CN1162849A - 介电集成非辐射介电波导超导带通滤波装置 - Google Patents

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Abstract

一种介电集成NRD波导超导带通滤波器装置，它包括：每两个相邻NRD波导谐振器相互电磁耦合而排成阵列的多个NRD波导谐振器。多个排成阵列的矩形介电波导介于相互平行的上下表面部分之间。上下表面部分和矩形介电波导组合形成在一起，形成矩形介电壳。第一和第二超导电极形成在上下表面部分的外表面上。将第一和第二超导电极之间的间隔设置成等于或小于真空中谐振频率波长的一半，使每一介电波导的外部形成一截止区。

Description

介电集成非辐射介电波导超导带通滤波装置
本发明涉及采用非辐射介电波导(下文中称为“NRD波导”)的介电集成非辐射介电波导超导带通滤波装置。
日本未经审查的专利出版号为3-270401的专利申请中揭示了下面一种结构。当形成NRD波导时，比如用一对平面金属板插入并保持形成在四边形棱镜中介电波导的上部和下部时，使得介电构件与长度方向成直角相交的垂直高度是半个波长或更小，并且边缘在上端部和下端部从一端延伸到另一端，从而形成一个H形截面，并且形成金属膜与包括边缘部分的介电构件的上下端紧密接触，从而形成一介电集成NRD波导(下文中称作为“第一个现有技术例子”)。这样一种介电集成NRD波导的特性是，即使接收到振动和/或碰撞，金属部分和介电构件不会相互分开，并且可以得到稳定的电学特性。
上述专利申请中建议了一种介电负荷波导滤波器或波导耦合的NRD波导，其中在初始级或最后级处的介电谐振器是直接与波导耦合的。在这样一种滤波器结构中，问题在于很难相互独立地调整外部Q和谐振频率。为了解决这一问题，日本未经审查的出版号为63-59001的专利申请中建议了这样一种类型的波导耦合NRD波导滤波器(下文中称作为“第二个现有技术的例子”)，即，NRD波导谐振器和波导是直接耦合的，其中，缓冲介电部分介于NRD波导谐振器和波导的联接部分之中，位于NRD波导谐振器的谐振器形式的介电部分的后面。
NRD波导是用低介电常数材料作为第一个和第二个现有技术例子中使用的NRD波导的介电材料而形成的。但是，如果为了使NRD波导在尺寸上做得较小而采用高介电常数的材料，在现有技术参考文献1(Soube Shinohara等人：“Specification Transmission Characteristic of Nonradiative Dielectric WaveguideUsing High Dielectric-Constant Materials”，Journal of the Institute of Electronics，Information and Communication Engineers of Japan，C-I，Vol.J73-C-I，No.11，pp.716-723，1990年11月)”报告了不能进行单模传输的现象的观察。在现有技术的NRD波导中不能进行单模传输的原因是在NRD波导的介电条和金属板之间出现的在工作中无法避免的很小的缝隙会使单模传输带变窄。为了解决这一问题，在现有技术的参考文献1中建议了一种“陷波隔绝波导(trapped insular guide)”(下文中称为第三个现有技术的例子)，作为用作采用高介电常数材料结构的结构方案。但是第三个现有技术的例子的问题是：结构复杂和制造步骤复杂，从而导致制造成本显著增大。
本发明的目的是提供一种NRD波导带通滤波装置，这种装置解决了上述问题，结构简单、制造方便、尺寸小、重量轻，并且在单一工作模式下工作。
为了实现上述目的，按照本发明的第一个方面，在所提供的介电集成NRD波导超导带通滤波装置中，NRD波导带通滤波装置具有多个两个相邻NRD波导谐振器相互电磁耦合而排列成阵列的NRD波导谐振器，介电集成NRD波导超导带通滤波装置包含：包含一上表面部分和一下表面部分和多个介电波导的矩形筒状介电外壳，其中，多个阵列排列起来的矩形筒状介电波导由相互平行的上表面和下表面支撑，并集成形成上表面和下表面和多个介电部分；形成在上表面部分和下表面部分每一外表面上的第一和第二超导电极，其中，通过将第一和第二超导电极之间的间距设置成是带通滤波装置真空中谐振频率的波长的一半而将每一介电波导的外面部分形成在截止区内。
按照本发明的第二个方面，在按照本发明第一个方面的介电集成非辐射介电波导超导带通滤波装置中，介电壳还包含以上表面部分和下表面部分的两个纵向端的方式形成的两个端面部分，并且带通滤波装置还包含形成在两个端面部分外表面上的第三超导电极或金属电极。
按照本发明的第三个方面，在按照本发明第一个或第二个方面的介电集成NRD波导超导带通滤波装置中，介电壳的上表面部分和下表面部分、两个端面部分之间的连接部分和每一介电波导与上下表面部分之间的连接部分上开有沟槽。
按照本发明的第四个方面，在按照第一、第二或第三个方面的介电集成NRD波导超导带通滤波装置中，带通滤波装置还包含形成在上表面部分外表面上的平面电路。
在结合附图对本发明的作了下述详细描述以后，读者将会清楚地了解本发明的其他目的、方面和新特征。
图1是按照本发明第一个实施例介电集成NRD波导超导带通滤波装置的外部透视图；
图2是按照本发明第二个实施例介电集成NRD波导超导带通滤波装置的外部透视图；
图3是按照本发明第一个修改形式的介电集成NRD波导超导带通滤波装置的外部透视图；
图4是按照本发明第二个修改形式的介电集成NRD波导超导带通滤波装置的外部透视图；
图5是图1所示带通滤波装置的正视图；
图6是图1所示带通滤波装置的平面图；
图7A是按照第一个实施例的带通滤波装置中TE01模矩形波导的传输电磁场分布的纵向截面图，该图是由平行于矩形波导中的传输方向的平面截取的；
图7B是按照第一个实施例的带通滤波装置中TE01模矩形波导的传输电磁场分布的纵向截面图，该图是由垂直于矩形波导中的传输方向的平面截取的；
图7C是按照第二个实施例的带通滤波装置中同轴波导的传输电磁场分布的纵向截面图，该图是由穿越平行于矩形波导中传输方向的轴的平面截取的；
图7D是按照第二个实施例的带通滤波装置中同轴波导的传输电磁场分布的纵向截面图，该图是由垂直于矩形波导中的传输方向的平面截取的；
图8A是按照第一个实施例的带通滤波装置中LSE模矩形波导的传输电场分布的纵向截面图，该图是由平行于矩形波导中的传输方向的平面(图1中的A-A’)截取的；
图8B是按照第一个实施例的带通滤波装置中LSE模矩形波导的传输磁场分布的纵向截面图，该图是由平行于矩形波导中的传输方向的平面(图2中的B-B’)截取的；
图9A是按照第二个实施例的LSE模式中带通滤波装置中的电场分布的纵向截面图，该图是由穿越平行于同轴波导中传输方向的轴的平面截取的；
图9B是按照第二个实施例的LSE模式中带通滤波装置中的磁场分布的纵向截面图，该图是由穿越平行于同轴波导中传输方向的轴的平面截取的；
图10A是描述LSE01模式传输波导的电场分布的透视图；
图10B是描述LSE01模式传输波导的磁场分布的透视图；
图10C是描述LSE01模式传输波导的电流分布的透视图；
图11A是描述用在第一个实施例中LSE01模式谐振器的电场分布的透视图；
图11B是描述LSE01模式谐振器的磁场分布的透视图；
图11C是描述LSE01模式谐振器的电流分布的透视图；
图12A是描述LSE01模式传输波导的电场分布的透视图；
图12B是描述LSE01模式传输波导的磁场分布的透视图；
图12C是描述LSE01模式传输波导的电流分布的透视图；
图13A是描述用在第二个实施例中LSE01模式谐振器的电场分布的透视图；
图13B是LSM01模式的磁场分布的透视图；
图13C是LSM01模式的电流分布的透视图；
图14A是描述TE01模式传输波导的电场分布的透视图；
图14B是描述TE01模式传输波导的磁场分布的透视图；
图14C是描述TE01模式传输波导的电流分布的透视图；
图15A是描述TE11模式传输波导的电场分布的透视图；
图15B是描述TE11模式传输波导的磁场分布的透视图；
图15C是描述TE11模式传输波导的电流分布的透视图；
图16是在低温下具有低损耗特征的陶瓷材料介质损耗角正切的温度特征图；
图17A是描述按照本实施例的超导带通滤波装置中电极形成过程的处理流程的流程图；
图17B是描述按照一比较例子采用微带线谐振器的带通滤波装置中电极形成过程的处理流程的流程图；
图18A是描述微带线谐振器外部的透视图；
图18B是描述NRD波导谐振器外部的透视图；
图19是描述图18A中微带线谐振器和图18B中所示NRD波导中相对于沿宽度方向(图18A中的C-C’和图18B中的D-D’)位置上的电流密度的图；
图20A是描述NRD波导谐振器的电流密度分布的平面图；
图20B是描述TM11波导谐振器的电流密度分布的平面图；
图21是当在LSE模式、LSM模式和TE模式中观察到与介电波导的传输方向呈直角相交的从右到左宽度方向时电磁波衰耗常数的频率特征图；
图22是在LSE模式、LSM模式和TE模式下相位常数的频率特征图；
图23是当在LSE模式、LSM模式和TE模式中观察到与介电波导的传输方向呈直角相交的从右到左宽度方向时电磁波衰耗常数的线宽特征图；
图24是在LSE模式、LSM模式和TE模式下的线宽特征图；
图25是相对于两个阵列排列的介电波导之间间距S的耦合系数的特征图。
下面参照附图描述本发明的较佳实施例。
图1是按照本发明第一个实施例的介电集成NRD波导超导带通滤波装置的透视图。其正视图示于图5中，平面图示于图6中。图1、5和6中，介电壳1由介电材料制成，比如具有高介电常数的陶瓷，如Ba(Sn，Mg，Ta)O3或(Zr，Sn)TiO，其方式是，介电波导21、22、23、24和25中的每一个具有矩形棱镜的形状，这些波导插入在上表面部分1a和下表面部分1b之间，呈面对面的平板形状，具有预定的间距S(间距S不必相等)，每一间距对应于一耦合系数。上表面部分1a和下表面部分1b的纵向端部分处的两个端部分分别由两个端面部分1c和1d连接起来，并且形成形状如口的纵向截面，整个装置呈矩形筒状形状。这里，介电波导21、22、23、24和25排成阵列，其纵方向平行于上表面1a和下表面1b的宽度方向，介电波导21、22、23、24和25中每一个的纵端从上表面部分1a和下表面1b的各个横向边缘分开一预定的距离。介电壳1可以通过焙烧如经加工或注入模制的Ba(Sn，Mg，TA)O3来形成。
形成的平板形超导电极11a和11b通过在上表面部分1a和下表面部分1b的外表面处用蒸发方法紧密接触，电极11a和11b为具有厚度例如为3μm并且是由如YBCO(碳酸镱)的超导厚膜。形成的平板形超导电极11c和11d通过蒸发方法分别两个端面部分1c和1d紧密接触，以便增强机械强度并屏蔽电磁场，电极11c和11d为具有相同厚度和与超导电极11a和11b的材料相同的超导厚膜。这里，作为上平面电极和下平面电极的超导电极1a和1b之间的间距H被设置成是相应滤波装置真空中的半波长或低于中心频率。超导电极11c和11d可以是Au、Cu等一类金属材料制得的电极。
如图8A和8B所示，在端面部分1c的中央部分，以沿端面部分1c和电极11c的厚度方向开孔的方式形成一矩形开孔31h。用法兰31f将矩形波导31和两个侧面部分连接起来，矩形波导31是由形成一E平面的上表面部分31a和下表面部分31b形成的，并且两个侧面部分形成一H平面。同时，在端面部分1d的中央部分，沿端面部分1d和电极11d的厚度方向形成一个矩形开孔(未图示)，并且用一法兰将由形成E平面的上下表面部分形成的矩形波导32和呈H平面的两个侧面连接起来。
图7A描述的是具有TE01模式的矩形波导的传输电磁场。本实施例中，如图8A和8B所示，LSE01模谐振器与TE01模矩形谐振器耦合。这是因为当从端面看时，电磁场矢量与TE01模截面内的电磁场令人满意地重合的缘故。具体说来，电场矢量的横向分量与磁场矢量的纵向分量相交呈直角，而电场矢量的纵向分量与磁场矢量的横向分量相交呈直角。矩形波导电场的方向与谐振器的电场方向重合，而矩形波导的磁场方向与谐振器的磁场方向重合。
本带通滤波装置中，具有LSE01模和预定谐振频率的NRD波导谐振器NR1至NR5是由介入在超导电极1a和1b直角的介电波导21、22、23、24和25形成的，并且形成NRD波导谐振器NR1至NR5作为每一个均具有预定通带的带通滤波器。这里，两个相邻谐振器电磁耦合，而矩形波导31与谐振器NR1在初级处电磁耦合，最后一级处的谐振器NR5与矩形波导32电磁耦合。结果，包含5级串联带通滤波器的带通滤波器装置介于作为输入传输波导的矩形波导31和作为输出传输波导的矩形波导32之间。
介电壳1的上表面1a和下表面1b仅具有支撑其外表面上形成的超导电极11a和11b的作用，但没有形成NRD波导超导带通滤波器装置的功能。所以，与作为上平面电极和下平面电极的超导电极11a和11b之间的间距H相比，形成的上表面部分1a和下表面部分1b的厚度t可以足够薄。结果，可以防止出现这样的现象，即引起构成每一NRD波导带通滤波器的NRD谐振器的谐振模受到干扰，并且无负载Q劣化。
由于两个端面部分11c和11d的主要用途是支撑用来屏蔽电磁场的超导电极11c和11d(或金属电极)，所以，形成的厚度在保持TE01模机械强度的范围内为足够薄。在本实施例中，如图8A和8B所示，形成的矩形波导与LSE01模谐振器的一端耦合。
本实施例中，由于采用了超导电极11a、11b、11c和11d，所以用氮气或类似的气体将该装置的环境温度冷却到低温如77K下，从而超导电极11a、11b、11c和11d在低损耗下运行。
下面参照附图描述本实施例中滤波器装置每一个参数的设置方法。
图21是在LSE模、LSM模和TE模中看介电波导从右至左宽度方向与其传输方向呈直角相交时的衰耗常数的频率特征图。在图21中用来模拟的计算条件设置如下：每一对介电波导21至25之间的间距H为5.0mm，宽度W为2.5mm，并且介电常数εr为24。
图22是LSE模、LSM模和TE模中相位常数的频率特征图。图22中用于模拟的计算条件设置如下：每一对介电波导21至25之间的间距H为5.0mm，宽度W为2.5mm，而介电常数εr为24。
图23在LSE模、LSM模和TE模中观察从右到左宽度方向与介电波导的传输方向呈直角相交时的电磁波衰耗常数的频率特征图。图23中用来模拟的计算条件设置如下：每一对介电波导21至25之间的间距H为5.0mm，频率f0为12GHz，而介电常数εr为24。
图24是LSE模、LSM模和TE模中波导宽度特征图。图24中用来模拟的计算条件设置如下：每一对介电波导21至25之间的间距H为5.0mm，频率f0为12GHz，而介电常数εr为24。
图25是对应于两个阵列排列的介电波导的耦合系数特性图。图25中用来模拟的计算条件设置如下：每一对介电波导之间的间距H为5.0mm，宽度W为2.5mm，而介电常数εr为24。
(1)超导电极11a和11b之间的间距H
将间距H设置成等于或小于本滤波器装置的真空中的谐振波长。通过将间距H设置成这样的限制条件，可以将介电波导之间的间距(即每一对介电波导21到25的外面部分)设置成一截止区。
(2)介电波导21到25的宽度W
介电波导21到25的宽度W决定从与传输方向呈直角相交的从左到右的宽度方向看时波的衰耗常数。例如，在采用具有介电常数εr为24的介电材料构成间距H为5.0mm的波导的情况下，当频率为12GHz、衰耗常数如图23所示并且增大波导的宽度W时，可以使宽度方向的衰耗尖锐。同时，如图21中所示，频率越高，每一模式的衰耗常数就越大。另外，如图24中所示，当决定波导的宽度W增大到一定程度时，每一模式的相位常数到达一饱和状态。
(3)介电波导21到25的长度L
介电波导21到25的长度是根据谐振器NR1到NR5中的每一个谐振器中要设置的谐振频率来决定的。确定谐振频率，从而相对于介电波导21到25的长度L从端面看时，沿从前到后的方向，介电波导21到25大体在半波长度或半波长度的整数倍(包括衰减波)下谐振。
(4)每一对介电波导21到25之间的间距S
每一对介电波导21到25之间的间距S决定两个相邻谐振器之间的耦合系数。如图25中所示，波导的间距S越窄并且截止区中衰耗常数越小，耦合系数就越大。图25中示出在用介电常数εr为24的材料形成间距H为5.0mm而波导宽度W为2.5mm的NRD波导谐振器NR1到NR5时，以波导间距S为变量的耦合系数K的图。从图25可以清楚地看到，当把波导间距S设置成5.0mm时，耦合系数K近似为0.4％。
(5)用介电材料形成的介电壳1中每一部分11a、11b、11c和11d的厚度t
将厚度t设置成保持执行上述功能所需的机械强度。当与间距H相比厚度t厚到一定程度时，截止区中衰耗常数的尖锐性就趋向于减小，而耦合系数K趋向于增大。
如上所述构筑NRD波导谐振器相位常数的频率特征(发散关系)见图22所示。从图22中可以清楚地看到，从低频侧开始，各模式的出现顺序是TE10模(基模)、二次LSE01模和三次LSM01模。LSE01模和LSM01模分别具有截止频率fc1和fc2；但是，在TE10模中，传播是根据直流电流进行的。所以，在第一个实施例中，当例如形成具有LSE01模的谐振器时，可以通过最佳设置截止频率fc1和截止频率fc2之间当前滤波器的中间频率以及通过调整上述参数中的每一个从而抑制除LSE01模以外的寄生模式，来形成具有LSE01模作为主模式的谐振器。同样，在第二个实施例中，当例如形成具有LSM01模的谐振器时，通过将当前滤波器装置的中央频率设置成截止频率fc2或更高以及通过调整上述参数中的每一个从而抑制除LSM01模以外的寄生模，可以形成具有LSM01模作为主模式的谐振器。
下面，将每一传输波导传输模式中的电场分布、磁场分布和电流分布分别示于图10A和10B、图12A、12B和12C以及图14A、14B和14C中。下面描述每一传输波导的传输模式中的电场、磁场和电流分布。
(A1)LSE01模中的传输波导(图10A、10B和10C)
在LSE01模中，电场矢量仅出现在与传播方向平行并且与作为上电极和下电极的超导电极11a和11b垂直的平面中。电流I产生在对应于介电波导26上表面和下表面的电极11a和11b的中央部分，与传播方向平行并且方向对齐。另外，在偏移半个波长的位置处，电流I的前后方向相互交换。这一侧处提供的超导电极11c和11d用来屏蔽电磁场，并且大体上传输电流I不流经这些电极11c和11d。
(A2)LSM01模中的传输波导(图12A、12B和12C)
在LSM01模中，磁场仅出现在与传播方向平行并且与作为上下电极的超导电极11a和11b垂直的平面内。电流I产生在介电波导27上下表面上电极11a和11b的中央部分，与传播方向平行并且与该方向对齐。另外在偏移半个波长的位置处，电流从右到左的方向互换。该侧上提供的超导电极11c和11d用来屏蔽电磁场，并且大体上传输电流I不流过这些电极11c和11d。
(A3)TE01模中的传输波导(图14A、14B和14C)
在TE10模中，电场矢量仅出现在与传播方向垂直的平面内。电流I从上表面上超导电极11a的中央部分(波导28的)径向流出，通过该侧上的超导电极11c和11d流向下表面上电极11b中央部分。另外，在偏移半个波长的位置处，上下表面上超导电极11a和11b的电流I的方向互换。所以，在产生传输电流I时，该侧上电极11c和11d起着必不可少的作用。
另外，图11A、11B和11C、图13A、13B和13C以及图15A、15B和15C分别描述了每一半波长谐振器的介电波导中的电场分布、磁场分布和电流分布，图中，每一传输模式的介电波导被截成长度无限并且从前到后的区域为截止区。但是，用在第一个实施例中的LSE01模和用在第二个实施例中的LSM01模在开路条件下的半波长度处谐振，而TE10模在短路条件下的半波长度处谐振。通常，这样一种谐振器结构称作为TM11模，这时，将高度方向视为传输方向。
(B1)LSE01模谐振器(图11A、11B和11C)
在第一个实施例中使用的LSE01模中，电磁场能量集中在介电波导20a内，介电波导20a周围的外部为截止区；所以能量限制特征极好。电流I产生在作为介电波导20a上下表面的超导电极11a和11b的(每一波导)中央部分。上下表面上超导电极11a和11b的电流I的方向与某一平面对称但不相互相交的方向相同。侧面上提供的电极11c和11d用来屏蔽电磁场，并且大部分传输电流I不流过侧面上的电极11c和11d。
(B2)LSM01模谐振器(图13A、13B和13C)
第二个实施例中使用的LSM01模是比LSE10次数更高的模，而且谐振器以与LSE01模在高于截止频率的频率下谐振相同的方式运行。具体说来，电磁场能量集中在介电波导20b内，介电波导20b周围的外部为截止区；所以，能量谐振特性极好。电流I产生在作为介电波导20a的超导电极11a和11b的中央部分。上下表面上超导电极11a和11b的电流I的方向与某一平面对称但不相互相交的方向相同。侧面上提供的电极11c和11d用来屏蔽电磁场，并且大部分传输电流I不流过侧面上的电极11c和11d。
(B3)TM11模谐振器(图15A、15B和15C)
在TM11模中，集中的电场矢量平行于介电波导28的高度方向。电流I从上表面的电极11a的中央部分径向流出，并通过侧面上的电极11c和11d流向下表面上电极11b的中央部分。另外，在半个周期以外的位置处，电流I的方向互换。所以，侧面上的电极11a和11b在产生电流I流动时起着必不可少的作用。
在第一个实施例中，带通滤波器装置是用上述LSE01模谐振器形成的，而在第二个实施例中，带通滤波器是用上述LSM01模谐振器形成的。关于本说明书中LSE模式和LSM模式中模式注释的约定，第一个下标表示宽度方向上的节点数，而第二个下标表示高度方向上的节点数。
图2是按照本发明第二个实施例的介电集成NRD波导超导带通滤波器装置外部的透视图。第二个实施例与第一个实施例的不同点在于提供的同轴连接器41和42用作输入端/输出终端，并且同轴波导43用作传输波导。下面描述这些不同点。
如图2所示，在侧面上端面部分1c的中央部分，形成圆形孔41h，以形成沿端面部分1c和电极11c厚度方向上的开孔。用同轴连接器41的环41f将具有中央导体41c的同轴连接器41插入到孔41h内。同轴插头43p附装在包含中央导体43a和接地导体43b的同轴波导43的端部，并且同轴插头43p插入到同轴连接器41内，从而同轴波导43连接到同轴连接器41上。这里，同轴波导的中央导体43a连接到同轴连接器41的中央导体41c上，而同轴波导43的接地导体43b通过同轴连接器41的环41f连接到电极11c上。同时，在侧面上端面部分1d的中央部分，形成圆形孔(未图示)，从而沿端面部分1d的厚度方向和电极11d形成开孔，同轴连接器42插入到孔内，并且同轴波导(未图示)与同轴连接器42相连。
同轴波导43中的传输电磁场分布如图7B中所示。同轴波导43通过图9A和9B中所示的同轴连接器41在初级处与LSM01模谐振器NR1相连。以类似的方式，在初级处的LSM01模谐振器NR5通过同轴连接器与同轴波导电磁耦合。即，LSM模谐振器与具有TEM传输模的同轴波导耦合。这是因为当从端面方向观察LSM01模谐振器时，电磁场矢量与TEM模中的截面内的电磁场满意重合。更具体地说，同轴波导43的电场矢量具有径向扩展的径向矢量分量，磁场矢量具有沿同轴旋转方向的分量，并且它们相互直角相交。如上所述，由于LSM01模的电磁场矢量的形状与传输模电磁场矢量的截面形状类似，所以形成作为输入/输出结构的易于连接的结构。
图3是按照本发明第一个修改形式介电集成NRD波导超导带通滤波器装置的外部透视图。在第一个修改形式中，与第一个实施例相比，上表面部分1a和端面部分1c和1d之间的连接部分以及下表面部分1b和端面部分1c和1d之间的连接部分形成一个沟槽，从而形成一个斜坡。同时在一个侧面上介电波导21、22、23、24和25之间的连接部分3以及另一侧上表面1a和下表面1b上形成沟槽，从而从介电波导21、22、23、24和25的侧面到下表面1b的上表面1a和下表面1b形成一曲线。结果，当在介电材料中产生应力时可以防止出现断裂，同时还可以增大材料强度。在出现尖锐的局部温度变化时，例如，当电极如薄膜形式而温度的升高有不匀分布时，引起一部分电极的膨胀，或者，当超导滤波器冷却到约77K时，温度的降低有不均分布时，引起一部分超导滤波器的收缩。这些都是在介电材料中出现应力的某些因素。以上述方式形成介电集成类型的超导带通滤波器装置，当这种装置从室温(约300K)冷却到氮温度(约77K)从而在低温下运行时，可以进行稳定的运行。
可以在上述第一个修改形式中进行开槽，形成一个坡度或平面。
第一个和第二个实施例滤波器装置的运行如下所述。
(1)该滤波器用作微波和毫米波带中的带通滤波器。
(2)超导电极在低温下以低损耗运行。
(3)具有预定尺寸的NRD波导在半波波长的整数倍下谐振，并且周围区域为截止区。
(4)谐振电流集中在NRD波导上下表面上的电极11a和11b内，并且不出现流向电极边缘部分的电流。
(5)这样的滤波器相对于两个独立的模式LSE和LSM来说有相同的效果和优点。
第一个和第二个实施例的效果和优点详述如下。
(1)高可靠性
陶瓷材料的线性膨胀系数示于表1中，金属材料的线性膨胀系数示于表2中。表1
陶瓷材料的线性膨胀系数
陶瓷材料           介电常数εr      线性膨胀系数ppm/K
(Zr，Sn)TiO4          38                 6到7
Ba(Sn，Mg，Ta)O3      24                 10.7表2
金属材料的线性膨胀系数(摘录自Japanese National Astronomical Observatory编著的“Science Chronological Table”(1995)
金属材料      100K        293K
铜            10.3        16.5
黄铜           -          17.5
不锈钢        11.4        14.7
从表1和表2中可以清楚地看到，陶瓷材料，比如(Zr，Sn)TiO4或Ba(Sn，Mg，Ta)O3，所具有的线性膨胀系数大体上比金属材料的膨胀系数要小。另外，由于每一部分是整体形成在由陶瓷材料制成的介电壳中的，所以，本介电壳1的线性膨胀系数是常数，并且当滤波器装置被冷却时，它进行类似的变形。所以，即使该装置在低温下运行，由于内部应力小而滤波器装置的电运行的可靠性高，所以陶瓷之类的材料中不会发生断裂的现象。
(2)低损耗特征
关于介电壳1的材料，采用的是在低温下具有低损耗的材料，比如Ba(Sn，Mg，Ta)O3或(Zr，Sn)TiO4。所以，当形成超导带通滤波器装置时，超导电极的低损耗特性可以有效地用来决定滤波器的性能。具体说来，采用YBCO时，在10GHz和50K下，表面阻抗值近似为10mΩ。一个例子中的介电材料电特性值如下所述。
(2A)Ba(Sn，Mg，Ta)O3：εr＝24，tanδ＝0.114×10-4(在10GHz频率和77K的温度下)
(2B)(Zr，Sn)TiO4：εr＝38，tanδ＝0.525×10-4(在10GHz频率和77K的温度下)
另外，上述两种介电材料的介电损耗正切的温度特性示于图16中。从图16中可以看出，在相当低的温度下，介电损耗正切很小。
(3)处理容易
例如，如图17B所示，在如图18A所示比较例子的微带线谐振器的情况下，需要从步骤S11到S16六个处理步骤。另一方面，对于该实施例的超导电极，需要形成本装置的至少一个上下电极11a和11b；所以，如图17A所示，在平面上可以仅采用单一薄膜形成过程中的一个步骤S1。另外，由于不需要进行精细图案处理，处理精度不会有问题，并且处理精度的可靠性高。
(4)电阻率
图19是相对于沿图18A中所示比较例子微带线谐振器和图18B中所示实施例的NRD波导谐振器的宽度方向的位置的电流密度图。从图19中可以清楚地看到，在该比较例子中，由于在边缘部分52a和52b中的边缘效应而出现电流的异常发散，所以当使用超导电极时边缘部分中的超导状态被破坏；然而，在该实施例中，却没有由于边缘效应而出现在电极边缘部分处的异常电流集中。所以，即使一大功率在超导电极的临界电流密度(Jc)处或者较低处输入到超导带通滤波器装置，该滤波器装置也能够运行，因而可以容易地与大功率配合。
(5)低失真特性
如上所述，因为没有由于边缘效应而出现在电极边缘部分中的异常电流集中，所以电功率的线性得以改进，例如互调制失真变小。
(6)小尺寸结构性
从描述相对于电流幅度最大值的电流幅度的相对电平的图20A和20B可以清楚地看到，在本实施例的NRD波导谐振器中，与比较例子的TM11模谐振器相比，能量集中在介电波导内，并且在周围截止区内衰耗很快。所以，可以将谐振器之间的耦合系数K设置成小于TM模谐振器的耦合系数，并且，滤波器装置与TM模谐振器相比，可以做成尺寸小、重量轻。
(7)薄形结构性
带通滤波器装置的插入损耗几乎反比与上下平面电极11a和11b之间的间隔H；但是，通过用超导来形成平面电极，可以进行薄形设计。
(8)具有平面电路的混合结构
如图4中第二个修改形式所示的那样，超导电极11a和11b的表面可以公共用作其他平面电路的接地电极。所以，可以在滤波器装置的表面上形成高频信号处理电路模块，例如，振荡电路、变频电路、乘法电路或放大电路。在图4所示的例子中，在超导电极11a上形成介电层4以后，在该介电层上形成图案电极5和终端电极6。
尽管上述实施例中描述的是一个具有五级结构的带通滤波器装置，但本发明并非仅限于该例子，还可以是具有至少一个级的带通滤波器装置。
尽管上述实施例描述的是超导电极11c和11d是形成在侧面上或者是形成在端面上的，但本发明并非仅限于该例子，也可以不形成这些电极。
采用第一个实施例的LSE01模谐振器的超导带通滤波器装置的实施例中的参数如下所述。
(a)滤波器的级数：5
(b)中心频率：12GHz
(c)设计带宽：24MHz
(d)扰动：0.01dB
(e)工作温度：77K
(f)介电材料的介电常数：24
(g)超导电极之间的间隔：5.0mm
(h)介电波导的宽度：2.5mm
(i)介电波导之间的间隔S：6.0mm
(j)介电波导的长度：4.2mm
(k)滤波器外部尺寸＝高：7.0mm；宽度：60.0mm；深度：15.0mm
本发明的发明人通过如上所述的设置实现了第一个实施例的带通滤波装置。
本实施例中，介电波导的宽度W、间隔S和长度L是固定值；但是，不用说，为了调整特性，本实施例可以通过调整各个尺寸来实施。
正如已经详细描述的那样，按照本发明第一个方面的介电集成NRD波导长度带通滤波器装置是一个具有每两个相邻NRD波导谐振器电磁相互连接而排成阵列的多个NRD波导谐振器的NRD波导带通滤波器装置，介电集成NRD波导超导带通滤波器装置包含：包括上表面和下表面的矩形筒状形介电壳，和多个介电波导，波导中，多个呈阵列排列的矩形筒状介电波导介于互相平行的上表面和下表面之间，并且上下表面部分以及多个介电波导组合形成在一起；形成在上表面部分和下表面部分的每一外表面上的第一和第二超导电极，其中，通过将第一和第二超导电极之间的间隔设置成等于或小于带通滤波器装置真空中谐振频率的波长的一半，使每一介电波导的外面部分形成在截止区内。所以，可以提供一种NRD波导带通滤波器装置，这种装置结构简单、制造容易，并且尺寸小、重量轻，并且在单一工作模式下工作。作为本发明特性的优点详细描述如下。
(1)高可靠性
从表1和表2可以清楚地看到，陶瓷材料，比如(Zr，Sn)TiO4或Ba(Sn，Mg，Ta)O3，具有大体小于金属材料的线性膨胀系数。另外，因为每一部分是组合形成在由陶瓷材料制成的介电壳1内的，所以本介电壳1的线性膨胀系数是常数，而且当使滤波器装置冷却时，其作相似的变形。所以，即使滤波器装置在低温下工作，由于内部应力小，滤波器装置的电运行可靠性也高，并且不会出现陶瓷材料断裂等类似的问题。
(2)低损耗特性
关于介电壳1的材料，采用在低温下具有低损耗的介电材料，比如Ba(Sn，Mg，Ta)O3或(Zr，Sn)TiO4。所以，当形成超导带通滤波器装置时，超导电极的低损耗特性可以用来有效地决定滤波器的性能。具体说来，当采用YBCO时，在10GHz和50K下，表面阻抗值近似为10mΩ。
(3)处理容易
例如，在比较例子的微带线谐振器的情况下，如图17B所示，需要从S11到S16的6个步骤。另一方面，对于本实施例的超导电极，需要形成本装置的至少上下电极11a和11b；所以，如图17A所示，可以在平面上仅用单一薄膜形成处理的一个步骤S1。另外，因为不需要精细图案处理，所以处理精度不成问题，并且处理精度的可靠性高。
(4)电阻率
从图19可以清楚地看到，在比较例子的微带线谐振器中，由于边缘部分52a和52b的边缘效应而出现电路的异常发散；然而，在本实施例中，却没有由于边缘效应而出现的集中在电极边缘部分的异常电流。所以，即使在临界电流密度(Jc)处或更低处向超导带通滤波器装置输入大功率，超导电极的滤波器装置也能够运行，并且因此它能够容易地与大功率配合。
(5)低失真特性
如上所述，因为没有由于边缘效应而集中在电极边缘部分的异常电流，所以电功率的线性得到改善，例如，互调制失真变小。
(6)小尺寸结构性
从描述相对于电流幅度最大值的电流幅度相对电平的图20A和20B可以清楚地看到，在本发明的NRD波导谐振器中，与比较例子的TM11模谐振器相比，能量集中在的介电波导内，并且在周围截止区中衰耗快。所以，可以将谐振器之间的耦合系数设置成小于TM模谐振器的耦合系数，而且滤波器装置可以做成比TM模谐振器尺寸小、重量轻。
(7)薄形结构性
带通滤波器装置的插入损耗几乎反比与上下电极11a和11b之间的间隔H；然而，采用超导来形成平面电极，可以实现薄形设计。
按照本发明第二个方面的介电集成NRD波导超导带通滤波器装置，在按照本发明第一个方面的介电集成NRD波导超导带通滤波器装置中，介电壳还包含通过连接上表面部分和下表面部分的两个纵端而形成的两个端面部分，并且带通滤波器装置还包含在两个端面部分的外表面上形成的第三超导电极或金属电极。所以，由于本带通滤波器装置的内部可以与外部电磁屏蔽开，所以可以防止来自外界的干扰和扰动波，并且因此带通滤波器装置运行稳定。
另外，按照本发明第三个方面的介电集成NRD波导超导带通滤波器装置，在按照本发明第一个或第二个方面的介电集成NRD波导超导带通滤波器装置中，介电壳的上表面部分和下表面部分、两个端面部分之间的连接部分以及每一介电波导与上下表面之间的连接部分上开有沟槽。结果，当介电材料中出现应力时可以防止出现断裂，并且机械强度增强。在有急剧的、局部温度变化的情况下，例如，当以薄膜形式形成一电极时，而温度的上升分布不匀，从而引起部分电极的膨胀，或者当超导滤波器冷却到约77K时，而温度的下降分布不匀，从而引起部分超导滤波器的收缩，这些都是在介电材料内部形成应力的因素。以上述方式形成介电集成类型的超导带通滤波器装置时，使得当装置从室温(约300K)冷却到氮温度(约77K)进行低温操作时，可以进行稳定运行。
另外，按照本发明第四个方面的介电集成NRD波导超导带通滤波器装置，在按照本发明第一、第二或第三个方面的介电集成NRD波导超导带通滤波器装置中，带通滤波器装置还包含在上表面部分的外表面上形成的平面电路。所以，用于高频信号处理的平面电路模块可以形成在滤波器装置的表面上，并且形成的整个装置可以是尺寸小并且重量轻。
在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构筑本发明的许多其他实施例。应当理解的是，本发明并非仅限于本说明书中描述的特定实施例。相反，本发明应当被理解成覆盖后文权利要求书中请求的发明精神和范围内所包括的各种修改形式和等效结构。应当从最宽的范围来理解包含所有修改的等效结构和功能的权利要求的范围。

Claims (4)

1.一种具有每两个相邻介电集成非辐射介电波导谐振器相互电磁耦合而排成的多个NRD波导谐振器的介电集成非辐射介电波导超导带通滤波器装置，其特征在于，所述介电集成NRD波导超导带通滤波器装置包含：
包含上表面部分和下表面部分的矩形筒状介电壳；和多个介电波导，所述波导中，多个排成阵列的矩形筒状介电波导介于相互平行的上表面部分和下表面部分之间，并且上表面部分和下表面部分以及多个介电波导是组合形成的；以及
在上表面部分和下表面部分的外表面上形成的第一超导电极和第二超导电极，其中，通过将所述第一超导电极和第二超导电极之间的间隔设置成等于或小于所述带通滤波器装置的真空中谐振频率的半个波长，将所述每一介电波导的外部形成在截止区内。
2.如权利要求1所述的介电集成NRD波导超导带通滤波器装置，其特征在于，所述介电壳还包含通过连接上表面部分和下表面部分的两个纵端而形成的两个端面部分，并且所述带通滤波器装置还包含在所述端面部分的外表面上形成的第三超导电极或金属电极。
3.如权利要求1和2所述的介电集成NRD波导超导带通滤波器装置，其特征在于，所述介电壳的上表面部分和下表面部分、所述两个端面部分之间的连接部分和所述每一介电波导和所述上下表面部分之间的连接部分构筑有沟槽。
4.如权利要求1至3中任何一个权利要求所述的介电集成NRD波导超导带通滤波器装置，其特征在于，所述带通滤波器装置还包含有所述上表面部分的外表面上形成的平面电路。
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