CN1329762A - 具有介质变抗器的电调谐滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电压调谐滤波器,包括一输入连接点、输出连接点和至少一个与输入连接点和输出连接点电连接的电路支路,还包括与一电感器电连接的电压调谐的介质变抗器。该电压调谐滤波器可以是低通、高通、带通或带阻滤波器的一种。变抗器可以包括内装隔直流电容器。

Description

具有介质变抗器的电调谐滤波器

本申请要求1998年12月11日提交的美国临时专利申请60/111,888的优先权。

本发明通常涉及电子滤波器，特别是涉及包括调谐变抗器的滤波器。

电子滤波器被广泛使用于射频(RF)和微波电路。调谐滤波器显著改进了电路的性能并简化电路。有两种已知的模拟调谐滤波器用于RF应用中，一种是通常通过变容二极管电调谐，另一种是机械调谐。机械调谐滤波器具有体型大、低速和笨重的缺点。包括传统半导体变容二极管的二极管调谐滤波器具有低功率处理容量，其受到变抗器交叉调制的限制，使得在除期望频率的其它频率也生成信号。此交叉调制是由传统半导体变抗器对电压控制的高非线性响应引起的。

用于射频电路的调谐滤波器为人所熟知。在美国专利5,917,387、5,908,811、5,877,123、5,869,429、5,752,179、5,496,795和5,376,907中可以找到这种滤波器的例子。

变抗器可以用作调谐滤波器中的调谐电容器。目前常用的变抗器是基于硅和镓化砷的二极管。这些变抗器的性能由指定频率范围内的电容比C_max/C_min、频率范围和质量因素，或Q因素(1/tanδ)来定义。对于高达2GHz的频率这些半导体变抗器的Q因素通常非常好。但是在高于2GHz的频率，这些变抗器的Q因素迅速恶化。在10GHz，这些变抗器的Q因素通常只有约30。

已经描述了将薄膜铁电陶瓷和一超导元件用作电压调谐元件的变抗器。例如，美国专利5,640,042公开了一种薄膜铁电变抗器，其具有承载衬底层、位于衬底上的高温超导层、位于金属层上的薄膜介质和位于薄膜介质上的多个金属导电装置，其与调谐装置中的RF传输线电接触。在美国专利5,721,194公开了另一种使用铁电元件和超导元件的调谐电容器。

1999年10月15日提交的名称为“电压调谐变抗器和包含这种变抗器的调谐装置”的美国专利申请09/149,126公开了工作在室温的电压调谐变抗器和各种包含这种变抗器的装置。1999年11月4日提交的名称为“具有内装隔直流的铁电变抗器”的美国专利申请09/434,433公开了包含内装隔直流电容器的电压调谐变抗器。这些变抗器工作在室温以提供调谐电容。

需要能工作在具有较少交叉调制产物的射频和高于超导所必须温度的调谐滤波器。

本发明提供一种电压调谐滤波器，包括一输入连接点、输出连接点和至少一个与输入连接点和输出连接点电连接的电路支路，还包括与一电感器电连接的电压调谐的介质变抗器。该电压调谐滤波器可以是低通、高通、带通或带阻滤波器的一种。变抗器可以包括内装隔直流电容器。

在优选实施例中，电压调谐介质变抗器包括具有第一介电常数和通常平面的衬底、位于衬底通常平面上的调谐介质层，该调谐介质层具有高于第一介电常数的第二介电常数、和位于与衬底通常平面相对的调谐介质层表面上的第一和第二电极。第一和第二电极分开以在其间形成间隔。施加到电极上的偏置电压改变了变抗器输入和输出间的电容。

本发明提供用介质可变电压电容器调谐的射频(RF)电调谐滤波器。该滤波器可以更低交叉调制失真处理高功率。

从下面结合附图阅读优选实施例的描述时可以完全理解本发明，其中：

图1是在美国专利申请09/149,126中描述的可用于本发明优选实施例的平面型电压调谐变抗器的顶视图；

图2是图1变抗器沿线2-2的剖视图；

图3a、3b和3c是说明根据本发明构造的电压调谐变抗器在各操作频率和间隙宽度的电容和损耗因数的图；

图4是在美国专利申请09/434,433描述的具有内装隔直流电容器的平面型变抗器组件的顶视图；

图5是图4变抗器组件沿线5-5的剖视图；

图6是图4和图5变抗器的示意图；

图7是根据本发明构造的契比雪夫(Chebyshev)带通滤波器例子的示意图；

图8是工作在变抗器上各个偏置电压的图7所示滤波器的衰减图；

图9是根据本发明构造的低通滤波器的示意图；

图10是工作在变抗器上各个偏置电压的图9所示滤波器的损耗图；

图11是根据本发明构造的高通滤波器的示意图；

图12是工作在变抗器上各个偏置电压的图11所示滤波器的损耗图；

图13是根据本发明构造的带阻滤波器的示意图；

图14是工作在变抗器上各个偏置电压的图13所示滤波器的损耗图；

参见附图，图1和2是在上述美国专利申请09/149,126中描述的变抗器10的顶视图和剖视图。变抗器10包括通常具有平顶表面14的衬底12。调谐介质层16与衬底的顶表面相邻。一对金属电极18和20位于介质层顶部。衬底12由具有较低介电常数的材料构成，诸如氧化镁、氧化铝、铝酸镧(LaAlO₃)、蓝宝石、或陶瓷。为了本发明目的，低介电常数是大约低于30的介电常数。调谐介质层16由介电常数约在20到2000范围内，并且约在10V/μm的偏置电压下可调谐性约在10％到80％范围内的材料构成。在优选实施例中，该层最好包括钡锶钛酸盐，Ba_xSr_1-xTiO₃(BSTO)，其中x的范围可以是从0到1，或者包括BSTO复合陶瓷。这种BSTO化合物的例子包括(但不是穷举)：BSTO-MgO、BSTO-MgAl₂O₄、BSTO-CaTiO₃、BSTO-MgTiO₃、BSTO-MgSrZrTiO₆和其组合。当承受典型的DC偏置电压，例如从大约5伏到大约300伏电压时，一优选实施例的调谐层具有大于100的介电常数。在电极18和20之间形成宽度为g的间隙22。必须优化间隙宽度以增加最大电容C_max和最低电容C_min的比率(C_max/C_min)和增加装置的质量因数(Q)。此间隙宽度对变抗器参数的影响最大。将由装置具有最大C_max/C_min和最小损耗因数的宽度确定最佳宽度g。

一可控电压源24通过线26和28连接到电极18和20。此电压源用于对介质层施加DC偏置电压，由此控制该层的介电常数。变抗器还包括RF输入30和RF输出32。RF输入和输出分别通过焊接或粘接连接到电极18和20。

变抗器可以使用低于5-50μm的间隙宽度。介质层厚度的范围是约从0.1μm到20μm。密封剂34位于间隙内并可以是任何具有高介质击穿强度的非导电材料，以允许施加高电压而没有电弧击穿该间隙。在该优选实施例中，该密封剂可以是环氧树脂或聚氨酯。

间隙L的长度可以通过改变电极端部36和38的长度来调整。长度的改变对变抗器的电容影响很大。间隙长度可以用此参数来优化。一旦已经选定间隙宽度，电容变成长度L的线性函数。为得到期望的电容量，可以通过试验或计算机模拟来确定长度L。

调谐介质层的厚度还对C_max/C_min的影响很大。铁电层的最佳厚度可由出现最大C_max/C_min的厚度确定。图1和图2变抗器的铁电层可以包括薄膜、厚膜或块(bulk)介质材料，诸如钡锶钛酸盐，Ba_xSr_1-xTiO₃(BSTO)、BSTO和各种氧化物或BSTO与加入的各种掺杂剂材料的复合。所有的这些材料都呈现出低的损耗因数。为了描述的目的，对于在大约1.0GHz到大约10GHz的频率范围内工作，损耗因数的范围是从大约0.0001到大约0.001。对于在大约10GHz到大约20GHz的频率范围内工作，损耗因数的范围是从大约0.001到大约0.01。对于在大约20GHz到大约30GHz的频率范围内工作，损耗因数的范围是从大约0.005到大约0.02。

电极可以包含预定宽度间隙的任何几何体或形状制造。本发明公开的变抗器的操作电容所需的电流一般小于1μA。在优选实施例中，电极材料是金。但是，也可以使用诸如铜、银或铝的其它导体。金抗腐蚀并易于粘接到RF输入和输出。铜提供高的导电性，并且一般涂敷有金以用于粘接或镍以用于焊接。图1和图2的变抗器可以利用块、厚膜和薄膜技术来制造。

图1和图2表示了一种电压调谐平面变抗器，其在单层调谐块、厚膜或薄膜介质层上具有预定间隙距离的平面电极。所施加的电压产生一电场穿过调谐介质间隙，这整个改变了变抗器的电容。根据性能要求，间隙宽度的范围可以是从5到50μm。

该变抗器在室温下操作并在大约1GHz到大约40GHz的频率范围内工作时可以具有大约50到大约10,000的Q因数。在图3a、3b和3c中表示了间隙距离为10和20μm时在3、10和20GHz测量的变抗器的电容量(pF)和损耗因数(tanδ)。根据图3a、3b和3c所示的数据，变抗器的Q因数大致如下：在3GHz为200，在10GHz为80，在20GHz为45-55。相比之下，GaAs半导体变容二极管的典型Q因数如下：在2GHz为175、在10 GHz为35，在更高的频率更低。因此，在大于或等于10GHz的频率，本发明的变抗器具有更好的Q因数。

参照附图，图4和图5是在上述美国专利申请09/434,433中描述的具有内装隔直流电容器的变抗器组件40的顶视图和剖视图。变抗器组件40包括通常具有平顶表面44的衬底42。调谐介质层46与衬底的顶表面相邻。金属电极48和50位于介质层顶部。电极48和50的形状具有凸起52和54。这些突起的末端在调谐介质层表面上形成间隙56。电极48和50以及调谐介质层合起来形成调谐电容器84。调谐电容器的电容量可以通过对电极48和50施加偏置电压来改变。

在优选实施例中，衬底42包括具有较低介电常数的材料，诸如MgO、氧化铝、LaAlO₃、蓝宝石、或陶瓷。为了描述的目的，低介电常数是大约低于30的介电常数。在优选实施例中，调谐介质层16包括介电常数在大约20到大约2000范围内，并且在大约10V/μm的偏置电压下可调谐性在大约10％到80％范围内的材料。该调谐介质层可以包括钡锶钛酸盐，Ba_xSr_1-xTiO₃(BSTO)，其中x的范围可以是从0到1，或者包括BSTO复合陶瓷。这种BSTO复合的例子包括(但不是穷举)：BSTO-MgO、BSTO-MgAl₂O₄、BSTO-CaTiO₃、BSTO-MgTiO₃、BSTO-MgSrZrTiO₆和其组合。介质电容器的介质膜可以通过丝网印刷、激光烧蚀、有机金属溶液沉淀、溅射或化学蒸汽沉淀技术来沉淀。当承受典型的DC偏置电压，例如从大约5伏到大约300伏电压时，一优选实施例的调谐层具有大于100的介电常数。必须优化间隙宽度以增加最大电容量C_max和最低电容量C_min的比率(C_max/C_min)和增加装置的质量因数(Q)。此间隙宽度对变抗器参数的影响最大。将由装置具有最大C_max/C_min和最小损耗因数的宽度确定最佳宽度g。

一可控电压源58通过线60和62连接到电极48和50。此电压源用于对介质层施加DC偏置电压，由此控制该层的介电常数。该变抗器组件还包括第一和第二非调谐介质层64和66，该介质层64和66与衬底42的通常平面相邻并位于调谐介质层46的相对侧。电极48伸出非调谐材料64一部分顶表面。电极68与非调谐层64的顶表面相邻，使得在电极48和68之间形成间隙70。电极48和68以及非调谐层64合起来形成第一隔直流电容器72。该变抗器组件还包括RF输入80和RF输出82。

电极74与非调谐层66的顶表面相邻，使得在电极50和74之间形成间隙76。电极50和74以及非调谐层66合起来形成第二隔直流电容器78。隔直流电容器的介质膜可以通过丝网印刷、激光烧蚀、有机金属溶液沉淀、溅射或化学蒸汽沉淀技术来沉淀。

RF输入80连接到电极68。RF输出82连接到电极74。RF输入和输出分别通过焊接或粘接连接到电极68和74。隔直流电容器72和78中的非调谐介质层64和66包括诸如BSTO复合的高介电常数的材料。隔直流电容器72和78与调谐电容器84串联以便对来自变抗器组件40外部的直流偏置电压隔离。为了增加两个隔直流电容器72和78的电容量，电极具有图4所示的交叉指型结构。图6是具有图4和图5所示结构形成的三个电容器的变抗器的示意图。

在优选实施例中，变抗器可以使用低于5-50μm的间隙宽度。调谐介质层厚度的范围是从大约0.1μm到大约20μm。密封剂可以插入间隙以增加击穿电压。该密封剂可以是任何具有高介质击穿强度的非导电材料，例如环氧树脂或聚氨酯，以允许施加高电压而没有电弧击穿该间隙。

本发明在电调谐RF滤波器中利用诸如图1、2、4和5所示的室温调谐介质变抗器。本发明的集总元件滤波器可以是用贝塞耳(Bessel)、巴特沃兹(Butterworth)、契比雪夫、椭圆(Elliptical)或其它方法设计的低通、高通、带通或带阻滤波器。

图7是根据本发明构造的带通滤波器100的示意图。通常称为电容耦合储能电路的耦连LC滤波器电路的电容器包括多个谐振器102、104和106，这些谐振器之间具有电容耦合，输入连接点108和110和输出连接点112和114。特别是，包括电容器C2和电感器L1并联连接的谐振器102与节点116、输入连接点110和输出连接点114相连，并通过电容器C1连接到输入连接点108。类似的，包括电容器C4和电感器L2并联连接的谐振器104与节点118、输入连接点110和输出连接点114相连，并通过电容器C3连接到节点116。包括电容器C6和电感器L3并联连接的谐振器106与节点120、输入连接点110和输出连接点114相连，并通过电容器C5连接到节点118。另外，谐振器106通过电容器C7连接到输出连接点112。滤波器通过在优选实施例中根据图1和图2或图4和图5构造的变抗器C2、C4和C6调谐。公共连接点110和114可接地。

在调谐电容器具有零偏置电压的优选实施例中，电容器C1和C7是5.6pF，电容器C3和C5是0.48pF，电容器C2和C6是8.0pF，C4是13.1pF，电感器L1、L2和L3是500nH。滤波器的输入和输出匹配到50Ω。图8是图7所示滤波器衰减图122，其中电容器C2、C4和C6是工作在各个偏置电压的电压调谐变抗器。曲线124、126、128、130和132表示在表1所示偏置电压的滤波器衰减。

             表1：变抗器的偏置电压

曲线	C2偏置电压	C4偏置电压	C6偏置电压
				124	0	0	0
126	180	80	180
				128	400	160	400
130	600	210	600
				132	700	500	700

图9是根据本发明构造的低通滤波器的示意图。图9中，低通滤波器140包括一输入连接点142、一输出连接点144和一公共连接点146。RF源148向滤波器提供RF信号。电阻器RS表示滤波器的输入阻抗。用电阻器RL表示的负载连接在输出连接点144和公共连接点146之间。电感器L4和L5在输入连接点142和输出连接点144之间串联。用电容器C8表示的调谐变抗器连接在公共连接点146和电感器L4和L5之间的节点150之间。

图10是工作在变抗器上各个偏置电压的图9所示滤波器的损耗图。在用于构造图10的实施例中，在零偏置，RS＝RL＝50Ω，L4＝L5＝217nH和C8＝133.8pF。曲线156和152分别表示零偏置电压下的插入损耗和回程损耗。曲线158和154分别表示500伏偏置电压下的插入损耗和回程损耗。

图11是根据本发明构造的高通滤波器的示意图。图11中，高通滤波器160包括一输入连接点162、一输出连接点164和一公共连接点166。RF源168向滤波器提供RF信号。电阻器RS表示滤波器的输入阻抗。用电阻器RL表示的负载连接在输出连接点164和公共连接点166之间。用电容器C9和C10表示的调谐变抗器在输入连接点162和输出连接点164之间串联。电感器L6连接在公共连接点166和电容器C9和C10之间的节点170之间。

图12是工作在变抗器上各个偏置电压的图11所示滤波器的损耗图。在用于构造图10的实施例中，在零偏置，RS＝RL＝50Ω，L6＝52.6nH和C9＝C10＝32.4pF。曲线172和176分别表示零偏置电压下的插入损耗和回程损耗。曲线174和178分别表示600伏偏置电压下的插入损耗和回程损耗。

图13是根据本发明构造的带阻滤波器180的示意图。图13中，带阻滤波器180包括一输入连接点182、一输出连接点184和一公共连接点186。RF源188向滤波器提供RF信号。电阻器RS表示滤波器的输入阻抗。用电阻器RL表示的负载连接在输出连接点184和公共连接点186之间。包括电感器L7和用电容器C11表示的变抗器并联的第一电路支路192在输入连接点182和节点190之间电连接。包括电感器L8和用电容器C12表示的变抗器并联的第二电路支路194在输出连接点184和节点190之间电连接。包括电感器L9和用电容器C13表示的变抗器串联的第三电路支路196在公共连接点186和节点190之间电连接。

图14是工作在变抗器上各个偏置电压的图13所示滤波器的损耗图。在用于构造图13的实施例中，在零偏置电压RS＝RL＝50Ω，L7＝L8＝7.83nH、L9＝1457nH，C11＝C12＝899pF和在零偏置C13＝4.83pF。曲线198和202分别表示零偏置电压下的插入损耗和回程损耗。曲线200和204分别表示500伏偏置电压下的插入损耗和回程损耗。

本发明的集总元件滤波器可以是用贝塞耳、巴特沃兹、契比雪夫、椭圆或其它方法设计。已经举出了带通低通、高通、和带阻滤波器的例子。在滤波器中可以将内装隔直流的介质变抗器用作调谐元件。通过利用预定尺寸的低损耗(tanδ＜0.02)介质，图1、2、4和5的变抗器可在例如大于3GHz的高频高电平工作。

图1、2、4和5的介质变抗器高速工作，具有高质量因数(Q)、高功率处理能力和更低的交叉调制失真产物。利用介质变抗器的滤波器具有比半导体二极管调谐的滤波器更好的性能，尤其是在高功率处理、低交叉调制失真和能覆盖传统变抗器不可能覆盖的电容量范围的能力。

在优选实施例中，利用介质材料的变抗器可以工作在比传统变容二极管高得多的电容量。这允许利用集总元件电容器构造密集电调谐滤波器，并具有传统变抗器不可能具有的性能。具有或不具有内装隔直流的低损耗、高调谐介质变抗器可用于本发明，内装隔直流的介质变抗器可以降低隔直流插入损耗，并使其更容易用于滤波器设计中。另外，本发明的调谐介质变抗器能增加RF功率处理能力和降低功率消耗和成本。

相应的通过利用介质变抗器，本发明提供工作在RF频率范围的高性能电调谐滤波器。本发明具有许多实际的用途，而且所公开装置的许多其它修改对本领域技术人员来说很明显，其不超出本发明的精神和范围。虽然已经根据优选实施例中出现的元件描述了本发明，但是可以进行该实施例的各种修改而不超出权利要求书定义的本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种调谐滤波器包括：

一输入连接点；

一输出连接点；和

一第一电路支路，其电连接到所述输入连接点和所述输出连接点并包括与一电感器电连接的电压调谐介质变抗器。

2.根据权利要求1的调谐滤波器，其中该滤波器包括低通、高通、带通或带阻滤波器中的一种。

3.根据权利要求1的调谐滤波器，其中所述变抗器包括内装隔直流电容器。

4.根据权利要求1的调谐滤波器，其中该滤波器包括贝塞耳、巴特沃兹、契比雪夫、椭圆滤波器中的一种。

5.根据权利要求1的调谐滤波器，其中所述电压调谐介质变抗器包括：

具有第一介电常数和通常平面的衬底；位于衬底通常平面上的调谐介质层，该调谐介质层具有高于第一介电常数的第二介电常数；和位于与衬底通常平面相对的调谐介质层表面上的第一和第二电极，所述第一和第二电极分开以在其间形成间隙。

6.根据权利要求5的调谐滤波器，其中所述电压调谐介质变抗器进一步包括：

一所述间隙中的绝缘材料。

7.根据权利要求5的调谐滤波器，其中调谐介质层具有大于大约100的介电系数。

8.根据权利要求5的调谐滤波器，其中该衬底具有小于大约30的介电系数。

9.根据权利要求5的调谐滤波器，其中调谐介质层具有范围从大约20到大约2000的介电系数，和在大约10V/μm的偏置电压范围从大约10％到大约80％的可调谐性。

10.根据权利要求5的调谐滤波器，其中该衬底包括MgO、氧化铝、LaAlO₃、蓝宝石、和陶瓷中的一种。

11.根据权利要求5的调谐滤波器，其中调谐介质层包括：

调谐介质厚膜、调谐介质块陶瓷、和调谐介质薄膜中的一个。

12.根据权利要求5的调谐滤波器，其中调谐介质包括一RF输入和一RF输出，其用于使RF信号沿第一方向通过调谐介质层，和其中间隙沿大致与第一方向垂直的第二方向延伸。

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