SE511343C2 - Anordning och förfarande avseende mikrovågsanordningar - Google Patents

Description

20 25 30 511 343 kompakta filter i frekvensbandet pà omkring 0,5-3,0 GHz som är det frekvensband i vilket de flesta avancerade mikrovågs- kommunikationssystem arbetar idag. Sådana icke-linjära dielektriska material kan exempelvis vara STO (Strontiumtitanat) som har en dielektricitetskonstant på omkring 2000 vid flytande kväves temperatur och en dielektricitetskonstant på omkring 300 vid rumstemperatur. Såsom ett exempel är resonansfrekvenserna för cirkulära STO parallellplatts-skivresonatorer med en diameter på 10 mm och en tjocklek på 0,5 mm mellan 0,2-2,0 GHz beroende på Vid dessa temperaturen och på den pàlagda DC-förspânningen. frekvenser är våglängderna för mikrovågssignalerna inom området på omkring 150-15 cm som är mycket större än resonatorns egna dimensioner. I Det är känt hur man ska excitera dielektriska och parallellplattsresonatorer med enkla prober eller slingor. I de flesta praktiska fall år tjockleken på en parallellplattsresonator mycket mindre än mikrovågsvåglängden för att resonatorn bara skall stödja den lägsta ordningens TM-moder och för att hålla de DC- spänningar, soul krävs för' den. elektriska avstämningen. av resonatorerna. med. icke-linjära. dielektriska fyllningar, så låga som möjligt. Detta diskuteras i Gevorgian m.fl., ”Low Order Modes of YBCO/STO/YBCO Circular Disk Resonators” IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, Vol. 44, Nr 10, Oktober 1996. Detta dokument inkorporeras också hàri genom hänvisning därtill.

Emellertid kräver ofta vissa mikrovågsanordningar, såsom exempelvis passbandsfilter, starka (dvs. nästan kritiska eller överkritiska) ingångs-/utgångskopplingar. För att erhålla sådana starka kopplingar i resonatorer eller anordningar som är baserade på tunna parallellplattsskivresonatorer, som speciellt har en 10 15 20 25 s11li343 extremt hög dielektricitetskonstant sàsom STO, är det praktiskt taget omöjligt att använda kända kopplingsanordningar sàsom sling- exempelvis diskuterats i 1990, eller probkopplare, sàsom Kajfez, Guillon: Dielektric resonators, kapitel 8 och exempelvis sidan 282, kapitel 6.6.

Probkoppling som är en koppling huvudsakligen till det elektriska fältet är inte effektiv' efterson1 nästan. hela. mikrovàgseffekten reflekteras frän resonatorns väggar. Beroende pà den extremt höga dielektricitetskonstanten för exempelvis STO, tjänar resonatorns väggar som nästan perfekta magnetiska väggar med reflektionskofficienter' son: ligger' nära J. vilket följer“ ur' ett enkelt samband: r = (Jan/nian) där F reflektionskofficienten och e den dielektriska konstanten.

Dessutom är kända slingkopplingar (koppling till det nmgnetiska fältet) inte heller effektiva. I en tunn parallellplattsresoantor med bara TM-moder är de magnetiska fàltlinjerna parallella med resonatorns plattor. Beroende pà den ringa tjockleken pá resonatorn överensstämmer bara en liten del av de magnetiska fältlinjerna hos den yttre traditionella kopplingsslingan med de magnetiska fältlinjerna inuti resonatorn och överensstämmelsen kan ej ökas genom att göra kopplingsslingans yta större. 10 15 20 25 30 511 343 T. Hayashi m.fl., Letters", Vol. 30, Nr. 17, ”Coupling structures for superconducting disk resonators, El. sidorna 1424-1425, 1994, har föreslagit en witökad. kapacitanskopplingsanordning för att uppnå en stark ingångs-/utgångskoppling i filter som är baserade på mikrostrip-parallellplattsresonatorer_ Denna anordning år emellertid bara effektiv för dielektriska resonatorer i vilka dielektrikat har en låg dielektricitetskonstant, ungefärligen mellan 10-20. Sådana resonatorer är mycket för stora för ett antal tillämpningar. Dessutom är den bara effektiv för den fundamentala TM 110-moden.

K. Bethe, ”Über Das Mikrowellenverhalten Nichtlinearer Dielektrika”, Philips Res. Reports, Suppl. 1970, Nr. 2, sidan 44 visar rektangulära vågledare för TM 110-mods ingångs- /utgångskopplingar för parallellplattsresonatorer med hög exempelvis av STO. Emellertid är alls storlek. En dielektricitetskonstant, kopplingsanordningen klumpig och inte lämplig för tillämpningar som kräver liten extra DC- förspänningsanordning' krävs, vilket âr' en. nackdel eftersonx den introducerar reaktanser i rnikrovågskretsen son\ resulterar i en försämring och reducering såväl av kvalitetsfaktorn som överhuvudtaget.

Vendik m.fl., Electronic Letters, Vol. 31, sidan 654, 1995 visar en koaxiell vågledare för TM 020-mods ingångs-/utgångskopplingar för en resonator som innefattar ett substrat med en hög dielektrisk konstant. Kopplingen appliceras då genom den centrala ledaren i en koaxialledning. För avstämningsândamål används externa förspänningsledare. Kopplingsanordningen för denna anordning är klumplig och inte heller lämplig för små resonatorer eller små anordningar överhuvudtaget. ,Dessutom introducerar 10 15 20 25 30 511 i$43 förspänningsanordningen. också reaktanser i mikrovågskretsen som resulterar i en försämrad prestanda.

Parallellplattsresonatorer med hög dielektricitetskonstant, exempelvis innefattande dielektrika av STO, har en hög mod- densitet. Detta gör användningen av traditionella prob- och slingkopplingsanordningar ofördelaktig eftersom dessa tillhandahåller ungefärligen samma koppling för alla moder. I ett fall skall smalbandsfilter önskas bara en mod medan de andra moderna skapar antal bara en mod exciteras. I exempelvis störande transmissioner i rejektionsbandet och degraderar således filtrets totala prestanda. För att undvika detta problem behövs modselektiva ingångs-/utgàngskopplingsanordningar.

En annan nackdel med de kända anordningarna. är att elektriskt avstàmbara parallellplattsresonatorer som är baserade på icke- STO, kräver extern DC- till linjära dielektrika, såsom exempelvis förspänning (i forn1 av ohmska kontakter resonatorns metallplattor) för att styra resonansfrekvensen. Enligt de svenska patentansökningarna 9502138-2 och 9502137-4 av samma sökanden àstadkommes DC-förspänning genom införande av en extra anordning i resonatordesignen. En sådan anordning påverkar emellertid resonansfrekvensen och dessutom kan den försämra resonatorns kvalitetsfaktor (Q).

Slutligen är ett antal resonatorer kända som är baserade på ferromagnetiska resonanser. Resonansfrekvensen bestäms då av de mikroskopiska egenskaperna för de använda materialen såsom ferromagnetisk resonans, anti-ferromagnetisk resonans, elektronisk paramagnetisk resonans osv. (och dimensionen på resonatorn ges ej av frekvensen för våglängden hos mikrovàgssignalen). I sådana 10 15 20 25 30 511 343 resonatorer begränsas den lägsta resonansfrekvensen av materialegenskaper och storleken pà det material som används i resonatorn görs vanligen godtyckligt liten och ej relaterad till våglängden hos mikrovägssignalen. De magnetiska kopplingsslingorna som används för sådana resonatorer är designade för att de ska ge en enhetlig magnetisk fältfördelning i ferriten. Ett modval är dà ej möjligt. Ett exempel pà ett sàdant filter med de associerade kopplingsanordningarna 'visas exempelvis i. US-A-4 197 517. Också US-A-4 945 324 visar ett exempel pà ett sådant magnetiskt filter.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Vad som behövs är därför en anordning för att koppla elektromagnetiska vågor, speciellt mikrovàgor, in i och/eller ut ur' en. mikrovàgsanordning soul har smà dimensioner och som kan användas i de frekvensband i vilka de flesta avancerade mikrovàgskommunikationssystem arbetar och som har en hög prestanda. Speciellt behövs ett anordnande och en anordning i vilken modvalet möjliggörs pà ett effektivt och pålitligt sätt.

Speciellt behövs en anordning genom vilken en mod kan väljas ut och exciteras utan försämring av anordningens totalprestanda och genom vilken speciellt den önskade kopplingsstyrkan kan erhållas. innefattar en Speciellt behövs en anordning som t unna modselektiv ingång-/utgàngskopplingsanordning för parallellplatts- (eller koplanara) resonatorer som har ett substrat med ett material med en extremt hög dielektricitetskonstant.

Mera speciellt behövs en anordning genom vilken en stark ingångs- /utgängskoppling tillhandahälles och ännu mera speciellt behövs en 10 15 20 25 30 511 343.1 anordning genom vilken avstämning genom DC-förspänning kan tillhandahållas väsentligen utan resonatorns Q-värde (kvalitetsfaktorn) försämras.

Dessutom behövs ett förfarande genom vilket de elektromagnetiska vågorna, speciellt mikrovågor, som kopplas in i/ut ur en mikrovågsanordning såsom exempelvis en resonator, på ett effektivt sätt, och enligt vilket koppling till en eller flera moder kan väljas.

Speciellt behövs en anordning som medger styrning av styrkan på kopplingen inon1 ett brett område såväl son1 en anordning genom vilken en mycket stark koppling kan tillhandahållas för en utvald mod (eller fler än en utvald mod). Speciellt behövs ett förfarande som möjliggör att en DC-förspänning kan läggas på utan att Q-värdet för mikrovàgsanordningen försämras, mera speciellt utan att kräva användning av separata eller extra avstämningsmedel som påverkar anordningens prestanda på ett negativt sätt.

Därför tillhandahälles en anordning son1 hänvisats till ovan i vilken dimensionerna på resonatorn och kopplingsslingan är korrelerade till resonansfrekvensen för resonatorn (resonatorerna) och där kopplingsslingan har en sådan geometri och är så anordnad i förhållande till resonatorn att de magnetiska fältlinjerna matchar den inre fältfördelningen för åtminstone en mod för resonatorn (resonatorerna) så att bara den utvalda nwden exciteras, där koppling åstadkommes bara för en sådan (sådana) mod dimensionerna på kopplingsslingan är (moder). De linjära jämförbara med, eller större än, dimensionerna på resonatorn.

Eftersom e är hög (eller till och med mycket hög) är dimensionerna på resonatorn små. 10 15 20 25 30 511 343 Speciellt tillhandahàlles en anordning där kopplingsslingan har en sådan geometri och är anordnad på ett sådant sätt att azimutalt degenererade moder exciteras så att resonatorn arbetar i multipla moder. Speciellt består resonatorn av en tunn parallellplattsresonator. I ett fördelaktigt utföringsexempel består det icke-linjära dielektriska materialet av ett dielektrikum med en extremt hög dielektricitetskonstant, exempelvis ett ferroelektriskt/antiferroelektriskt material, eller mera speciellt STO. Fördelaktigt är resonatorns resonansfrekvens mellan 0,5-3 GHz, dvs. inom cellulära kommunikationssystems frekvensområde.

I ett fördelaktigt utföringsexempel består kopplingsslingan av en koaxialledare, speciellt den centrala ledaren i. en koaxialkabel.

Fördelaktigt, enligt ett utföringsexempel, radiell omger kopplingsslingan led. 110- åtminstone delvis resonatorn i Enligt olika utföringsexempel exciteras exempelvis TM eller TM 020- moderna. Längden på kopplingsslingan är speciellt mycket kortare än våglängden på den exciterade mikrovågen i fria rymden. I ett speciellt utföringsexemel löper kopplingsslingan, exempelvis den centrala ledaren i en koaxialkabel, ett antal varv runt resonatorn, där antalet varv runt resonatorn (och avståndet från resonatorn) ger styrkan på kopplingen. Denna kopplingsstyrka kan således styras; kort sagt, ju fler varv, desto starkare koppling.

I ett annat utföringsexempel är kopplingsslingan anordnad så att den bildar en halvvarvsslinga runt resonatorn. I det fallet ges kopplingsstyrkan av det vinkelrätta avståndet från resonatorns plan (det plan som har sin sida mot slingan) till lO l5 20 25 30 511343 kopplingsslingan. Således kan kopplingsstyrkan i det fallet styras av avståndet från kopplingsslingan till resonatorplattan.

Enligt olika utföringsexempel är resonatorn cirkulär, kvadratisk, rektangulär, tringaulär osv. för vardera av vilken nwderna har där kopplingsslingor är anordnade för att till eller de olika fältfördelningar, möjliggöra koppling bara den utvalda moden (moderna).

I ett fördelaktigt utföringsexempel, i vilket TM 110-moden är utvald, är den centrala ledaren i en koaxialledare anordnad ett antal varv runt resonatorn som exempelvis kan vara en cirkulär resonator. Alternativt består då slingan av den centrala ledaren i en koaxialkabel och den bildar en halvvarvsslinga runt hälften av, exempelvis, en cirkulär resonator. Fördelaktigt åstadkommes nästan kritisk eller överkritisk koppling.

I ett synnerligen fördelaktigt utföringsexempel är en ände på kopplingsslingan ansluten till en av resonatorplattorna medan den andra resonatorplattan exempelvis är ansluten till jord och en DC- förspänningssignal läggs pà genom kopplingsslingan vilket således möjliggör elektrisk avstämning av resonatorn. DC-förspänningen läggs pà via externa standardförspänningstrådar till slingan, visas i Genom således vilka inte figurerna. kopplingsanordningen möjliggöres modval, DC-avstämning och styrning av kopplingsstyrkan genom användningen av endast en och samma anordning, dvs. själva kopplingsanordningen och således krävs inga ytterligare DC-förspânningsanordningar som ansluter till resonatorn, vilket är extremt fördelaktigt. lO 15 20 25 30 511 343 10 I ett speciellt utföringsexempel är kopplingsslingan ansluten till mittpunkten på exempelvis en av plattorna hos en cirkulär parallellplattsresonator efter att ha löpt ett antal varv runt resonatorn och således exciterande TM 110-moden. En krets för DC- som är ansluten till förspänning tillhandahålles (ej visad) koaxialkabeln.

TM 020-moden och Enligt ett annat utföringsexempel exciteras resonatorn innefattar en halvskivs-resonator. Kopplingsslingan är då exempelvis ansluten till mittpunkten på diametern av halvskivs- resonatorn och en DC-förspänningssignal kan läggas på genom kopplingsslingan också i detta fall.

Enligt ett annat utföringsexempel, i vilket TM 020-moden exciteras utsträcker sig kopplingsslingan, och är ansluten, vinkelrätt till en av resonatorplattorna hos den cirkulära resonatorn, där längden på den centrala ledaren i exempelvis en koaxialkabel ger kopplingsstyrkan. Också i detta fall möjliggöres således DC- förspänning. I ett annat utföringsexempel, i vilket också TM 020- moden är utvald, består resonatorn av en halvcirkulär skiva och kopplingsslingan består av en fjärdedels-varvs-slinga som är ansluten till mittpunkten av diametern på en av resonatorplattorna och. möjliggör således också i detta fall DC-förspänning genom kopplingsslingan. Oavsett vilken mod som skall exciteras, och således är utvald, kan en kopplingsslinga anordnas på olika sätt, antingen anslutande till en av resonatorplattorna eller ej, således möjliggörande eller ej för DC-förspänning genom Det skall emellertid _noteras .att genom att kopplingsslingan. ansluta kopplingsslingan till en av resonatorplattorna åstadkomes extremt fördelaktiga. utföringsformer' eftersonx de kombinerar tre 10 15 20 25 30 511343 ll egenskaper, styrning av kopplingsstyrkan inom ett brett område, effektiv mod-selektivitet och DC-förspänning.

Enligt återigen ett annat utföringsexempel består kopplingsslingan av ett tunnfilmsband som kan bestå av ett slätt band eller ett mönstrat band. Ett mönstrat band kan exempelvis vara så utformat att det ska excitera azimutalt degenererade moder så att resonatorn opererar i multipla moder. Om ett filmband användes ges kopplingsstyrkan i 'viss utsträckning av bredden på bandet men huvudsakligen av höjden på ett dielektriskt distanslager anordnat ovanpå den normalt ledande plattan.

I gett består det dielektriska fördelaktigt utföringsexempel substratet av ett dielektriskt bulkmaterial.

I andra utföringsexempel av uppfinningen består det dielektriska substratet av en. tunn film, exempelvis av ett ferroelektriskt material. I ett sådant utföringsexempel är resonatorn rektangulär och består av en koplanar vägledare. Den utvalda moden som är typisk för sådana resonatorer är TME-moden.

I speciella utföringsexempel kan dessutom tillhandahållas för optisk avstämning och/eller temperaturavstämning, tillhandahålles exempelvis om det inte för någon DC-förspânning, eller i kombination därmed, om så skulle önskas. till ovan anges också vilket Ett förfarande såsom hànvisats innefattar stegen att; välja en resonatormod som skall exciteras (alternativt kan det vara fler än en utvald. mod); anordna en kopplingsslinga, där längden som vilken åtminstone är jämförbar med resonatorns dimensioner, på ett sådant sätt att de magnetiska 10 15 20 25 30 511343 12 fåltlinjerna runt kopplingsslingan matchar de inre fältlinjerna för moden eller moderna som skall exciteras; koppla en eller ut ur mikrovägsanordningen. också tillhandahålla en DC-förspänningssignal genom kopplingsslingan till mikrovågssignal in i innefattar förfarandet att Fördelaktigt steget resonatorn, där kopplingsslingan är elektriskt ansluten till resonatorn.

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer i det följande att ytterligare beskrivas på ett icke-begränsande sätt under hänvisning till bifogade figurer, i vilka: FIG 1 schematiskt illustrerar den lägre ordningens nod- fâltfördelningar för en cirkulär parallellplatts- resonator, FIG 2 visar' ett utföringsexempel bestående av en kopplings- anordning för TM 110-moden, FIG 3 visar ett annat utföringsexempel innefattande en kopplingsanordning för TM 110-moden, med användning av en halv-varvsslinga, FIG 4 är ett diagram som visar hur kopplingskofficienten beror på avståndet från kopplingsslingan till resonatorn för kopplingsanordningen i figur 3, FIG 5 illustrerar ett utföringsexempel som innefattar en kopplingsanordning för TM 020-moden med DC-förspänning, 10 15 20 25 30 51313 343 13 FIG 6 är ett annat utföringsexempel av en kopplingsanordning för TM 020-moden med DC-förspänning, FIG 7 är ytterligare ett annat utföringsexempel av en kopplingsanordning för TM 020-moden utan DC- förspänning, FIG 8 visar en tunnfilmsbands-kopplingsanordning, och FIG 9 visar en kopplingsanordning för en tunnfilmsanordning.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN I figur 1 visas av illustrativa skäl fàltfördelningarna för den cellulär TM 020-, parallellplatts- TM 310- ordningens dvs TM 010-, TM 410-moderna. lägre TMmw-mod för en TM 110-, TM 210-, och resonator, Heldragna linjer indikerar strömmen, streckade linjer indikerar det magnetiska fältet och. punkter och kryss Det antas att p=0; dvs att halv illustrerar' det elektriska fältet. skivans tjocklek är mindre än en vàglängd och att resonatorn bara stödjer TMmw-moder.

I figur 2 visas en anordning 10 för att koppla mikrovàgor in i och ut ur en tunn parallellplattsmikrovàgsresonator. Tunn betyder här att den är tunn i jämförelse med, våglängden för mikrovàgssignalen i fria rymden, ko, och mera speciellt är h < Ä?/2, Li IIIIII 1.

. WIN iih iHH lO 15 20 25 30 511 343 14 där h är tjockleken pà resonatorn och kg är vàglángden i resonatorn. Parallellplattsmikrovàgsresonatorn innefattar ett dielektriskt substrat 11 som har en hög dielektricitetskonstant, såsom exempelvis STO. Det dielektriska substratet 11 består här av en cirkulär skiva och resonatorn bildas här av sagda substrat 11 med hög dielektricitetskonstant och två filmplattor 13,13' som är anordnade pà ömse sidor av den cirkulära skivan och bildar sàledes en parallellplattsresonator_ Plattorna kan bestå av en normal metall såsom exempelvis guld, silver osv. I ett fördelaktigt utföringsexempel, visat i figur 2, är supraledande skikt 12,12' anordnade mellan det dielektriska substratet ll och de tunna filmplattorna 13,13'. Speciellt består' de supraledande filmerna 12,12' av högtemperatursupraledande material, exempelvis YBCO.

Emellertid är de supraledande lagren inte nödvändiga för fungerandet av föreliggande uppfinning utan de avser bara fördelaktiga utföringsexempel. Beroende pà den extremt höga dielektriska konstanten för det dielektriska substratet ll, storleken pà en resonator som arbetar i 0,5-2,0 GHZ exempelvis STO, är frekvensbandet mellan liten. Radien r vid resonansfrekvensen f för en sådan cirkulär skivresonator ges av sambandet r = cøkm /21rfve där co är ljusets hastighet i fria rymden, lem år mze nollstället för derivatan av Bessel-funktionen av ordning n, och s är dielektricitetskonstanten. För en STO-skivresonator såsom visad i 10 15 20 25 30 511 343 15 figur 2 som arbetar under l00K är radien typiskt mindre än 1 cm vilket är mycket mindre än våglängden i fria rymnden för mikrovågssignaler vid dessa frekvenser, som kan vara omkring 60-15 Cm.

I motsats till hittills kända kopplingsanordningar utnyttjar föreliggande uppfinnings kopplingsanordning sagda stora skillnad mellan våglängden i fria rymden och storleken på resonatorn, eller mera speciellt är de linjära dimensionerna på kopplingslinjerna eller större än, dimensionerna på själva jämförbara med, resonatorn. Som kan härledas ur ovan nämnda formel blir r mycket litet för ett högt (mycket högt) 2. Vid frekvenser på omkring 0,5- 3,0 GHz är resonatorns dimensioner, exempelvis radien, mycket mindre än ko och speciellt är längden på kopplingsslingan mindre än ko/(8-10). Detta anger att kopplingsslingan är ett punktformigt fördelat element, såsom en induktans. Eftersom s är mycket hög, är X0 mycket större än resonatorns dimensioner. Längden på slingan är mindre än ko. Dessutom, eftersom s är högt, bildar resonatorn en distribuerad krets eller element för fältet inuti resonatorn. kg IQ/Vs. kg är således jämförbar med storleken på resonatorn och resonatorn verkar lång, inuti resonatorn är proportionell mot eller distribuerad.

I kända anordningar, i vilka en resonator med ett dielektriskt substrat som har en låg dielektricitetskontant användes, är slingan mycket mindre än ko och slingan är mindre än dimensionerna på resonatorn.

I utföringsexemplet i Figur 2 består kopplingsanordningen av en kopplingsslinga 14 som består av den centrala ledaren i en WH H . .| Imwm | n ïm. nu. .m .m min | | VÅLLIIH I. .l .ill 10 15 20 25 30 511 345 16 koaxialkabel 15. Kopplingsslingan dvs den centrala ledaren i koaxialkabeln 15 bildar en slinga runt parallellplattsresonatorn för att återkomma nära kritisk eller överkritisk koppling. Genom geometrin, och det sätt pà vilket kopplingsslingan är anordnad förhållande till den cirkulära parallellplattsresonatorn, exciteras TM 110-moden. Kopplingsslingan 14 är i detta fall mycket kortare än våglängden i fria rymden för den exciterade mikrovàgen och i utföringsexemplet som visas i figur 2 är kopplingsslingan 14 lindad runt resonatorn och. bildar en tvàfvarvsslinga runt den.

Kopplingsslingan 14 agerar som en punktformigt fördelad induktor sett fràn. den yttre mikrovàgskretsen, dvs den koaxiella ingàngsledaren 15. Ånden 16 pà kopplingsslingan 14 är elektriskt ansluten till (eller har en ohmsk kontakt med) mittpunkten pà en av plattorna 13' hos resonatorn. Det antas också att den yttre ledaren av koaxialledaren 14 är ansluten till jord sàväl som den andra resonatorplattan 13 eller att de är elektriskt förbundna.

Eftersom de magnetiska fältlinjerna runt kopplingsslingan 14, dvs den centrala ledaren i koaxialledaren 15, har samma mönster som de magnetiska fâltlinjerna för den fundamentala TM 110-moden för parallellplattsresonatorn, som kan ses ur figur 1, exciteras denna mod selektivt i resonatorn, sàsom redan hânvisats till ovan och kopplingsstyrkan, inkluderande det kraftigt överkopplade fallet, bestäms här av antalet varv som kopplingsslingan 14 löper runt resonatorn och av avståndet från kopplingsslingan till resonatorplattorna; jämför nästa utföringsexempel. I korthet, ju flera varv, desto högre kopplingsstyrka. Således kan kopplingsstyrkan styras eller justeras genom att förändra antalet varv runt resonatorn. Om en kopplingsstyrka av en given storlek önskas, finnes det lämpliga antalet varv och kopplingsslingan anordnas i överensstämmelse därmed. En anordning 10 såsom visad i figur 1. är speciellt användbar när DC-förspânning användes för 10 15 20 25 30 2511343 17 elektrisk avstämning av pßrallellplattsresonatorn med ett icke- linjärt dielektriskt substrat. DC-förspànningen päföres i. detta fall resonatorn genom änden 16 av kopplingsslingan. Detta betyder att DC-förspänning kan tillhandahållas utan att man behöver använda en extra DC-förspänningsanordning. I figur 2 illustreras de magnetiska fältlinjerna för kopplingsslingan och parallellplattsresonatorn. DC-förspänningen läggs pà genom en yttre effektförsörjare via en standardförspänningsledare (ej visad) som är ansluten till ingàngsledaren 15.

I figur 3 illustreras en annan anordning 20 i vilken koppling till àstadkommes halv- Också i detta fall består den tunna TM 110-moden användningen av en genom varvskopplingsslinga 24. parallellplattsresonatorn av ett dielektriskt substrat 21 som har en hög dielektricitetskontstant, exempelvis STO, på vardera sidan om vilket tunnfilmsplattor 23,23' är anordnade. Mellan det dielektriska substratet 21 och. tunnfilmsplattorna av' exempelvis Au, Ag eller liknande kan tunna supraledande filmer 22, 22' vara anordnade. Liksom i föregående fall är de senare ej nödvändiga för föreliggande Emellertid, i. ett fungerandet av uppfinning. speciellt ' fördelaktigt utföringsexempel kan de bestå av högtemperatursupraledande filmer. Kopplingsslingan 24 bildas av den centrala ledaren i en koaxialledare 25. Emellertid bildar i detta fall kopplingsslingan en halv-varvsslinga och de magnetiska fältlinjerna runt den centrala ledaren 24 har samma mönster som de magnetiska fältlinjerna runt resonatorn. Eftersonx de har samma mönster som de i figur 2, är de ej illustrerade i figuren.

I figur 3 är kopplingsslingan 24 inte förbunden med resonatorn utan med en platta 27 som kan vara supraledande och pà vilken resonatorn är anordnad 27. Den yttre ledaren av koaxialledaren 25 -Ji H \l all, fi \. H 10 15 20 25 30 511 543 18 är ansluten till jord liksom den supraledande plattan 27 på vilken resonatorn är anordnad, eller de är elektriskt förbundna. Såsom hànvisats till ovan, exciteras också i detta fall TM 110-moden.

Kopplingsstyrkan mellan resonatorn och kopplingsslingan 24 ges här av av avståndet HW nellan resonatorn, eller speciellt den platta av resonatorn som är nâraliggande kopplingsslingan 24, och kopplingsslingan 24, och således kan kopplingsstyrkan styras genom att förändra avståndet mellan kopplingsslingan 24 och den övre (i detta fall) ledande tillhandahålles ej för plattan 23'. I anordningen i figur 3 någon DC-förspänningsmöjlighet genom kopplingsslingan. Istället kan exempelvis avstämning åstadkommas genon1 optisk avstämning eller temperaturavstämning. Alternativt kan givetvis extra DC-förspânningsmedel vara anordnade.

I figur 4 illustreras beroendet av kopplingsstyrkan på avståndet mellan kopplingsslingan och resonatorn, Hw i millimeter exempelvis i figur 3, vid 77K.

I figur' 5 visas ett utföringsexempel i 'vilket TM 020-moden, är utvald för excitering. Parallellplattsresonatorn består av en cirkulär skiva med ett dielektriskt substrat 31 med en hög dielektrisk konstant, exempelvis gjord av STO, på vardera sida av vilken tunna filmplattor 33, 33' är anordnade vilka exempelvis kan vara av ett normalt ledande material. I ett fördelaktigt utföringsexempel är tunna supraledande filmer, speciellt anordnade mellan det filmerna 33, 33'. högtemperatursupraledande filmer, 32, 32' substratet 31 och de tunna dielektriska Emellertid är inte heller i detta fall dessa supraledande filmer av uppfinningen. fungerandet Parallellplatts- nödvändiga för resonatorn är anordnad på en företrädesvis supraledande platta 37.

Kopplingsslingan 34 består här av den centrala ledaren av en 10 15 20 25 30 _ i i 5131 343 19 koaxialledare 35 och den är ansluten till mittpunkten 36 på den övre plattan 33' av parallellplattsresonatorn på ett vinkelrätt sätt så att en perfekt matchning mellan de magnetiska fältlinjerna för den centrala ledaren 34 i koaxialledaren 34 och TM 020-moden Således I ett frekvensband mellan 0,2-6,0 GHz exciteras för resonatorn ästadkommes. uppnås både en fast och selektiv koppling. bara TM 020-moden med en sådan anordning. I detta utföringsexempel ges kopplingsstyrkan av avståndet HN i figuren som betecknar längden på kopplingsslingan 34. Eftersom kopplingsslingan 34 dessutom är elektriskt ansluten till resonatorn, dvs till den övre 33', möjliggörs således resonatorplattan DC-förspänning genom själva kopplingsslingan 34 och behövs inga extra avstämningsmedel.

I figur 6 visas ytterligare en annan anordning 40 för selektiv koppling av TM 020-moden. Parallellplattsresonatorn innefattar här en halvcirkulär parallellplattsresonator som innefattar ett dielektriskt substrat 41 på vardera sidan om vilket tunna filmplattor 43, 43' är anordnade vilka, liksom i föregående utföringsexempel, kan bestå av en normalt ledande metall såsom Au, Ag osv. Också i detta fall är supraledande filmer 42, 42' anordnade mellan de normalt ledande filmerna 43, 43' och det dielektriska substratet även om dessa ej är nödvändiga för fungerandet av uppfinningen utan bara illustrerar ett speciellt fördelaktigt består av en utföringsexempel. Kopplingsslingan kvartsslinga 44, sonx också här' âr' den centrala ledaren av en koaxialledare 45. Parallellplattsresonatorn är anordnad på en företrädesvis supraledande platta 47 som âr ansluten till jord och koaxialledaren 45 är likaledes ansluten till jord. Den centrala ledaren av koaxialledaren 45, dvs kopplingsslingan 44, är ansluten till mittpunkten på den halvcirkulära skivresonatorns diameter. 10 15 20 25 30 511 343 20 Eftersom den är ansluten till en av resonatorns plattor, möjliggörs DC-förspänning. I figur 6 har de magnetiska fältlinjerna runt den centrala ledaren 44 i koaxialledaren 45 samma wñnster som resonatorns magnetiska fältlinjer vilka också illustreras, och vilket resulterar i excitering av TM 020-moden.

Kopplingsstyrkan ges här av avståndet, Dw, som kopplingsslingan ifrån eller avståndet fràn skjuter ut anslutningspunkten resonatorn till slingan.

I figur 7 illustreras ytterligare en annan anordning 50 i vilken TM 020-moden exciteras selektivt. Resonatorn består av en halvcirkulär skiva i vilken ett dielektriskt substrat 51, exempelvis av STO, är anordnat på vardera sidan av vilket tunna är anordnade exempelvis bestående filmplattor 53, 53' av en normalt ledande metall. Tunna supraledande filmer 52, 52' är anordnade mellan det dielektriska substratet 51 och de normalt ledande filmplattorna 53, 53' även cxn de supraledande filmerna också i detta fall ej är oumbärliga för fungerandet av uppfinningen. Kopplingsslingan 54 består av den centrala ledaren 54 av en koaxialledare 55 där den yttre ledaren av koaxialledaren är ansluten till jord. Parallellplattsresonatorn är anordnad på en företrädesvis supraledande platta 57 som är ansluten till jord.

Kopplingsslingan 54 består här av av en kmlvvarvsslinga som är ansluten. till den normalt ledande plattan 57 i en punkt nära mittpunkten på diametern av själva parallellplattsresonatorn.

Eftersom kopplingsslingan 54 inte är ansluten till själva parallellplattsresonatorn, medges inte för DC-förspänning såsom i exempelvis i figurerna 5 och 6. Emellertid kan avstämning tillhandahållas för på något annat önskat sätt, exempelvis via separata DC-förspänningsmedel eller genom optisk avstämning eller 10 15 20 25 30 511”å 343 f 21 temperaturavstämning som är känt i sig eller speciellt beskrivet i de svenska patentansökningarna som hänvisats till tidigare i ansökan, ingivna av samma sökanden och vilka härmed inkorporeras häri genom hänvisning därtill. Kopplingsstyrkan ges här både av det vinkelräta avståndet Hw från slingan 54 till den näraliggande ifrån resonatorplattan 53' och av det vinkelräta avståndet D50 slingan till den plana änden av resonatorn.

I figur 8 visas en anordning 60 där resonatorn består av en cirkulär skiva. Det dielektriska substratet 61 består av ett material med en hög dielektricitetskonstant såsom exempelvis STO. är anordnade mellan Tunna supraledande filmer (t ex HTS-filmer) tunna normalt ledande plattor 63, 63' även om inte heller i detta fall de supraledande filmerna är' nödvändiga för fungerandet av uppfinningen. Parallellplattsresonatorn är anordnad på en företrädesvis supraledande platta 67 som är ansluten till jord. En extra tunn dielektrisk film 69 är anordnad på kontaktlagret 63'.

Ovanpå detta dielektriska skikt 69 är åtminstone ett tunnfilms- kopplingsband 68 definierat, exempelvis genom fotolitografi eller genom någon annan känd metod. Tunnfilmskopplingsbandet 68 är så anordnat att det skall korsa den cirkulära parallellplatts- resonatorn längs en diameter av denna och tunnfilmskopplingsbandet 61 är anslutet till den centrala ledaren 64 av en koaxialledare 65, där den yttre ledaren är ansluten till jord. Exempelvis är den diametralt motsatta änden av tunnfilmskopplingsbandet 68, dvs den ände som är motsatt den punkt i vilken den är ansluten till den centrala ledaren av koaxialkabeln, ansluten till den supraledande plattan 67. Genom denna anordning erhålles en speciellt hög (och såsom jämfört med koaxialledarslingan kopplingskoefficient och den är næra exakt spatiellt geometriskt) definierad såsom visad i utföringsexemplen som illustreras genom figurerna 10 15 20 25 30 511345 22 2,3,5-7. I ett speciellt fördelaktigt utföringsexempel är kopplingsbandet mönstrat för att i en speciellt hög selektivitet och en högre (eller lägre) kopplingsstyrka. för TM Kopplings- selektiviteten och kopplingsstyrkan 110-moden ges huvudsakligen av tjockleken på det ytterligare tunna dielektriska filmskiktet 69 som också är betecknat distansskikt och i någon mån av bredden på kopplingsbandet 68. För att undvika excitering av några möjligtvis degenererade moder, är symmetrin hos kopplingsanordningen viktig och för fall i vilka detta är av stor betydelse, är en fotolitografisk mönstring av kopplingsbanden speciellt fördelaktiga.

I ett alternativt utföringsexempel kan. kopplingsbandet vara sà designat att det speciellt skall excitera azimutalt degenererade Således år det designat på ett sådant sätt att resonatorn dubbla moder eller moder. exempelvis i arbetar i en multimodsregim, trippelmod osv.

Principen för kopplingsanordningarna enligt föreliggande uppfinning kan tillämpas på parallellplattsresonatorer av bulkmaterial såväl som på tunna ferroelektriska filmanordningar.

I figur 9 illustreras en anordning 70 i vilken en koplanar vågledarresonator år anordnad ovanpå ferroelektrisk film/substrat 73. Den koplanara vågledarresonatorn innefattar ett centralt band 71 och ett annat band 72, båda fördelaktigt av ett supraledande material, i ett speciellt fördelaktigt utföringsexempel ett HTS- material. I figur 9 är' l halva längden av resonatorn och ger således dess resonansfrekvens. Resonatorn exciteras av kopplingsslingan 74 som bildas av den centrala ledaren i koaxialledaren 75 vars yttre ledare är ansluten till jord. Plattan lO 15 20 25 30 511 343 23 ledande eller är också anslutet till jord. Kopplingsslingan 74 supraledande), dvs det yttre 72 (normalt kontaktskiktet, är ansluten till den centrala normalt ledande eller supraledande (bandet) kopplingsstyrkan som således kan styras. Eftersom kopplingsslingan plattan eller kontaktskiktet 71. Hw i figuren ger 74 är ansluten till ett av kontaktlagren, möjliggörs förspänning genom kopplingsslingan själv. För en koplanar vàgledare exciteras typiskt (kvasi) TME-moden. Även om bara ett begränsat antal utföringsexempel har visats explicit i figurerna 2-9 är det självklart att inte bara TM 110- och TM 020-moderna kan väljas ut och exciteras pà detta sätt utan vilken mod som helst kan väljas ut för excitering, genom att nan väljer lämplig resonator och en kopplingsanordning som är anpassad för den speciella moden.

Parallellplattsresonatorn behöver vidare inte ha någon av de former som explicit har illustrerats i figurerna utan den kan också anta andra former sàsom exempelvis rektangulär, triangulär OSV .

Dessutom kan en anordning enligt uppfinningen användas också om temperaturavstämning av resonansfrekvensen används, dvs genom att förändra temperaturen för den dielektriska konstanten och/eller ytimpedansen för de supraledande filmerna som kan vara anordnade mellan det dielektriska substratet och kontaktskikten, exempelvis de normalt ledande planen. Dessutom kan optiskt inducerad avstämning av resonansfrekvensen, exempelvis genom optisk belysning av de supraledande filmerna, användas. 10 15 511 343 24 Detta diskuteras bland annat också i de svenska patentansökningnarna som hànvisats till tidigare i denna ansökan vilka är' inkorporerade i. föreliggande ansökan. Uppfinningen är inte heller begränsad till användningen av supraledare.

Också i ett antal andra avseenden kan uppfinningen varieras pà ett antal sätt utan att avvika från patentkravens omfàng.

Det är* en fördel med 'uppfinningen att, förutonx att möjliggöra effektivt modval, kan kopplingsslingan användas för att styra kopplingsstyrkan. I ett speciellt utföringsexempel kan också en DC-förspänning pàläggas genom slingan, vilket är extremt fördelaktigt. Kopplingsanordningar enligt föreliggande uppfinning liten effektiva högprestanda-anordningar av ger synnerligen storlek.

Claims (27)

10 15 20 25 30 1: 'íí 511iá43í PATENTKRAV

1. En anordning (lO;20;40;50;60;70) för koppling av elektromagnetiska vågor, speciellt mikrovàgor, in i och/eller ut ur en rnikrovàgsanordning innefattande åtminstone en dielektrisk resonator innefattande ett icke-linjärt dielektriskt substrat (1l;21;4l;5l;6l;73) med en hög dielektrisk konstant, där sagda anordning innefattar en kopplingsslinga (l4;24;44;54;64;74), k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att dimensionerna pà resonatorn och kopplingsslingan (l4;24;44;54;64;74) är korrelerade till resonansfrekvensen för resonatorn och att kopplingsslingan (l4;24;44;54;64;74) har en sàdan geometri och är sà anordnad i förhållande till resonatorn fältlinjerna runt att de kopplingsslingan (l4;24;44;54;64;74) magnetiska överensstämmer med den inre fältfördelningen för åtminstone en resonatormod sä att bara sagda åtminstone en mod exciteras, och att koppling àstadkommes bara för sádan(a) mod(er), varvid längden på kopplingsslingan (l4;24;44;54;64;74) är jämförbar med, eller större än, resonatorns dimensioner, och att kopplingsslingan (l4;24;44;54;64;74) åtminstone delvis 'omger resonatorn.

2. En anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att kopplingsslingan (l4;24;44;54;64;74) är så anordnad att azimutalt degenererade moder exciteras och att resonatorn arbetar i multipla moder. 10 15 20 25 30 511 343 2é

3. En anordning enligt patentkrav 1 eller 2, _ k ä n n e t e c k n a d d ä r a v dielektriska materialet består av ett att det icke-linjära ferroelektriskt/antiferroelektriskt material, t ex STO.

4. En anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att resonatorns resonansfrekvens är mellan 0,5-3,0 GHz, företrädesvis mellan 0,2-2,0 GHz.

5. En anordning enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att slinglängden är mindre än ungefàrligen Äfl/8--ko/10, där IQ är våglängden i fria rymden för mikrovàgen.

6. En anordning (l0;20;40;50;70) enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att att kopplingsslingan (l4;24;44;54;74) består av en koaxialledare.

7. En anordning enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att kopplingsslingan (l4;24;44;54;74) utgörs av den centrala ledaren i en koaxialledare och att längden på kopplingsslingan är mycket kortare än våglängden för den exciterade mikrovàgen i fria rymden.

8. En anordning enligt patentkrav l, 6 eller 7, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v 10 15 20 25 30 511 343 :w att kopplingsslingan (l4;24;44;54;64;74) bildar ett antal varv runt resonatorn i radiell led. _

9. En anordning enligt patentkrav 7 eller 8, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att antalet varv runt resonatorn och/eller avståndet(avstánden) från kopplingsslingan till resonatorn ger styrkan på kopplingen och att styrkan på kopplingen således kan styras genom anordnande ' av det lämpliga antalet varv runt resonatorn och/eller varierande av avståndet(avstànden) mellan kopplingsslingan och resonatorn.

10. En anordning (20;50) enligt något av patentkraven 6-8, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att kopplingsslingan (24,54) bildar en halvvarvsslinga runt resonatorn och att kopplingsstyrkan ges av avståndet(avstànden) ifrån resonatorplanet till kopplingsslingan.

11. ll. En anordning enligt något av patentkraven 6-10, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att TM 110-moden för resonatorn exciteras och således är utvald.

12. En anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a V att nära kritisk eller överkritisk koppling àstadkommes.

13. En anordning (10;40;60;70) enligt något av föregående patentkrav, k à n n e t e c k n a d d ä r a v att en ände av kopplingsslingan är ansluten till en av resonatorplattorna, medan den andra resonatorplattan exempelvis är ansluten till jord och att DC-förspänning pålâggs genom nu) 10 15 20 25 30 511 343 Q? kopplingsslingan, således tillhandahållande för elektrisk avstämning av resonatorn. _

14. En anordning (10) enligt patentkrav 13, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att kopplingsslingan (14) bildar åtminstone ett varv runt resonatorn och är ansluten till mittpunkten på exempelvis en cirkulär resonatorplatta och att TM 110-moden exciteras.

15. En anordning enligt patentkrav 10, k ä n n e t e c k n a d d å r a v och att resonatorn består av en att TM 020-moden exciteras halvskivs-resonator.

16. En anordning enligt patentkrav 15, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v ansluten till mittpunkten att kopplingsslingan är längs resonatorns diameter och att en DC-förspänningssignal påläggs genom kopplingsslingan.

17. En anordning (60) enligt något av patentkraven 1-8, k ä n n e t e c k n a d d å r a v att kopplingsslingan (64) består av ett tunnt, exempelvis slätt filmband (68).

18. En anordning enligt patentkrav 17, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att bandet (68) består av ett mönstrat band.

19. En anordning enligt patatentkrav 18, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v 10 15 20 25 30 511 343 m att bandet (68) är så designat att det exciterar azimutalt degenererade moder, att resonatorn således arbetar .i multipla moder.

20. En anordning enligt något av patentkraven 17-19, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att kopplingsstyrkan ges av tjockleken av bandbredden. (lO;20;40;50;60;70)

21. En anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d à r a v substratet består av ett dielektriskt att det dielektriska bulkmaterial.

22. En anordning enligt något av patentkraven 1-21, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att det dielektriska substratet består av en tunn film, exempelvis av ett ferroelektriskt material.

23. En anordning (lO;20;40;50;60;70) enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att resonatorn är en tunn parallellplattsresonator_

24. En anordning enligt patentkrav 23, k ä n n e t e c k n a d d à r a v att supraledande filmer, t ex HTS-filmer, (l2,l2';22,22',...) är anordnade mellan det dielektriska substratet och de ledande plattorna (13,13';23,23',...).

25. En anordning (70) enligt patentkrav 22, 10 15 20 25 511 343 30 -k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att resonatorn är en koplanar resonator. _

26. Ett förfarande för att koppla mikrovàgssignaler in i/ut ur en mikrovàgsanordning som innefattar àtminstone en dielektrisk resonator med ett icke-linjärt dielektriskt substrat som har en hög dielektrisk konstant, innefattande stegen att: - välja ut en resonatormod som skall exciteras, - anordna en kopplingsslinga, sä att den åtminstone delvis omger resonatorn, och vars längd är jämförbar med, eller större än, dimensionerna pà resonatorn pà ett sàdant sätt att de magnetiska stämmer överens med den fältlinjerna runt kopplingsslingan interna fältfördelningen för moden som är vald att exciteras, - koppla en mikrovàgssignal in i/ut ur resonatorn.

27. Ett förfarande enligt patentkrav 26, k á n n e t e c k n a t d à r a v att det dessutom innefattar stegen att: - elektriskt ansluta kopplingsslingan till resonatorn, - tillhandahålla en. elektrisk. signal genonu kopplingsslingan. för elektrisk avstämning av resonatorn.