CN1279653C - 频率可调高温超导微波谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种频率可调高温超导微波谐振器，利用约瑟夫森结的等效非线性电感随电流变化的特性而设计，其结构是将一个圆环谐振器与两个分布在圆环谐振器任一直径两端的低电感调节开环直接耦合，两个调节开环上分别有一个约瑟夫森结，两个调节开环分别各自连接一个电流源，构成两个调节电路。通过改变开环的电流，可以改变约瑟夫森结的等效电感，进而通过开环与谐振器之间的耦合改变圆环谐振器的等效电感，最后达到调节谐振频率的目的。本发明结构简单，容易实现，具有高Q值，所需控制能量低，快速，稳定，射频损耗低等优点。

Description

频率可调高温超导微波谐振器

技术领域

本发明涉及一种频率可调高温超导微波谐振器，是一种使用约瑟夫森结等效非线性电感随外加电流变化而实现频率调节的微波无源器件，属于电子技术领域。

背景技术

可调微波无源器件(如谐振器)在微波技术领域具有重要的应用价值，因为：(1)商业及军事射频应用的灵活性要求微波无源器件具有高速、高Q值、宽范围的可调性；(2)可调特性能够弥补设计的误差；(3)可以解决由于温度的变化，导致结构参数的变化，致使器件频率漂移的问题。

薄膜高温超导体的一个首要应用就是无源器件，原因之一是无源器件相对来说比较简单。利用高温超导膜沉积在合适的衬底上，微波无源器件可以很容易地加工制作。另一原因是微波无源器件能够充分利用高温超导材料的优良性能，如低表面电阻RS可导致无源器件的低插入损耗或高Q值。在微波频率下，高温超导谐振器的Q值比常规导体谐振器高出数十倍至数百倍。

频率可调高温超导微波无源谐振器是超导体在无源器件中的重要应用之一。为了调节谐振频率，要求改变谐振器的电感或电容。近年来，可调高温超导无源器件已采用了几种频率调节或改变器件电感、电容的方法，包括改变介质的介电常数，以改变电容；通过注入电流或光加热以改变超导传输线元件本身的动态电感；改变介质的磁化率以改变电感；通过加热超导谐振元件改变伦敦穿透深度，以改变动态电感等。然而，所有这些方法需较大的控制能量，速度慢，且操作于超导临界温度附近时会出现不希望的不稳定性，同时也增加了射频损耗。另外还有成功应用单个量子干涉设备或沿微带线分布一些与微带线耦合的量子干涉设备元件的方法。量子干涉设备方法具有低控制能量，低射频损耗，快速控制的优点，但需满足苛刻的条件以达到磁通量Φ与电流I的单值对应关系，这将给制造无回滞的量子干涉设备带来困难。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种频率可调高温超导微波谐振器，结构简单，所需的控制能量低，具有射频损耗低，调谐速度快、稳定性好等优点。

为达到此目的，本发明利用约瑟夫森结的等效非线性电感随电流变化的性质来达到谐振器的谐振频率调节。将一个圆环谐振器与两个分布在圆环谐振器任一直径两端的低电感调节开环直接耦合，两个低电感调节开环上分别有一个约瑟夫森结，两个调节开环分别各自连接一个电流源，构成两个调节电路。开环的电感与约瑟夫森结等效电感在相同数量级。

改变电流源的电流即调节开环的电流，开环上约瑟夫森结的等效非线性电感也随之改变，然后通过两个开环与圆环谐振器的耦合，使整个谐振器的等效电感发生改变，因而谐振频率也相应发生改变，最终达到频率调节的目的。

本发明的谐振频率调节范围为：

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f}=\frac{1}{\sqrt{{\tilde{L}}_{T2}}}-\frac{1}{\sqrt{{\tilde{L}}_{T1}}}$

其中

${\tilde{L}}_{T2}={(1-\frac{k^{2}L}{L_J+L})}^2$

${\tilde{L}}_{T1}={(1-\frac{k^{2}L}{L_{\mathrm{Jo}}+L})}^2$

k为圆环谐振器与调节开环之间的耦合系数，L_J为加开环电流后的约瑟夫森结等效电感，L为调节开环电感，C_T为圆环谐振器等效集总电容，L_Jo为没有开环电流时的约瑟夫森结的等效电感。

本发明的谐振器具有Q值高，需要的控制能量低，射频损耗低，快速，稳定，结构相对简单和容易制造等优点。

附图说明

图1为本发明的频率可调高温超导微波谐振器结构示意图。

图1中，1为圆环谐振器，2为调节开环，3为约瑟夫森结，调节开环2的开环口距离为g。

图2为本发明的频率可调高温超导微波谐振器的截面图。

图2中，1为圆环谐振器，4为接地板，5为衬底。

图3为谐振器中带有一个约瑟夫森结的调节开环结构图。

图3中，3为约瑟夫森结，6为电流源，调节开环的内径为D。

图4为圆环谐振器与一个调节开环耦合的等效电路。

图4中，L_J为约瑟夫森结3的等效电感，L_T为圆环谐振器1的等效集总电感，L为调节开环2的电感，C_T是圆环谐振器1的等效集总电容，k是圆环谐振器1与调节开环2之间的电感耦合系数。

图5为耦合系数k＝0.6619时 与流过带有约瑟夫森结的开环直流I_o的关系曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明的频率可调高温超导微波谐振器结构如图1所示，由一个圆环谐振器1和两个分布在圆环谐振器1任一直径两端的低电感调节开环2直接耦合构成，两个调节开环上分别有一个约瑟夫森结3。微波谐振器的截面结构如图2所示，在接地板4上有衬底5，圆环谐振器1设置在衬底5上。带有一个约瑟夫森结3的调节开环2的结构如图3所示，调节开环2的开环口连接一个电流源6，构成一个调节电路，接通电源则在调节开环2内有一个电流I。

本发明的频率可调高温超导微波谐振器将一个圆环谐振器1与两个分布在圆环谐振器1任一直径两端的低电感调节开环2直接耦合，两个调节开环2分别各自连接一个电流源6，构成两个调节电路，利用约瑟夫森结的等效电感对电流的依赖关系来调节谐振频率。调节开环2的电感与约瑟夫森结3的等效电感应在相同数量级。

圆环谐振器的内外半径分别为R_t和R_o，调节开环的孔径为D，圆环谐振器、接地板和调节电路的开环的厚度均为t，衬底的厚度为H。圆环谐振器与其中之一带有约瑟夫森结的开环直接耦合的等效电路示于图4，其中，L_J，L_T和L分别是约瑟夫森结等效电感，圆环谐振器等效集总电感和调节开环电感，C_T是圆环谐振器等效集总电容，k是圆环谐振器与其中之一调节开环的耦合系数。

当圆环谐振器1与耦合系数均为k的两个调节开环2耦合后，圆环谐振器1的电感L_T变为：

${\tilde{L}}_T=L_T{(1-\frac{k^{2}L}{L_J+L})}^2---\left(1\right)$

当工作于小信号时，约瑟夫森结3的等效电感L_J为：

$L_J\≅\frac{{\mathrm{\Φ}}_o}{2{\mathrm{\πl}}_c\sqrt{1-{\left(\frac{I_o}{I_c}\right)}^2}}---\left(2\right)$

式中磁通量子Φ_o＝2.07×10^-15Wb，I_c是约瑟夫森结3的临界电流，I₀是来自直流电流源6流过调节开环2的直流。整个谐振系统的谐振频率为：

$f=\frac{1}{\sqrt{{\tilde{L}}_T{C}_T}}---\left(3\right)$

从(2)可知通过改变调节开环2的直流I₀，可以改变约瑟夫森结3的等效电感L_J，进而由(1)式改变圆环谐振器1的等效电感

最后通过(3)式达到调节谐振频率f的目的。

谐振频率调节范围为：

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f}=\frac{1}{\sqrt{{\tilde{L}}_{T2}}}-\frac{1}{\sqrt{{\tilde{L}}_{T1}}}---\left(4\right)$

其中

${\tilde{L}}_{T2}={(1-\frac{k^{2}L}{L_J+L})}^2---\left(5\right)$

${\tilde{T}}_{T1}={(1-\frac{k^{2}L}{L_{\mathrm{Jo}}+L})}^2---\left(6\right)$

其中L_Jo是没有开环电流时约瑟夫森结3的等效电感，且

$L_{\mathrm{Jo}}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_o}{2{\mathrm{\πI}}_c}---\left(7\right)$

实施例：

圆环谐振器1的参数：外径为R_o＝3.5mm，内径为R_t＝3mm，导体的厚度t＝0.35μm，谐振频率为f₁＝3.75Ghz，特性阻抗为Z_o＝32.66Ω。衬底材料为LaAlO₃(LAO)单晶，相对介电常数为ε_r＝23.6，衬底厚度H＝0.5mm。当 $R=\frac{R_i+R_o}{2}>H>>\mathrm{\λ},$ 其中λ是伦敦穿透深度，77K时的有效介电常数计算为 ${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}\frac{1}{\sqrt{1+\frac{12H}{\mathrm{\λ}}}}=12.3829$ ，损耗正切为tanδ～10^-5。调节电路的调节开环2的外径为r_o＝0.9mm，孔径D＝0.03mm，t＝0.35μm，环的缝隙g＝5μm，约瑟夫森结3的临界电流I_c＝800μA。

圆环谐振器1与调节开环2间的耦合系数k对实现频率的调节是个关键参数。耦合越强，调节范围越大。由仿真得耦合系数为k＝0.6619。

该圆环谐振器频率调节范围与通过调节开环的直流I_o的关系曲线如图5。当调节开环的直流I_o＝798μA时，谐振频率的调节范围为18％。

本发明是利用带约瑟夫森结的开环，不受磁通量子跃迁的影响，电路不受限制。小信号情况下，约瑟夫森结中的诱导交流很小，所有电流在结电压为零的情况下流过感性结，尽管有正常电子隧道带来的电阻，系统的射频损耗仍然很小。所以只要约瑟夫森结的临界电流足够大，调节回路的损耗不大，使系统的Q值可以接受。

Claims (2)

1、一种频率可调高温超导微波谐振器，其特征在于由一个圆环谐振器(1)和两个分布在圆环谐振器(1)任一直径两端的低电感调节开环(2)直接耦合构成，两个调节开环(2)上分别有一个约瑟夫森结(3)，两个调节开环(2)分别各自连接一个电流源(6)，构成两个调节电路，调节开环(2)的电感与约瑟夫森结(3)的等效电感在相同数量级，通过改变调节开环(2)的电流改变约瑟夫森结(3)的等效电感，进而通过调节开环(2)与圆环谐振器(1)之间的耦合改变圆环谐振器(1)的等效电感来调节谐振频率。

2、根据权利要求1的频率可调高温超导微波谐振器，其特征在于所述谐振频率调节范围为：

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f}=\frac{1}{\sqrt{{\tilde{L}}_{T2}}}-\frac{1}{\sqrt{{\tilde{L}}_{T1}}}$

其中

${\tilde{L}}_{T2}={(1-\frac{k^{2}L}{L_J+L})}^2$

${\tilde{L}}_{T1}={(1-\frac{k^{2}L}{L_{J0}+L})}^2$

k为圆环谐振器(1)与调节开环(2)之间的耦合系数，L_J为加开环电流后的约瑟夫森结(3)的等效电感，L为调节开环(2)的电感，C_T为圆环谐振器(1)的等效集总电容，L_J0为没有开环电流时的约瑟夫森结(3)的等效电感。

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