CN1188927C - 高频电路元件 - Google Patents
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Abstract
提供一种不会导致损失增加或阻抗不均匀而能实现大的输入输出耦合度的高频电路元件。在由介质单晶等构成的基板(1)上形成由导体膜构成的圆形共振器(2)。在基板(1)的与形成共振器(2)的面为相同的面上,形成由导体膜构成的线路宽度一样的输入输出线路(3)。输入输出线路(3)的侧端的一部分通过共振器(2)的外周上的耦合部分(4)和间隙部(5),沿共振器(2)的外周部分配置。
Description
技术领域
本发明涉及通信系统等高频信号处理装置中使用的以共振器、滤波器等为主的高频电路元件。
背景技术
在高频通信系统中,以共振器、滤波器等为主的高频电路元件是不可缺少的主要元件。作为目前使用的共振器、滤波器等高频电路元件,主要是使用介质共振器的元件、使用传输线路结构(微波传输带结构或带式线路结构)的元件、使用表面弹性波元件的元件等。其中,使用传输线路结构的元件能适用于小型、微波、直至纳米波区域的高频,另外,由于是在基板上形成的二维结构,容易与其它电路或元件组合,所以被广泛利用。迄今,作为这种类型的共振器,最一般的是利用由传输线路构成的1/2波长共振器,另外,通过将多个该1/2波长共振器结合起来,构成滤波器等高频电路元件(参见东京电机大学出版局出版的《详解 例题·练习 微波电路》)。
另外,作为传输线路结构的其它现有例,有采用平面电路结构的传输线路。作为其代表例,有通过使用圆板型共振器构成各种高频电路(《电子通信学会论文集》72/8 Vol.55-B No.8《微波平面电路的分析处理(Analysis of Microwave Planar Circuit)》三好旦六、大越孝敬)。
可是,在1/2波长共振器等传输线路结构的共振器中,由于导体中的高频电流集中在局部,所以,由导体的电阻产生的损失较大,导致共振器的Q值劣化,在构成滤波器时导致损失的增加。另外,在使用通常广泛利用的微波传输带结构的1/2波长共振器的情况下,还存在从电路向空间辐射所产生的损失的影响问题。
另外,作为平面电路结构的共振器,在采用圆形的共振器等的情况下,在输入输出线路和共振器的结合部分难以获得能满足滤波器设计参数程度的大的结合度。作为获得大的输入输出结合度用的方法,提出了以下的技术(图12、图13)。即,如图12所示,在共振器30的一个部位形成切口30a,输入输出线路31的前端部分被插入该切口30a中。因此,耦合电容增大,能增加输入输出耦合度(T.Hayashi等著《电子学快报》(Electronics Letters)、Vol.30、No.17、pp.1424)。另外,如图13所示,输入输出线路31的前端部分31a的线路宽度被扩大,线路宽度被扩大了的前端部分31a被配置成与共振器30的外周部分相对的状态。因此,耦合电容增大,能增加输入输出耦合度。
可是,即使在这些方法中,输入输出耦合度的增加也有限度。另外,在前一种方法(图12)的情况下,由于在共振器30的一个部位形成切口30a,所以,在该部分产生电流集中,成为损失增大的原因。另外,在后一种方法(图13)的情况下,由于输入输出线路31的前端部分31a的线路宽度增加,所以,引起阻抗不均匀,如果前端部分的线路宽度过宽,输入输出耦合度反而减小。
发明内容
本发明就是为了解决现有技术中的上述课题而完成的,目的在于提供一种不会导致损失增加或阻抗不均匀的、能实现输入输出耦合度大的高频电路元件。
为了达到上述目的,本发明一种高频电路元件,包括:电介质基板;共振器,由导电薄膜制成,形成在电介质基板的表面上;输入输出线路,形成在上述电介质基板的上述表面上;和接地平面,形成在上述电介质基板的背面上;其中上述共振器是圆形或椭圆形的实心盘共振器;上述输入输出线路由具有均一宽度线路形成;上述输入输出线路的一端是开路的;高频信号从上述输入输出线路的另一端输入;输入输出线路的一端由位于共振器的弧形外周部分并从共振器的弧形外周部分隔离开一个空隙部分的弧形线路形成;和输入输出线路的另一端在弧形线路的切线方向上伸展。
如果采用该高频电路元件的结构,则由于将输入输出电路的侧端的一部分通过共振器的外周部分的耦合部分和间隙部分,沿着共振器的外周部分配置,所以能进行分布耦合。结果,不会象现有的高频电路元件那样在耦合部分改变共振器的外周形状或输入输出线路宽度,即能实现不会导致损失增加或阻抗不均匀的大的输入输出耦合度。
在上述本发明的高频电路元件的结构中,输入输出线路最好实际上具有相同的宽度。
在上述本发明的高频电路元件的结构中,作为平面电路结构的共振器,可以采用圆形的共振器、多边形的共振器等任意形状的共振器。
另外,在上述本发明的高频电路元件的结构中,由从共振器的中心看到的角度规定耦合部分的长度,上述角度最好设定在5~30°的范围。
另外,在上述本发明的高频电路元件的结构中,间隙部分的间隙最好设定在10~500μm的范围。
上述本发明的高频电路元件最好具有微波传输带结构或带状线路结构。微波传输带结构简单,而且与其它电路的耦合性好。带状线路结构由于辐射损失极小,所以能实现损失小的高频电路元件。
另外,在上述本发明的高频电路元件的结构中,作为平面电路结构的共振器,可以采用椭圆形的共振器,而且对上述共振器耦合两个输入输出线路,其耦合部分是上述共振器的外周和长轴及短轴的交点附近,从上述共振器的中心看最好设在大致相差90°的不同的位置。如果采用该优选例,则能作为带通滤波器工作。这可以认为是,通过利用椭圆形状的共振器的两个共振方式之间的耦合,能作为两级共振器耦合型滤波器工作。
另外,在上述本发明的高频电路元件的结构中,作为共振器的材料最好采用超导体。如果采用该优选例,则能实现损失小且耐电力特性好的高频电路元件。
附图说明
图1是本发明的高频电路元件的第一实施例的平面图。
图2是图1中的II-II剖面图。
图3是本发明的第一实施例的高频电路元件的反射特性图。
图4是本发明的高频电路元件的第一实施例的另一结构的平面图。
图5是本发明的第一实施例的高频电路元件的另一结构的反射特性图。
图6是本发明的第一实施例的高频电路元件的另一结构的耦合部分的长度和输入输出耦合度的关系图。
图7是本发明的第一实施例的高频电路元件的另一结构的平面图。
图8是本发明的高频电路元件的第二实施例的平面图。
图9是本发明的第二实施例的高频电路元件的输入输出特性图。
图10是本发明的第二实施例的高频电路元件的插入损失与输入功率的依赖特性图。
图11是具有本发明的带状线路结构的高频电路元件的剖面图。
图12是现有技术中的高频电路元件的一例的平面图。
图13是现有技术中的高频电路元件的另一例的平面图。
图14是高频电路元件的耦合部分长度和输入输出耦合度的关系的比较例图。
具体实施方式
以下,利用实施例更具体地说明本发明。
<第一实施例>
图1是本发明的高频电路元件的第一实施例的平面图。图2是图1中的II-II剖面图。如图1、图2所示,采用例如真空蒸镀法和刻蚀等方法,在由介质单晶等构成的基板1的中央形成由导体膜构成的圆形共振器2。另外,采用例如真空蒸镀法和刻蚀等方法,在与构成共振器2的面相同的面上形成由导体膜构成的输入输出线路3。这里,输入输出线路3具有侧边,其线路宽度是一样的。并且,输入输出线路3的侧边的一部分通过共振器2的外周部分的耦合部分4和间隙部5沿共振器2的外周部分配置。另外,采用例如真空蒸镀法和刻蚀等方法,在基板1的背面的全部表面上形成由导体膜构成的接地平面6。因此,能实现具有微波传输带结构的高频电路元件。
作为导体膜的材料,可以采用以YBa2Cu3Ox等钇(Y)系列、Bi2Sr2Ca2Cu3Ox等铋(Bi)系列、Tl2Ba2CaCu2Ox等铊(Tl)系列等为代表的高温氧化物超导体、Nb等金属超导体、以及金、铜等金属。
如果从具有以上结构的高频电路元件的输入输出线路3的端子部分7输入高频信号,则该高频信号在耦合部分4与共振器2耦合,引起共振。这时,如图3所示,能获得共振器2的共振频率吸收大的共振电路特有的特性。
在图12、图13所示的现有的高频电路元件中,只利用了由耦合部分32的电容产生的电容性耦合的效果,但在本实施例的高频电路元件中,还增加了由磁场产生的分布耦合的效果,与现有的高频电路元件相比,能获得较大的耦合度。即,如本实施例所示,由于通过共振器2的外周上的耦合部分4和间隙部5,将输入输出线路3的侧端的一部分沿共振器2的外周部分配置,所以能进行分布耦合。结果,不象图12、图13所示的现有的高频电路元件那样在耦合部分4改变共振器2的外周形状和输入输出线路3的宽度,即不会导致损失增加或阻抗不均匀,而能实现大的输入输出耦合度。
以下,举出本实施形态的具体例,进一步详细说明本发明。
图4是本发明的高频电路元件的第一实施例的另一结构的平面图。如图4所示,在厚度为0.5mm的由氧化镧铝(LaAlO3)单晶构成的基板1的中央形成厚度为0.7μm的、由铊系列高温氧化物超导体构成的圆形共振器2。这里,共振器2的半径为9.35mm。另外,与在基板1上形成共振器2的面为相同的面上形成厚度为0.7μm、线路宽度为0.175mm的、由相同的铊系列高温氧化物超导体构成的输入输出线路3。输入输出线路3的侧端的一部分通过共振器2的外周上的耦合部分4和间隙部5沿共振器2的外周部分配置。这里,间隙部5的间隔为20μm。另外,耦合部分4的长度用从共振器2的中心所看到的角度θ表示。另外,在基板1的背面的全部表面上形成厚度为0.7μm的、由相同的铊系列高温氧化物超导体构成的接地平面(图中未示出)。
图5表示θ=10°时的反射特性。如图5所示可知,能获得共振器2的共振频率吸收大的共振电路特有的特性。
图6表示使θ变化时的输入输出耦合度的变化。由于共振电路的外部Q越小,输入输出耦合度变得越大,所以,这里用共振电路的外部Q表示输入输出耦合度。如图6所示,θ=20°时,能获得约120的外部Q,即使再增加到θ=30°左右,可知输入输出耦合度也增加。为了比较,在图14中示出了图13所示的现有高频电路元件中的输入输出耦合度的变化。这里,输入输出线路31的前端部的开口角度用从圆板共振器30的中心所看到的角度φ表示。另外,输入输出线路31的前端部和圆板共振器30之间的间隙部的间隙与图4相同,被设定为20μm。另外,输入输出耦合部以外的结构与图4相同。如图14所示,在图13所示的现有的高频电路元件中,如果增大角度φ,则在20°附近能获得最大的输入输出耦合度(外部Q约为450)。而且,如果将φ增大到该界限以上,外部Q反而变大。即,如果使角度φ大于20°,则输入输出耦合度变小。这样由于将角度φ增大时,输入输出耦合度变小,所以,如果输入输出线路31的前端部的线路宽度变大,则输入输出线路31的特性阻抗急剧变化,因此,可以认为是由输入输出信号反射造成的。因此,如果在相同的条件下进行比较,则在本实施例的高频电路元件的结构中,可以使外部Q下降到100左右,但在图13所示的现有的高频电路元件的结构中,不可能获得外部Q在450以下的大的输入输出耦合度。
如上所述,如果采用本实施例中的高频电路元件的结构,则能获得用现有的结构不可能实现的大的输入输出耦合度。一般说来,共振器耦合型的高频滤波器要求较大的输入输出耦合度,所以本实施例的结构非常有效。
另外,在本实施例中,作为平面结构的共振器,举例说明了使用圆形的共振器2的情况,但本发明不一定限于这种结构。作为平面结构的共振器,除了圆形的共振器以外,还可以采用例如以图7(a)所示的椭圆形的共振器、或图7(b)所示的多边形的共振器为主的任意形状的共振器。由于与上述的理由同样的理由,使用这样的形状的共振器的高频电路元件也同样有效。
另外,在本实施例中,举例说明了由一个共振器2和一个输入输出线路3构成的高频电路元件,但本发明不一定限于这种结构。例如,即使在使用了多个共振器和多条输入输出线路的多级滤波器等高频电路元件、或在其一部分中包括共振器和输入输出线路的高频电路元件的情况下,也能应用本发明,同样能发挥其有效性。
<第二实施例>
图8是本发明的高频电路元件的第二实施例的平面图。如图8所示,采用例如真空蒸镀法和刻蚀等方法,在由介质单晶等构成的基板8的中央形成由导体膜构成的椭圆形共振器9。椭圆形共振器9的长轴12及短轴13的长度分别被设定为19.07mm、18.93mm。另外,采用例如真空蒸镀法和刻蚀等方法,在基板8上与形成的共振器9的面为同一面上形成由导体膜构成的输入输出线路10a、10b。这里,输入输出线路10a、10b具有侧端,其线路宽度是一样的。并且,输入输出线路10a、10b的侧端的一部分分别通过共振器9的外周上的耦合部分11a、11b和间隙部14a、14b,沿共振器9的外周部分配置。这时,耦合部分11a、11b被设在共振器9的轮廓和长轴12及短轴13的交点附近、从共振器9的中心看位于相差90°不同的位置。另外,耦合部分11a、11b的长度都被设定为从共振器9的中心看相当于角度18°的长度。另外,采用例如真空蒸镀法和刻蚀等方法,在基板8的背面的全部表面上形成由导体膜构成的接地平面(图中未示出)。因此,能实现具有微波传输带结构的高频电路元件。
图9表示具有以上结构的高频电路元件的输入输出特性。如图9所示,该元件在1.9GHz附近能获得平坦的透射特性,可知能作为带通滤波器工作。它表示通过利用椭圆形的共振器的两个共振方式之间的耦合,能作为两级共振器耦合型滤波器进行工作。该型式的滤波器由于椭圆形的共振器的外周部分非常滑,共振器内的电流集中的影响小,所以,作为共振器的材料,在采用通常的金属的情况下,也比现有的结构的损失小。
图10表示具有上述结构的高频电路元件的通带的插入损失与输入功率的依赖关系。测定时使用了惠普(Hewlett Packard)公司制的HP85108A脉冲式RF网络分析系统。这时,使用脉宽为2微秒的脉冲状的功率信号进行了测定,以便使元件部分不受信号输入输出用电缆等的发热的影响。测定温度为-253℃(20K)。由图10可知,对直至+50dBm(100W)的输入功率,没有确认插入损失的明显变化。在现有结构的超导体滤波器中,对于顶多达数十mW(约+15dBm)左右值的输入信号,超导性就会被破坏,从而不可能工作,可知本高频电路元件的耐电力性能极好。这是因为,本高频电路元件能将输入输出线路部分及共振器部分的电流集中抑制得非常小,以及元件总体损失非常小,因此,与损失相伴随的发热的影响极小等等,明确地表示本高频电路元件的有效性。
另一方面,在将图13所示的现有的输入输出耦合结构用于本实施例的高频电路元件的耦合部分的情况下,不能获得必要的输入输出耦合度(外部Q=约130),所以,不能获得图9所示的输入输出特性。这一点通过图6和图4的比较就能容易理解。另外,在采用图12所示的现有的输入输出耦合结构的情况下,由于共振器的外周部分急剧变化,所以,在共振器内产生电流的局部集中,成为损失增大的原因。
从以上结果可知,图8所示的本实施例的高频电路元件的结构非常有效。
另外,在上述实施例中,虽然举例说明了具有微波传输带结构的高频电路元件,但本发明并非只能适用于具有这种结构的高频电路元件。例如,即使对于具有图11所示的带状线路结构的高频电路元件,本发明的结构也是有效的。在图11中,15a、15b表示基板,16表示共振器,17a、17b表示接地平面。带状线路结构与微波传输带结构相比较,虽然结构复杂,但由于辐射损失变小,所以能提高元件特性。
另外,在上述实施例中,作为共振器的材料,举例说明了采用通常的金属的情况,但作为共振器的材料也可以使用通常的金属以外的超导体。如果采用超导体作为共振器的材料,则能实现损失小、且耐电力特性好的高频电路元件。另外,在采用超导体作为共振器的材料且采用图12所示的现有的输入输出耦合结构的情况下,会造成耐电力特性的劣化。
作为超导体,也可以用金属系列材料(例如Pb、Pbln等Pb系列材料,Nb、NbN、Nb3Ge等Nb系列材料),但在实用上,最好采用温度条件比较平缓的高温氧化物超导体(例如Ba2YCu3O7)。
可是,在采用超导体作为共振器的材料的情况下,超过临界电流密度的值就不能有超导电流。这成为使用大功率的高频信号时的问题。在本发明的高频电路元件中,采用了平面电路结构的共振器,它能有效地缓和在现有结构中电流集中最厉害的共振器的外周部分的高频电流的集中,另外,不使该外周部分的形状变化,就能获得大的输入输出耦合度,所以,使用相同功率的高频信号时的最大电流密度比以往的小。因此,在利用具有相同的临界电流密度的超导体构成本发明的高频电路元件的情况下,更能使用大功率的高频信号,本发明的有效性非常大。
如上所述,如果采用本发明的高频电路元件的结构,对于具有平面结构的共振器,能获得比现有的结构大的输入输出耦合度,能增大高频电路设计的自由度,所以能实现高性能的高频电路元件。
Claims (4)
1.一种高频电路元件,包括:
电介质基板;
共振器,由导电薄膜制成,形成在电介质基板的表面上;
输入输出线路,形成在上述电介质基板的上述表面上;和
接地平面,形成在上述电介质基板的背面上;
其特征在于,
上述共振器是圆形或椭圆形的实心盘共振器;
上述输入输出线路由具有均一宽度线路形成;
上述输入输出线路的一端是开路的;
高频信号从上述输入输出线路的另一端输入;
输入输出线路的一端由位于共振器的弧形外周部分并从共振器的弧形外周部分隔离开一个空隙部分的弧形线路形成;和
输入输出线路的另一端在弧形线路的切线方向上伸展。
2.根据权利要求1所述的高频电路元件,其特征在于:具有微波传输带结构,或带状线路结构。
3.一种高频电路元件,包括:
电介质基板;
共振器,由导电薄膜制成,形成在电介质基板的表面上;
两条输入输出线路,形成在上述电介质基板的上述表面上;和
接地平面,形成在上述电介质基板的背面上;
其特征在于,
上述共振器是圆形或椭圆形的实心盘共振器;
各上述输入输出线路由具有均一宽度线路形成;
各上述输入输出线路的一端是开路的;
高频信号从各上述输入输出线路的另一端输入;
各输入输出线路的一端由位于共振器的弧形外周部分并从共振器的弧形外周部分隔离开一个空隙部分的弧形线路形成;
各输入输出线路的另一端在弧形线路的切线方向上伸展;和
两输入输出线路位于共振器的外周部分相对于共振器的中心互相相差90°的方向上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的高频电路元件,其特征在于:采用超导体作为共振器的导体薄膜的材料。
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