在基片50的正面，如圖5a所示。如圖5b的截面圖所顯示的，基片50的背面放置有空白的HTS薄膜51，用作為微型濾波器電路的地，以及金的薄膜52被放置在51的上部，以便用來與微型濾波器的盒子(未示出)相接觸。在圖5a上，數(shù)字53、54、53a、和54a是四個(gè)自諧振八角形螺旋諧振器。諧振器間的耦合通過在相鄰的諧振器之間的耦合縫隙59、59a、和59b被提供。在這個(gè)特定的例子中，諧振器間耦合長(zhǎng)度是通過改變相鄰的諧振器之間的縫隙以及通過橫向移動(dòng)諧振器位置用于細(xì)調(diào)節(jié)，而被調(diào)整的。輸入耦合電路具有插入線形式，它包括輸入線55，其延伸的較窄線56被插入到第一諧振器53的分裂的螺旋線中，其間有耦合縫隙57。輸出耦合電路具有插入線形式，它包括輸出線55a，其延伸的較窄的線56a被插入到最后的諧振器53a的分裂的螺旋線中，其間有耦合縫隙57a。金的連接盤58和58a被分別放置在輸入和輸出線55和55a上，提供到微型濾波器接頭(未示出)的連接。
圖6顯示具有四個(gè)自諧振圓形螺旋諧振器作為其頻率選擇元件的4極點(diǎn)HTS微型濾波器電路的第四實(shí)施例，其中圖6a顯示濾波器的正視圖，以及圖6b顯示截面圖。數(shù)字60是具有正面和背面的介質(zhì)基片。HTS微型濾波器電路被放置在基片60的正面，如圖6a所示。如圖6b的截面圖所顯示的，基片60的背面放置有空白的HTS薄膜61，用作為微型濾波器電路的地，以及金的薄膜62被放置在61的上部，以便用來與微型濾波器的盒子(未示出)相接觸。在圖6a上，數(shù)字63、64、63a、和64a是四個(gè)自諧振圓形螺旋諧振器。諧振器間的耦合通過在相鄰的諧振器之間的耦合縫隙63b、63c、和63d被提供。輸入耦合電路具有平行線形式，它包括輸入線66和延長(zhǎng)線67，輸入耦合通過在67與第一諧振器63之間的耦合縫隙69被提供。輸出耦合電路具有平行線形式，它包括輸出線66a和延長(zhǎng)線67a，輸出耦合通過在67a與最后的諧振器63a之間的耦合縫隙69被提供。兩個(gè)調(diào)諧的墊整電容65、65a被分別放置在諧振器63和63a的中心，用于微調(diào)諧振器63和63a的諧振頻率。金的連接盤68和68a被分別放置在輸入和輸出線66和66a上，提供到微型濾波器接頭(未示出)的連接。
圖7顯示具有五個(gè)自諧振方形螺旋諧振器作為其頻率選擇元件的5極點(diǎn)HTS微型濾波器電路的一個(gè)實(shí)施例，其中圖7a顯示電路的正視圖，以及圖7b顯示截面圖。數(shù)字70是具有正面和背面的介質(zhì)基片。HTS微型濾波器電路被放置在基片70的正面，如圖7a所示。如圖7b的截面圖所顯示的，基片70的背面放置有空白的HTS薄膜71，用作為微型濾波器電路的地，以及金的薄膜72被放置在71的上部，以便用來與微型濾波器的盒子(未示出)相接觸。在圖7a上，數(shù)字73、74、73a、和74a是四個(gè)自諧振方形螺旋諧振器，75是自諧振方形雙螺旋諧振器，它用作為中間諧振器。在5極點(diǎn)濾波器的中間使用雙螺旋諧振器使得電路相對(duì)于輸入和輸出呈現(xiàn)幾何對(duì)稱。這個(gè)方法也適用于任何具有奇數(shù)極點(diǎn)的對(duì)稱微型濾波器。諧振器間的耦合通過在相鄰的諧振器之間的耦合縫隙75a、75b、75c和75d被提供。在這個(gè)特定的例子中，諧振器間耦合長(zhǎng)度是通過改變相鄰的諧振器之間的縫隙而被調(diào)整的。輸入耦合電路具有插入線形式，它包括輸入線76，其延伸的較窄的線77被插入到第一諧振器73的分裂的螺旋線中，其間有耦合縫隙78。輸出耦合電路具有插入線形式，它包括輸出線76a，其延伸的較窄的線77a被插入到最后的諧振器73a的分裂的螺旋線中，其間有耦合縫隙78a。金的連接盤79和79a被分別放置在輸入和輸出線76和76a上，提供到微型濾波器接頭(未示出)的連接。
圖8顯示一個(gè)2通道微型多路復(fù)用器，每個(gè)通道分別具有8極點(diǎn)HTS微型濾波器83、83a，具有八個(gè)自諧振螺旋諧振器。圖8a顯示正視圖，以及圖8b顯示截面圖。數(shù)字80是具有正面和背面的介質(zhì)基片。HTS微型多路復(fù)用器電路被放置在基片80的正面，如圖8a所示。如圖8b的截面圖所顯示的，基片80的背面放置有空白的HTS薄膜81，用作為微型多路復(fù)用器電路的地，以及金的薄膜82被放置在81的上部，以便用來與微型多路復(fù)用器的盒子(未示出)相接觸。微型濾波器83和83a頻帶略微不同以及沒有重疊，以形成兩個(gè)通道。微型濾波器83和83a的輸入耦合電路具有平行線形式，它分別包括輸入線84和84a以及分別在84或84a與濾波器83或83a的第一螺旋諧振器之間的縫隙84b、84c。具有單個(gè)二分路器的分布網(wǎng)絡(luò)用作為多路復(fù)用器的輸入端，它包括公共輸入線86、T接頭87、和分支線85、85a，它們的一個(gè)末端被連接到87，另一個(gè)末端分別被連接到84和84a。84、84a、85、85a、86、和87的尺寸被選擇成提供在覆蓋濾波器83和83a的兩個(gè)頻帶的頻率范圍上微型多路復(fù)用器的輸入阻抗的匹配。濾波器83和83a的輸出耦合電路具有平行線形式，它分別包括輸出線87a和87b以及分別在它們與濾波器83或83a的最后諧振器之間的縫隙87c、87d。87a和87b也用作為微型多路復(fù)用器的兩個(gè)通道的輸出線。金的連接盤88、88a、88b被分別放置在輸入線86和輸出線87a和87b上，提供到微型濾波器接頭(未示出)的連接。
應(yīng)當(dāng)看到，微型多路復(fù)用器中的自諧振螺旋諧振器的形式并不限于圖8所示的方形的形式，而是它們可以具有圖2a-2d所示的任何結(jié)構(gòu)或這些結(jié)構(gòu)的組合。而且，將會(huì)看到，微型多路復(fù)用器中的微型濾波器的輸入輸出耦合電路并不限于圖8所示的平行線形式，而是代之以其它線的形式，諸如插入線形式或插入線形式與平行線形式的組合。
圖9顯示一個(gè)4通道微型多路復(fù)用器的第二實(shí)施例，每個(gè)通道具有一個(gè)8極點(diǎn)HTS微型濾波器，具有八個(gè)自諧振方形螺旋諧振器，其中圖9a顯示正視圖，以及圖9b顯示截面圖。數(shù)字90是具有正面和背面的介質(zhì)基片。HTS微型多路復(fù)用器電路被放置在基片90的正面，如圖9a所示。如圖9b的截面圖所顯示的，基片90的背面放置有空白的HTS薄膜91，用作為微型多路復(fù)用器電路的地，以及金的薄膜92被放置在91的上部，以便用來與微型多路復(fù)用器的盒子(未示出)相接觸。數(shù)字93和93a被使用來表示兩個(gè)類似于圖8所示的2-通道微型多路復(fù)用器。93和93a的頻帶略微不同以及沒有重疊。在4-通道微型多路復(fù)用器的輸入端處的分布網(wǎng)絡(luò)具有2級(jí)級(jí)聯(lián)的二分路器形式。第一級(jí)包括公共輸入線95、T接頭96、和兩個(gè)分支線94、94a，它們的一端被連接到96，另一端被連接到第二級(jí)的輸入端。第二級(jí)包括兩個(gè)二分路器，它們實(shí)際上是兩個(gè)2-通道微型多路復(fù)用器93和93a的輸入二分路器，以及包括公共輸入線94b、94c；T接頭94d、94e；分支線94f、94g、94h、94i；以及輸入線94j、94k、941和94m，如圖9a所示。93、93a、94、94a-m、95和96的尺寸被選擇成提供在覆蓋4-通道微型多路復(fù)用器的四個(gè)頻帶的頻率范圍上微型多路復(fù)用器的輸入阻抗的匹配。4-通道微型多路復(fù)用器的輸出電路包括兩個(gè)2-通道微型多路復(fù)用器輸出線97、97a、97b、97c，它們用作為4-通道微型多路復(fù)用器的四條輸出線，如圖9a所示。
圖10顯示4通道微型多路復(fù)用器的第三實(shí)施例，每個(gè)通道具有一個(gè)8極點(diǎn)HTS微型濾波器103、103a、103b、103c，具有八個(gè)自諧振方形螺旋諧振器。圖10a顯示正視圖，以及圖10b顯示截面圖。數(shù)字100是具有正面和背面的介質(zhì)基片。HTS微型多路復(fù)用器電路被放置在100的正面，如圖10a所示。如圖10b的截面圖所顯示的，基片100的背面放置有空白的HTS薄膜101，用作為微型多路復(fù)用器電路的地，以及金的薄膜102被放置在101的上部，以便用來與微型多路復(fù)用器的盒子(未示出)相接觸。濾波器103、103a、103b、和103c的頻帶略微不同以及沒有重疊，以便形成四個(gè)通道。在4-通道微型多路復(fù)用器的輸入端處的分布網(wǎng)絡(luò)具有匹配分支線形式，它包括公共輸入線106、匹配段105、線段104、104a、104b、104c和五個(gè)接頭107、107a、107b、107c和107d。104、104a、104b、104c、105、106、107、107a、107b、107c和107d的尺寸被選擇成提供在覆蓋4-通道微型多路復(fù)用器的四個(gè)頻帶的頻率范圍上微型多路復(fù)用器的輸入阻抗的匹配。4-通道微型多路復(fù)用器的輸出電路包括四個(gè)微型濾波器輸出線108、108a、108b、108c，它們用作為4-通道微型多路復(fù)用器的四條輸出線，如圖10a所示。
圖11顯示用帶有圓角的自諧振方形螺旋諧振器作為它的頻率選擇元件的、以帶狀線形式的4極點(diǎn)HTS濾波器的例子。圖11a是濾波器的截面圖，以及圖11b是沿圖11a的線和箭頭A-A看的剖面圖。數(shù)字110是具有正面和背面的介質(zhì)基片。HTS濾波器電路113被放置在110的正面，如圖11b所示。如圖11a所示，空白的HTS薄膜111被放置在110的背面上，用作為用于帶狀線的兩個(gè)地板之一，金的薄膜112被放置在111的上部，以便用來與濾波器的盒子(未示出)相接觸。數(shù)字110a是具有正面和背面的介質(zhì)頂片。如圖11a所示，空白的HTS薄膜111a被放置在110a的背面上，用作為用于帶狀線的兩個(gè)地板之一，金的薄膜112a被放置在111a的上部，以便用來與濾波器的盒子(未示出)相接觸。雖然未示出，但應(yīng)當(dāng)明白，HTS濾波器電路113的鏡像也被放置在頂片110a的正面以及兩個(gè)鏡像電路對(duì)準(zhǔn)。如圖11b所示，輸入和輸出帶狀線114、114a被延伸到基片110上較寬的微帶線115、115a中。金的連接盤116、116a被分別放置在115、115a上，提供到濾波器盒子的連接。114、114a、115和115a的線寬被選擇成達(dá)到在輸入端和輸出端處的阻抗匹配。
實(shí)例準(zhǔn)備了具有圖12所示的電路配置的微型濾波器。這是一個(gè)3極點(diǎn)、帶寬0.16GHz、中心頻率5.94GHz的、微帶線形式的微型濾波器。它包含三個(gè)方形自諧振螺旋諧振器121、121a、121b，每個(gè)具有在中心122、122a、122b處的調(diào)諧墊整電容，平行線輸入和輸出耦合電路123、123a。基片120由LaAlO3制成，具有5.250mm×3.000mm×0.508mm的尺度。HTS薄膜是Tl2Ba2CaCu2O8。濾波器被制造和在77K下被測(cè)試。測(cè)量的S參量數(shù)據(jù)被顯示于圖13，其中圖13a顯示S11對(duì)頻率的數(shù)據(jù)。圖13b顯示S12對(duì)頻率的數(shù)據(jù)。圖13c顯示S21對(duì)頻率的數(shù)據(jù)。圖13d顯示S22對(duì)頻率的數(shù)據(jù)。測(cè)量的數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)非常一致，中心頻率差值小于0.1％。
微型濾波器也在兩個(gè)不同的條件下被測(cè)試。也就是，它在具有相對(duì)介電常數(shù)約為1.00的空氣中被測(cè)試和在具有相對(duì)介電常數(shù)約為1.46的液氮中被測(cè)試。圖14顯示S21對(duì)頻率的數(shù)據(jù)，其中131是對(duì)于空氣的數(shù)據(jù)以及132是對(duì)于液氮的數(shù)據(jù)。結(jié)果表示僅僅0.04GHz的頻率偏移，相應(yīng)于中心頻率的0.67％。非常小的頻率偏移間接表示大多數(shù)電磁場(chǎng)約束在螺旋諧振器下面。
濾波器也在從0.01瓦到0.2瓦連續(xù)波RF功率的條件下被測(cè)試，其S21沒有測(cè)量到變化。圖15上以對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)刻度顯示三階交截(TOI)測(cè)試數(shù)據(jù)，其中141是對(duì)于兩個(gè)基頻的和值的具有1的斜率的最佳擬合的直線。142是對(duì)于三階交調(diào)的具有3的斜率的最佳擬合的直線。這兩條直線的交截點(diǎn)給出39.5dBm的TOI。功率和TOI測(cè)試數(shù)據(jù)是與具有相同的線寬和大十倍的體積的類似的傳統(tǒng)的HTS濾波器相一致。這些測(cè)試結(jié)果證明，比起傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，體積的大小減小一個(gè)數(shù)量級(jí)并不惡化微型濾波器的性能。
權(quán)利要求
1．自諧振螺旋諧振器，包括以螺旋形式排列的高溫超導(dǎo)線，以使得相鄰的線互相以小于線寬的縫隙距離相隔開；以及其中諧振器上中心孔具有的尺度大約等于在每個(gè)尺寸上縫隙距離的尺寸。
2．權(quán)利要求1的諧振器，其特征在于，其中諧振器具有從包含方形、帶有圓角的方形、多邊形、和圓形的組中選擇的形狀。
3．高溫超導(dǎo)微型濾波器，包括(a)基片，具有正面和背面；(b)至少兩個(gè)自諧振螺旋諧振器，與基片的正面緊密接觸；(c)至少一個(gè)諧振器間耦合機(jī)構(gòu)；(d)輸入耦合電路，包括具有被連接到濾波器輸入接頭的第一端和被耦合到至少兩個(gè)自諧振螺旋諧振器的第一個(gè)諧振器的第二端的傳輸線；(e)輸出耦合電路，包括具有被連接到濾波器輸出接頭的第一端和被耦合到至少兩個(gè)自諧振螺旋諧振器的最后的諧振器的第二端的傳輸線；(f)空白高溫超導(dǎo)薄膜，被放置在基片的背面上作為地板；以及(g)空白金薄膜，被放置在高溫超導(dǎo)薄膜上。
4．權(quán)利要求3的微型濾波器，其特征在于，還包括(a)頂片，具有正面和背面，其中頂片的正面被放置成與被放置在基片的正面上的至少兩個(gè)諧振器緊密接觸；(b)第二空白高溫超導(dǎo)薄膜，被放置在頂片的背面上作為地板；以及(c)第二空白金薄膜，被放置在所述第二高溫超導(dǎo)薄膜上。
5．權(quán)利要求4的微型濾波器，其特征在于，其中頂片在尺寸上小于基片，以及其中輸入耦合電路的第一末端和輸出耦合電路的第一末端，每個(gè)位于頂片的尺度以外。
6．權(quán)利要求3的微型濾波器，其特征在于，其中高溫超導(dǎo)薄膜從包含YBa2Cu3O7、Tl2Ba2CaCu2O8、TlBa2Ca2Cu3O9、(TlPb)Sr2CaCu2O7和(TlPb)Sr2Ca2Cu3O9的組中進(jìn)行選擇。
7．權(quán)利要求3的微型濾波器，其特征在于，其中基片和頂片，每個(gè)獨(dú)立地從包含LaAlO3、MgO、LiNbO3、藍(lán)寶石或石英的組中進(jìn)行選擇。
8．權(quán)利要求3的微型濾波器，其特征在于，其中至少兩個(gè)自諧振螺旋諧振器的全部螺旋諧振器具有相同的結(jié)構(gòu)，從包含方形、帶有圓角的方形、具有四個(gè)以上的拐角的多邊形、和圓形的組中進(jìn)行選擇。
9．權(quán)利要求8的微型濾波器，其特征在于，其中導(dǎo)電連接盤被放置在至少兩個(gè)自諧振螺旋諧振器的每個(gè)螺旋諧振器的中心處。
10．權(quán)利要求8的微型濾波器，其特征在于，其中所述濾波器包含奇數(shù)個(gè)自諧振螺旋諧振器，一個(gè)諧振器被放置在中心，以及其中中心放置的諧振器包括雙螺旋形式，諧振器包括具有180度旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的兩條連接的螺旋線。
11．權(quán)利要求3的微型濾波器，其特征在于，其中所述濾波器包含奇數(shù)個(gè)自諧振螺旋諧振器，一個(gè)諧振器被放置在中心，以及其中中心放置的諧振器包括雙螺旋形式，諧振器包括具有180度旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的兩條連接的螺旋線。
12．權(quán)利要求3的微型濾波器，其特征在于，其中具有平行線形式的輸入或輸出耦合電路包括(a)微帶線。(b)在所述微型濾波器的所述微帶線與第一諧振器(用于輸入電路)或最后的諧振器(用于輸出電路)之間的縫隙。(c)在微帶線末端處的金連接盤。
13．高溫超導(dǎo)微型多路復(fù)用器，包括(a)至少兩個(gè)微型濾波器，每個(gè)微型濾波器具有與每個(gè)另一個(gè)微型濾波器的頻帶不同的和不重疊的頻帶；(b)分布網(wǎng)絡(luò)，具有一個(gè)公共端口作為用于微型多路復(fù)用器的輸入端，以及多個(gè)分布端口，其中一個(gè)分布端口被連接到一個(gè)微型濾波器的相應(yīng)的輸入端；(c)多條輸出線，被連接到一個(gè)微型濾波器的相應(yīng)的輸出端；(d)其中每個(gè)所述至少兩個(gè)微型濾波器包括(1)基片，具有正面和背面；(2)至少兩個(gè)自諧振螺旋諧振器，與基片的正面緊密接觸；(3)至少一個(gè)諧振器間耦合機(jī)構(gòu)；(4)輸入耦合電路，包括具有被連接到濾波器輸入接頭的第一端和被耦合到至少兩個(gè)自諧振螺旋諧振器的第一個(gè)諧振器的第二端的傳輸線；(5)輸出耦合電路，包括具有被連接到濾波器輸出接頭的第一端和被耦合到至少兩個(gè)自諧振螺旋諧振器的最后的諧振器的第二端的傳輸線；(6)空白高溫超導(dǎo)薄膜，被放置在基片的背面上作為地板；以及(7)空白金薄膜，被放置在高溫超導(dǎo)薄膜上。
14．權(quán)利要求13的微型多路復(fù)用器，其特征在于，其中每個(gè)所述微型濾波器還包括(a)頂片，具有正面和背面，其中頂片的正面被放置成與被放置在基片的正面上的至少兩個(gè)諧振器緊密接觸；(b)第二空白高溫超導(dǎo)薄膜，被放置在頂片的背面上作為地板；以及(c)第二空白金薄膜，被放置在所述第二高溫超導(dǎo)薄膜上。
15．權(quán)利要求13的微型多路復(fù)用器，其特征在于，其中高溫超導(dǎo)薄膜從包含YBa2Cu3O7、Tl2Ba2CaCu2O8、TlBa2Ca2Cu3O9、(TlPb)Sr2CaCu2O7和(TlPb)Sr2Ca2Cu3O9的組中進(jìn)行選擇。
16．權(quán)利要求13的微型多路復(fù)用器，其特征在于，其中基片從包含LaAlO3、MgO、LiNbO3、藍(lán)寶石或石英的組中進(jìn)行選擇。
全文摘要
高溫超導(dǎo)微型濾波器和微型多路復(fù)用器利用自諧振螺旋諧振器,以及具有非常小的體積和在相鄰的通道之間的非常小的串?dāng)_。
文檔編號(hào)H01P1/203GK1301411SQ99806204
公開日2001年6月27日 申請(qǐng)日期1999年5月12日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月15日
發(fā)明者沈致遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:納幕爾杜邦公司