专利名称：用于高功率高温超导器件的谐振器的制作方法
技术领域：
本发明涉及在其中心有孔的TM0i0模(i=1、2、3、…)圆形和多边形的平面高温超导谐振器，及将其用于高温超导滤波器，滤波器组和信号倍增器的应用。
滤波器组和信号倍增器作为按其频率分离或组合输入信号的信道器被广泛用于通信领域。滤波器组和信号倍增器的基本组块是滤波器，该滤波器包括作为频率选择元件的多个谐振器。为了在通信中使用，滤波器需要有窄带宽，精确的中心频率，频带内的低插入损耗，偏离频带的高抑制，在频带边缘的陡边，紧凑的尺寸和高的功率使用容量。由于在常规导体上的高损耗，所以由常规导体制成的普通滤波器不适于通信的使用。
高温超导(HTS)平面滤波器在低功率下具有优异的性能。参见Zhi-Yuan Shen,High Temperature Superconducting MicrowaveCircuits,Artech House,Boston,1994,p.113。尽管这些HTS平面滤波器用于接收器，但由于其有限的功率使用容量，所以它们不是很适合用于发射机。为了在发射机中使用，滤波器必须具备数十瓦至几百瓦的功率使用范围。在共同被受让的，于1995年5月11日提交的未审批申请no.08/439402中，我们披露了能够处理100瓦以上发射功率的TM0i0模(i=1、2、3、…)圆形和多边形HTS滤波器，滤波器组和信号倍增器。
特别是对于窄带滤波器来说，中心频率精度是另一项重要要求。这对于在称为“邻接的”倍增器中的滤波器，例如在Zhi-Yuan Shen,supra P.120中披露的滤波器，和在中心频率精度的损耗将导致性能急剧下降的多极滤波器，尤为突出。可惜，由于电路制作误差和基板中的不可控制的变化，例如厚度改变或“双边界”，所以滤波器中的HTS谐振器的频率会偏离设计值。参见Zhi-Yuan Shen,supra P.12。
在共同被受让的，于1994年4月14日提交的未审批申请no.08/227437中，我们披露了“叠层形式的”平面HTS滤波器，在该滤波器中，单独的HTS谐振器垂直地堆叠，通过接地板上的孔或凹槽耦合。但是，耦合仅产生在相邻谐振器之间。某些类型的滤波器，例如“椭圆频率响应”带通滤波器就需要“跳跃”耦合，也就是说，被一个中间谐振器彼此隔开的谐振器之间的耦合。
大体上说，本发明包括TN0i0模平面高温超导体谐振器，其中，i是≥1的整数，该谐振器包括在至少一个介电基板的相对侧上淀积的定形的高温超导体膜和至少一个高温超导体接地板；其中，定形高温超导体膜在其中心有孔，并有从包括圆形和多边形的组中选择的形状。在微波条带形式的实施例中，谐振器包括单块接地板和单块介电基板。在条带形式中，使用分别在其上带有淀积的接地板的两块基板，把定形高温超导体膜夹在基板之间，以形成带有接地板/基板/HTS膜/基板/接地板结构的谐振器。
谐振器特别适用于频率调谐，也就是说，改变谐振器频率使滤波器的性能最佳，和适用于为有椭圆频率响应的滤波器提供相邻的邻接谐振器之间的跳跃耦合。
图1(a)-1(b)图示说明在微波条带结构中本发明的TM0i0模(i=1、2、3、…)平面谐振器的实施例，其中，图1(a)表示正视图，图1(b)表示剖面图。
图2(a)-2(c)分别表示工作于图2(a)所示的TM010模、图2(b)所示的TM020模、图2(c)所示的TM030模中的本发明谐振器的电流和磁场分布的曲线图。
图3(a)-3(c)分别表示工作于图3(a)所示的TM010模、图3(b)所示的TM020模、图3(c)所示的TM030模中的典型的现有技术的圆形谐振器的电流和磁场分布的曲线图。
图4(a)-4(b)图示说明在条带结构中本发明的谐振器的另一实施例，其中，图4(a)表示A-A剖切图，图4(b)表示剖面图。
图5(a)-5(b)图示说明在微波条带结构中本发明的八角形HTS平面谐振器，其中，图5(a)表示正视图，图5(b)表示剖面图。
图6(a)-6(b)图示说明在条带结构中本发明的八角形谐振器的另一实施例，其中，图6(a)表示A-A剖切图，图6(b)表示剖面图。
图7(a)-7(c)图示说明带有本发明的TM010模谐振器作为频率调谐器件的三极HTS滤波器，其中，图7(a)表示正视图，图7(b)表示剖面图，图7(c)表示后视图。
图8(a)-8(f)图示说明带有本发明的TM010模谐振器的用于非相邻谐振器之间的跳跃耦合的叠层式三极HTS滤波器，其中，图8(a)表示剖视图，图8(b)、8(c)、8(d)、8(e)和8(f)分别表示B-B、C-C、D-D、E-E和F-F剖切图。
图9(a)-9(b)图示说明带有作为频率调谐器件的本发明TM010模谐振器的三极HTS滤波器，其中，图9(a)表示其正视图，图9(b)表示其后视图。
图10表示相对于图9(a)-9(b)的HTS滤波器在六个不同发射功率电平下S21与频率响应的关系曲线。
概括地说，本发明包括带有圆形或多边形HTS膜的平面TM0i0模(其中i是≥1的整数)HTS谐振器，该膜有位于中心的孔，和在至少一块基板上淀积的至少一块接地板。HTS膜最好是圆形和八角形。孔可以如为圆形或多边形而不必与HTS膜形状相同。这里使用的术语“圆形”不应被理解为要求理想的圆。相反，也包括非理想的圆；也就是说，也包括圆的直径差低于1％的圆。同样地，术语“多边形”应理解为具有至少五条相等边和五个相等角的多边形。
参照图1，它示意地表示本发明谐振器的一个实施例，包括在基板22的相对面上淀积的其上带有中心孔24的圆形HTS膜21和HTS接地板23。最好从具有转换温度大于80°K和导电率为纯铜的一百倍以上的高温超导体中选择用于HTS膜和HTS接地板的HTS材料。作为选择的HTS材料，优选地选择YBa2Cu3O7-δ、Tl2Ba2CaCu2O8和(Tl,Pb)Sr2Ca2Cu3O9。基板可以是在HTS器件中常用的任何介电基板。优选地采用损耗角正切(losstagent)小于10-3的介电材料。
下面，参照图2，它表示工作于TM010模(图2(a))、TM020模(图2(b))和TM030模(图2(c))中的半径方向的电流Jρ和圆周方向的磁场Hφ作为距本发明的谐振器中心的半径距离ρ的函数的曲线关系。
在现有技术中已知圆形平面HTS TM0i0模谐振器，其中i是≥1的整数。图3(a)-3(c)表示分别工作于如图3(a)、图3(b)和图3(c)所示的TM010模、TM020模和TM030模中的半径方向的电流Jρ和圆周方向的磁场Hφ作为距现有技术典型圆形HTS谐振器中心的半径距离ρ的函数的曲线关系。通过把图2所示的Jρ、Hφ与ρ的函数关系曲线与图3所示的函数关系曲线进行比较，可以看出，带有中心孔的谐振器(图2)有相应于没有谐振器场的中心孔的区域，且电磁场被限制在HTS图形内。
图4(a)-(b)表示在条带结构中圆形谐振器的另一实施例。如图所示，在本实施例中的谐振器包括在基板32a、32b之间夹入的其上带有中心孔34的圆形HTS膜31，各基板还分别包括HTS接地板33a、33b。
图5(a)-(b)表示本发明谐振器的实施例，其中，在基板52的相对面上淀积有其上带有八角形中心孔54的八角形HTS膜51和HTS接地板53。
图6(a)-(b)表示本发明谐振器的再一个实施例。在本实施例中，在与图4(a)和4(b)所示的实施例类似的条带结构中，谐振器还包括在两块基板62a、62b之间夹入的在其上带有八角形孔64的八角形HTS膜61，各基板62a、62b还分别在其上淀积有接地板63a、63b。
图7表示装有本发明谐振器的TM010模HTS高功率三极滤波器。如图7所示，三极滤波器包括在其一侧上淀积多个HTS膜72a、73、72b和在其背面淀积HTS接地板71的基板70(参见图7(b))。在图示实施例中，膜72a和72b表示现有技术圆形HTS谐振器，在其上带有中心孔74的膜73表示本发明的谐振器。
参照图7(c)，滤波器的输入耦合电路包括在接地板71中用以提供用于其余耦合电路的场所的开口75a、按共面线形式的输入中心线76a和与谐振器72a耦合的分支线77a。输出耦合电路包括在接地板71上用以提供用于其余耦合电路的场所的开口75b、按共面线形式的输出中心线76b和与谐振器72b耦合的分支线77b。内部谐振器耦合电路包括在接地板71上的两个开口78a和78b，和用以分别提供谐振器72a到谐振器73的耦合和谐振器73到谐振器72b的耦合的按共面线形式的两个耦合中心线79a和79b。
对于三极滤波器来说，包括滤波器的三个谐振器的谐振频率必须精确地等于其设计值。实际上，由于许多不可控制的因素，谐振频率会变化。因此，十分期望有调谐单个谐振器的谐振频率的某些方法。例如，已知改变现有技术的圆形HTS谐振器的半径来改变其频率，但在其制造后改变半径和籍此调谐圆形谐振器的频率非常困难。
在图7所示的三极滤波器的实施例中，本发明的谐振器包括调谐滤波器谐振频率的装置。具体地说，按照本发明，通过在谐振器的中心设置孔，能够容易地增加圆形谐振器的频率。利用高功率激光器、光刻腐蚀或掩模腐蚀，能够容易地完成该孔。
图8表示带有加入本发明谐振器的叠层式结构的另一三极Tm0i0模(i=1、2、3、…)HTS滤波器。三极滤波器被分为三个部分输入部分，中间部分和输出部分。
输入部分包括在基板80a(带有在其一侧淀积的接地板81a)和基板80b之间夹入的HTS电路(参见图8(b))。参照图8(b),HTS电路包括淀积在基板80b上的圆形HTS谐振器82a和输入耦合电路83a。中间部分包括在两块基板80c、80d之间夹入的如图8(d)所示的HTS电路图形。如图8(d)所示的中间部分的电路图形包括在其中心带有孔85的HTS谐振器84和与孔85同心的圆形HTS孔86，以及淀积在基板80d上的谐振器84。输出部分包括在基板80f(带有在其一侧淀积的接地板81b)和基板80e之间夹入的HTS电路(参见图8(f))。如图8(f)所示，输出部分的HTS电路包括淀积在基板80f上的圆形HTS谐振器82b和输出耦合电路83b。带有中心耦合装置88a(参见图8(c))的HTS接地板87a分隔输入部分和中间部分。带有中心耦合装置88b(参见图8(e))的类似的接地板87b分隔中间部分和输出部分。在该方案中，接地板87a在输入部分和中间部分之间有共享函数性(functionality)，接地板87b在中间部分和输出部分之间有共享函数性。耦合装置88a在谐振器82a和谐振器84之间提供耦合，同时耦合装置88b在谐振器84和谐振器82b之间提供耦合。此外，如以下的详细说明，耦合装置88a和88b与谐振器84中的孔85一起在谐振器82a和谐振器82b之间提供耦合。
再次参照图8(d)，带有圆孔85的谐振器84包括在谐振器82a和谐振器82b之间耦合的装置。由于谐振器82a和谐振器82b不相互邻近，而且实际上它们被中间谐振器84分隔开，所以可以理解把这种耦合适当地称为“跳跃”耦合。因此，从谐振器82a到谐振器82b的耦合需要“跳过”中间谐振器84。对于其本身具有很陡峭边缘的优点的椭圆频率响应滤波器中的应用来说，本发明的这种“跳跃”耦合的应用特别有益。
如参照图2所作的前述说明，谐振器中的TM0i0模(i=1、2、3、…)的电磁场被限制在HTS膜本身，谐振器中的中心孔没有由谐振器产生的电磁场。因此，这个“自由空间”有利于用于耦合非相邻谐振器。参照图8(a)-8(f)所示的叠层式滤波器，电磁场被限制在HTS膜84的区域内，中心孔85提供没有电磁场的空间，通过在接地板87a(参见图8(c))上的耦合装置88a和接地板87b(参见图8(e))上的耦合装置88b，该空间可被用作在谐振器82a和82b之间进行“跳跃”耦合的空间。在孔85中的同心HTS点86(参见图8(d))提供另一尺寸，以改变这些谐振器间的耦合强度。总之，通过改变耦合装置88a和88b、孔85及HTS点86的直径，能够调整谐振器82a、84和82b之间的耦合强度。
实例通过在40.8mm×17.2mm×0.508mm的LaAlO3基板的两面(两级)上淀积双面的Tl2Ba2CaCu2O8HTS薄膜，制备高功率三极TM010模HTS滤波器。利用标准的双面光刻处理和离子束研磨，制备带有如图9(a)和9(b)所示结构的滤波器，其中，90是基板；918和91b是八角形谐振器；92是在其上带有中心孔93的八角形谐振器；94是接地板；开口95a、共面的中心线96a和T型耦合分支线97a共同形成输入耦合电路；开口95b、共面的中心线96b和T型耦合分支线97b共同形成输出耦合电路；开口98a和98b形成内部谐振器耦合电路。
把滤波器装入铜外壳中，该铜外壳有SMA兼容的输入和输出连接器，并在77°K下测试滤波器。按24微米的增加量增加谐振器92中中心孔93的直径，直至获得最佳性能。然后，在功率电平为1.7瓦、20瓦、40瓦、50瓦、62瓦和74瓦下测试滤波器。图10表示在这六个功率电平下测量的S21与频率响应的关系曲线。如图10所示，即使在1dB/Div的精密垂直标度下，六条曲线位于彼此的顶部，而没有明显的性能下降。
权利要求
1．一种TM0i0模平面高温超导谐振器，其中，i是≥1的整数，在微波条带形式中，该谐振器包括在介电基板的相对面上淀积的定形的高温超导体膜和至少一个高温超导体接地板；其中定形高温超导体膜在其中心上有孔，并有从包括圆形和多边形的组中选择的形状。
2．一种TM0i0模平面高温超导谐振器，其中，i是≥1的整数，在条带形式中，该谐振器依次包括(a)第一高温超导接地板；(b)第一介电基板；(c)定形高温超导体膜；(d)第二介电基板；和(e)第二高温超导体接地板；其中，所述定形高温超导体膜在其中心有孔，并有从包括圆形和多边形的组中选择的形状。
3．如权利要求1或2的谐振器，其特征在于，定形高温超导体膜有圆形形状。
4．如权利要求1或2的谐振器，其特征在于，定形高温超导体膜有多边形形状。
5．如权利要求4的谐振器，其特征在于，定形高温超导体膜有八角形形状。
6．如权利要求1或2的谐振器，其特征在于，还包括相对于定形高温超导体膜中心上的孔同心地定位的第二高温膜。
全文摘要
一种用于高温超导体滤波器、滤波器组和信号倍增器的TM
文档编号H01P1/20GK1220031SQ97194868
公开日1999年6月16日 申请日期1997年5月16日 优先权日1996年5月22日
发明者沈致远 申请人:纳幕尔杜邦公司