CN1192293A - 有关可调谐器件的结构和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的是可调谐的微波单片集成电路,它包含介电常数可变的介质材料(1,2)。介电常数为负值的超导材料(3)相对于介质材料(1,2)按如下方式安装:使超导材料和介质材料间至少构成一个界面。介质材料(1,2)是一种低损耗、非线性块料。通过控制微波表面等离子沿界面的传播,实现对微波相位速度的调整。

Description

有关可调谐器件的结构和方法
技术领域
本发明涉及可调谐的微波介质单片集成电路。还涉及在微波单片集成电路中调谐微波相位速度的一种方法。在微波通信、无线电系统以及蜂窝通信系统等领域内，如上所述的可调谐微波器件是很使人感兴趣的。
技术状态
一些可调谐的微波器件已经被提出。如US-A-5285067示出一个非铁电(线性)基片上的超导谐振器，其输入与输出端分别由微带构成。通过光照使超导膜特性发生变化(调整)，从而导致谐振频率发生偏移。除光照方法外，亦可用其他方法来改变或控制超导膜的特性，这样使之具有可控制性。但是对采用光调方法来说，需要很高的光功率，并且调谐能力不是很有效。
US-A-5179074举例说明了在超导空腔内的多种介质谐振器，在高微波功率电平时损耗很小。但是这些设计都很笨重，并包含复杂和昂贵的制造工艺，不适用于单片微波集成电路。从WO94/13028可以知道一些可调谐的微波器件，它们是在高温超导和铁电体薄膜微带波导设计基础上。但是由于铁电体膜低的内在品质，这些器件因令人难以接受的高微波损耗和调谐能力很低而受到损害。此外，由于铁电体膜的品质低和窄的HTS带的高非线性特性(超音频振荡)使其微波功率承受能力很低。
把一块介质置于金属底板上构成的镜象波导已经用于毫米波和亚毫米波集成电路，作为一个例子，可以参见P.Bhartia与I.J.Bahl发表在1984年“毫米波工程与应用”，J.Wiley期刊上。对工作在光谱的器件，可参见1981年c.f.M.J.Adams发表的文献“光波导导论”，J.Wiley。然而，当频率低于3GHz时，由于介质低的介电常数、低损耗、tonδ＞10-4使介质微波集成电路体积很大使实现微波集成电路(MIC)生产技术受到限制。
通常，在微波技术中所用的介质材料，其介电常数在0～100之间，这导致频率为1～2GHz器件的体积很大。1994年Z-Y Shen，Artech House在“高温超导微波器件”一文中，公开了基于TM01δδ模式介质谐振腔。介质谐振器夹在高温超导薄膜之间，高温超导薄膜喷镀在两个分离的基片上，基片安排在薄膜和介质之间。高温超导材料的面电阻和相伴随的微波损耗在1～2GHz时非常低，典型值约10-4Ohm，即使如此，这些器件仍然不具有所希望的特性：在此频率上(即1～2GHz)超导膜和介质基片的尺寸很大，器件制造也很昂贵。它们只能用机械调谐，很笨重，在振动或颤噪效应方面来不少复杂问题。
发明概况
因此需要可调谐的微波器件，这是因为通过该种器件可以方便地、便宜地制造微波单片集成电路，也可以进一步减小其尺寸。为了制造对于例如小巧结实的器件，特别需要全集成器件电路。特别需要能用简单的加工流程、用标准的集成电路制造工艺制造有精密的尺寸和大小的微波单片集成电路。此外，微波集成电路需有良好的性能。特别需要组装过程简单的器件。还需要具有高电气性能的微波集成电路。特别需要用于频带为1～2GHz的微波单片集成电路。在同一日由同一申请人提出的尚未经审查的专利申请“可调谐的微波器件”包括在此作为参考，描述可调谐的微波器件。
所提供的可调谐微波单片集成电路由介质材料和超导电路构成，超导相对于介质材料是这样配置，使超导材料与介质材料之间至少构成一个界面，介质材料是低损耗、非线性的块状材料，其中，介质和/或超导材料有可变的介电常数。控制微波信号的表面等离子波沿界面的传播，可以进行频率调谐。特别是超导电路由高温超导材料构成，诸如YBCO；例如YBa2Cu3O7，TIBa2CaCu2O7，Ba(Bi，Pb)O3，还有如由Z-Y Shen在“高温超导微波器件”中给出的高温超导(HTS)材料。介质材料可以是钛酸锶(SrTiO3)或具有相同特性的任务材料。Krupka等在1994年的“IEEE Microwave Theory Techn”(vo142，NO10，p1886)发表的文章中陈述具有非线性特性的介质材料如钛酸锶(SrTiO3)有非常高的介电常数，在液氮温度(77°K)或低于此温度时ε＝3000～25000。再有钛酸锶和钛酸钡的固溶体也属于这种材料。特别是这种电路都有一个波导装置。
一般可以这样说，高温超导材料的很强的负介电常数是表面等离子波存在的先决条件。k.k.Mei与G.Liang于1991年发表在IEEE Trans.Microwave Theory Techn Vol39，No9上“超导体的电磁学”文章中首先认定高温超导材料有很强的负介电常数这一事实。提供了控制表面等离子波传播的调谐机构。在一个具体的实施例中，微波集成电路由一个介质脊波导和超导膜构成。超导膜配置在介质材料相对于脊背所在的另一面，脊形成了一个镜象(image)脊波导。波导中的超导膜特别是高温超导膜其作用是频率为1～2GHz电磁波的通道。当然对其他频率也可能合适。一般情况下，其他的带状线波导也可用，诸如凸带线波导和带线加载波导。
在一个特别方便的实施例中，波导尺寸是如此选取，使所有横电波(TE波)无法传播，只承载电磁波的基本横磁波基波TM。波可以传播。通过控制该表面等离子体波，即控制所承载的模式沿界面的传播，波的相位速度便可调整。
发明的另一个实施例中，第一片超导膜安装在介质材料的一边，介质材料有一个脊或成为带导状的肋，第二片超导膜安装在脊上，构成平行板波导。平行板波导的尺寸如此选定：使表面等离子的两个基波，即TM0，TM1型波，沿着介质材料和其分别对应的超导膜之间的界面传播。
另一个发明实施例是关于平行板谐振器，它的输入和输出有耦合器。平行板谐振器可以是矩形或圆形，也可以是其他任何形式。这种谐振器在题目是“可调谐的微波器件”的尚未经审查的专利申请中亦有描述，这篇专利申请在同一天由同样一些申请人提出。输入与输出耦合可以用镜像脊波导或平行板波导。为了控制它们之间的耦合度，输入/输出镜象脊波导(或平行板波导)与平行板谐振器之间有一个间隙。平行板谐振器可以是双模谐振器(多模谐振器)，安装了一个机构以提供谐振器内的微波退化振荡模之间耦合。这些耦合机构可以有不同形式，如在上面所述的专利申请中所描述的。耦合机构的一个例子可以是安置在介质谐振器一边上的超导膜的一个凸出部分，但也可以是一个凹口或切掉部分。也可以是平行板谐振器的介质材料上超导膜的一个缺口或其相似物。
上面所提及的器件都可以加一层非超导的金属膜在超导膜上，即它不在超导膜与介质材料之间，而是在超导膜的外表面上。
调谐可以采用不同方法，如用光照射进行光调或改变界面的温度进行温控等。
平行板谐振器还可以进行电调谐，加一个直流偏压在超导膜上使介质材料的介电常数变化。
一般地说，当用光调谐方法时，超导材料的负介电常数改变，它使表面等离子体模调谐，而当采用改变界面温度方法时，改变的是介质材料的介电常数，或高温超导的介电常数，对于后者也可能是两者的组合。当加直流偏置电压时，介质材料的介电常数改变，使表面等离子体波的相位速度受到调整。各种调谐方法(光/温度/直流偏置)可以根据应用情况采用任意的组合，但对镜象脊波导只可能采用光调和温调。
因此提供了多种调整-微波集成电路中微波相速度的方法，该电路至少包括安置在非线性块状介质材料上的一片超导膜，其中沿着介质材料和超导膜之间形成的界面的表面等离子体波的传播是受控的。
附图的简要说明
下面在参照附图情况下，以不受限制的方式对本发明作进一步描述，这些附图为：
图1a说明YBCO的介电常数实数部分。
图1b说明YBCO的介电常数虚数部分。
图2a说明在通常金属底板的镜象波导中的磁场分布。
图2b说明用超导作底板的镜象波导中的磁场分布。
图3a说明用理想金属或通常金属作导电板的平行板波导中的磁场分布。
图3b说明由超导作底板构成的平行板波导中的磁场分布。
图4说明一个镜象脊波导。
图5说明一个平行板波导。
图6说明一个电控平行板波导。
图7说明其输入/输出端为耦合脊波导的介质集成电路平行板谐振器。
图8说明其输入/输出端为平行板波导的介质集成电路平行板谐振器。
图9说明一个双模平行板可调谐的谐振器。
本发明的详细说明
材料的介电常数ε可以分为实数部分ε′和虚数部分ε′。图1a从图表形式说明高温超导材料YBCO介电常数的实数部分随温度和频率变化情况。图1b从同样方式说明高温超导材料YBCO介电常数的虚数部分随温度和频率变化情况。从图中所见，高温超导材料的介电常数为负值。另一方面，本发明中所用的介质材料具有很高的正介电常数。表面等离子波沿着介质材料和超导材料界面的传播，可以被用来调谐，特别是对高温超导材料。1981年M.J.Adams在John Wiley，“AnIntroduction to Optical Waveguides”一文中，对表面等离子波作为例子进行了讨论。高温超导材料的介电常数为负值并且有很高的绝对值，这一点很重要。因为不是负值就不会有表面等离子波存在。图2a和图2b只是显示出当底板分别为通常的金属和为超导时镜像波导中磁场分布情况之间的一个比较。为了说明目的给出了本例，用高介电常数非线性介质如钛酸锶(SrTiO3)与常用的金属如金(Au)，银(Ag)，铜(Cu)，构成的镜象波导(或平行板波导)在频带1-2GHz，温度77K(相应于高温超导的超导态)作为可调谐的介质微波集成电路在实际工作中用途是极为有限的。这是因为常用金属损耗很高，并且由于带电载体从金属向介质材料的迁移使调谐效率很低。这在Dedyk A.I，Plotkina N.W and Ter-Martirosyan L.T，“The Dielectric Hysteresis ofYBCO-SrTiO3-YBCO Structures at 4.2K”Ferroelectrics，1993，vol.144pp.77-81中亦有讨论。在高温超导逸出功高于介质(例如钛酸锶SrTiO3)的逸出功情况下，横过超导/介质界面没有电荷迁移，非线性介质的介电常数调谐效率是高的。此外，高温超导非常大的负介电常数是表面等离子波沿着介质/超导界面传播的先决条件。从图2a、2b可以看到，与在通常金属镜象波导中的均匀磁场分布(图2a)形成对照的是：在存在表面等离子波的超导镜象波导中的磁场分布是不均匀的。从图2b可见，在超导体与电介质的界面上，磁场为最大值，在电介质中磁场慢慢衰落。因此可以说场凝聚在界面上，这意味着高温超导材料介电常数的任何变化，将导致表面等离子波的相位速度最大变化。这样控制表面等离子波的相位速度是非常有效的。同样原因，图3a和3b分别说明用通常的金属导电层和超导板所构成的平行板波导中磁场分布之间的不同。相对于图2a和图2b的差别，可以用简单一些的方式说，图3a和3b有两个界面代替了图2a和2b的一个界面。
图4说明本发明的第一个实施例，它由一个低损耗、小尺寸的镜象脊波导10构成。一个单晶状体块状的介质1并在其上表面安装了一个脊2。脊2可以用照相平版印刷术或其他恰当的已知方法制成。第一个超导膜3安装在介质材料1上构成一个超导底板。镜象脊波导10可以说其作用是频率大致为1～2GHz电磁波的一个通道。镜象脊波导10的尺寸是按这样一个方法选定的：使所有TE型波截止，只允许TM型基波存在。TM型波是一种表面等离子波，它沿看超导膜3(尤其是指高温超导膜例如YBCO)和非线性介质1例如钛酸锶(SrTiO3)的界面传播。脊波导的厚度h是这样挑选的：使其尺寸小于介质中的波长λg的一半通常 λ g = λ 0 ϵ diel 这里λ0是自由空间的波长。给出一个简单的例子，钛酸锶(SrTiO3)在77[°K]时的介电常数近似为2000。如果假定频率为近似1GHz，λ0约为30cm。这样
Figure A9619598000112
可以近似为0.75cm，所以厚度h应小于0.75cm/2，即3.75mm。在只承载TMo型波情况下，按照一个优选实施例，厚度h约为0.5mm。
从光源11，用光照射镜象脊波导10，可以调节波的相位速度。光源11应这样放置：使介质材料与超导间的界面能够被光照射到。由于介质材料是半透明的，因而实际上光源可以放于任何位置(例如这里是放在上面)，只要介质材料暴露在照射之下即可。或者也可采用改变温度的方法(图中没有表示出来)。改变温度可以采用任何已知的方便方法来达到。
用光照改变超导材料的负介电常数和/或改变镜象波导10的超导与介质间界面的温度可达到调节表面等离子波相位速度。如果采用的高温超导与介质相比有很高的逸出功，毫无凝问将出现带电载荷向介质材料的迁移。这样就可使调谐性能很高。
图5中说明的是平行板波导20。块状非线性介质材料1的表面上安装了一个脊2。第一个超导膜3在介电材料1上形成了第一个平面，而第二个超导薄膜4安装在介质脊背2上构成了平行板波导20的第二个平面。平行板波导20支持二个基本的表面等离子波TM0和TM1，它们沿着介质材料1，2和分别相对应的超导膜3，4之间的界面传播。像上面描述的在镜象脊波导10中一样，借助于光照和(或)改变器件的温度调谐便可达到。此外，还可以采用电调，使介质材料的介电常数发生变化或调整，等离子波的相位速度也就能调整。这将在下面参见图6时对其进行进一步描述。
光调使超导材料介质常数产生变化，而温度调节使超导和(或)介质的介电常数产生改变。借助于电调，介质材料的介电常数发生变化。这些调整方法可以分别单独使用或组合起来使用。
图6说明的是一个平行板波导20′，它与图5所示的平行板皮导20非常相似，只是以加了第一个和第二个通常的非超导膜5和6分别安装在超导膜3，4上。通常的金属膜5，6可以用来保护超导膜3，4。此外它还可以作为直流电压偏置的接点，如图6中所示。两条引线15，16是用来连接电压源作为波导的直流偏置。保护薄膜5，6还可能有助于提供高品质因素(Q-factor)，提高临界温度(临界温度是指这样一个温度，低于此温度时材料成为超导体)，还可能给超导膜提供长期化学上的保护。
图7中具体说明的是一个集成平行板谐振器30，并具有输入和输出的镜象波导。超导膜3安置在介质基片1上，圆板状的介质材料2′安装在介质材料1的另一面，即相对于超导膜3的对面。介质圆板2′被同样形状的第二超导膜4′复盖，形成一个圆形平行板谐振器。当然这也可以是矩形的平行板谐振器；还可以是任何其他合适形式。超导薄膜3、4′每个都被通常金属膜(不是超导体)5，6′复盖，既作为保护层也作为欧姆接点等，这已如上述。圆形介质板2′为一介质台状结构，它可以从块状介质1经照相平板印刷术蚀刻而成，但也可用任何其他合适的已知方法加工而成。镜象波导8，9由介质脊2″构成，2″分别形成平行板谐振器7的输入和输出波导。为了耦合微波信号输入和输出平行板谐振器7，在输入与输出镜象波导和平行板谐振器7之间，分别有耦合空隙11，12。
在图8所示结构布局30′中，输入和输出波导8′，9′亦由介质材料2″构成，但在其上安置了超导膜4″，从而构成输入/输出平行板波导，在超导膜4″上，可以装上保护用的非超导膜6″。加一个外部直流场到输入/输出平行板波导上(图8中未示出)，就耦合问题来说就有了很大灵活性，因而是很方便的。导线15，16如上面图6中所说明的实施例中所描述的一样，当加上直流偏置电压后使器件可以电调。
当然这器件除可以电调外，也可以光调和(或)温控调节。
图9中，述说的是一个由微波集成电路构成的可调双极滤波器40。参考的标号与图7和图8相同，差别是装了一个机构13使平行板谐振器7的退化振荡模之间能耦合。耦合机构由超导膜4″的一个切掉部分构成。相应地保护膜6″也被切掉。当然退化振荡模的耦合也可由超导膜相对于介质材料2″的一个凸出部分或一个凹口来完成。耦合也可以用其他很多方法来实现。双极滤波器或多模滤波器的退化振荡模的耦合在尚未经审查的专利申请“可调谐的微波器件”中亦有讨论。在此实施例中对电调有图示说明，此外还可以光调和(或)温度调或各种调谐方法的任意组合。除双极带通滤波器外，以同样方式也可实现多通带滤波器。本发明不只限于已经图示说明的一些微波集成电路。所挑选的一些例子只是为了说明问题的目的。例如一个可供选择的对象，像四极滤波器等。
用高质量块状单晶介质材料如介电常数很高、介质损耗很低的钛酸锶(SrTiO3)，与高温超导膜结合在一起，就可能使微波集成电路的损耗大大减小，体积也大大缩小。特别是做成频带为1～2Ghz的单片介质集成电路成为可能。
可以获得比迄今为止所知器件体积更为小巧坚实的全集成器件或微波单片集成电路不仅仅是本发明的一个优点。方便之处还在于可以采用标准的集成电路制造工艺在一个简单的加工流程中制造出一定数量的相同器件。除此之外，优点还在于：器件的大小和尺码可以精确确定、性能得到很大改善，在装配过程中不需再化其他劳动。

Claims (31)

1.可调谐的微波单片集成电路由可变介电常数的介质材料(1，2；2′，2″)与超导膜(3；3，4；3，4′；3，4′，4″)构成，超导膜相对于介质材料是如此安排，使超导材料与介质材料之间至少构成一个界面，
其特征在于：
介质材料(1，2；2′，2″)是低损耗、非线性块状材料，以及微波的相位速度的调整是通过控制微波的表面等离子体波沿该界面的传播来实现的。
2.按照权利要求1的可调谐的微波单片电路，其特征在于：
超导膜(3；3，4；3，4′；3，4′，4″)是一种有负介电常数的高温超导材料，例如YBCO，它的介电常数是可以变化的。
3.按照权利要求1或2的可调谐的微波电路，其特征在于：它有一个波导部件(10；20；20′；30；30′；40)，在此波导部件中，至少对频率为1～2GHz的微波是可用的。
4.按照权利要求1的可调谐的微波集成电路，其特征在于：
提供的调谐机构是控制表面等离子体波的传播。
5.按照前面权利要求中任何一条的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
借助光(11)和/或温度控制机构，使高温超导膜的负介电常数改变，从而实现调谐。
6.按照权利要求4或5的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
借助于温度控制和/或电控机构，使介质材料的介电常数改变，从而实现调谐。
7.按照前面权利要求中任何一条的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
它有一个介质脊波导(10；8，9)。
8.按照权利要求7的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
超导膜(3)安装在介质材料(1)的一边，该介质材料的另一边上形成一个介质材料的脊(2)，从而成为镜象脊波导(10；8，9)。
9.按照权利要求7的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
超导膜(3)是一个高温超导膜，波导的作用是频率约为1-2Ghz电磁波的通道。
10.按照权利要求8的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
波导(10)的尺寸是这样选取：只承载电磁波的横磁波基模(TM)。
11.按照权利要求10的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
所有横电波的各种模式(TE)都不能传播。
12.按照权利要求7的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
除了第一个超导膜(13)以外，超导电路还包括第二个超导膜(4)，它被安装在介质材料脊超导结构(2)那一边。
13.按照权利要求12的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
它包含一个平行板波导(20；20′)。
14.按照权利要求13的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
平行板波导(20；20′)的尺寸是这样的：只承载两种表面等离子体波(TM0，TM1)沿界面传播。
15.按权利要求1～6中任何一条的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
它有一个带输入和输出耦合器(8，9；8′，9′)的平行板谐振器(7)。
16.按照权利要求15的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
输入和输出耦合器中每个都包含有一个镜象脊波导(8，9)。
17.按照权利要求15的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
输入和输出的耦合器机构中每个都包含有一个平行板波导(8′，9′)。
18.按照权利要求15～17中的任一条的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
输入和输出耦合机构由在输入/输出波导上加电压和(或)用光照和(或)温度控制机构进行控制。
19.按照权利要求15～18中任一条的可调谐的微波单片集成电路(40)，
其特征在于：
平行板谐振器是一个双模谐振器，在此谐振器里，安装了微波退化振荡模之间的耦合机构。
20.按照权利要求19的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
这耦合机构是置于谐振器的介质一面上的超导膜的一个凸出部分。
21.按照权利要求19的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：耦合机构是置于平行板谐振器的介质材料一边上的平行板谐振器的超导膜的一个凹口(13)。
22.按照权利要求15～21中任一条的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：在输入/输出波导(8，9；8′，9′)与平行板谐振器之间设置了间隙(11，12)，用它分别地去控制每一个输入/输出波导和谐振器的耦合度。
23.按照前面权利要求的任一条的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
非超导的金属膜(6；6″)可以安装在超导膜上。
24.按照前面权利要求的任一条的可调谐的微波单片集成电路；
其特征在于：
为了照射介质一超导膜的界面，提供了一个光源(11)，照射的强度可以改变。
25.按照权利要求1～24中任一条的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
调谐是温度控制的，以及提供了至少能改变介质材料与超导膜之间界面温度的装置。
26.按照权利要求12～25中任一条的可调谐的微波单片集成电路(20′；30；30′；40)，
其特征在于：
它可以电调谐。
27.按照权利要求26的可调谐的微波单片集成电路，
其特征在于：
提供的外部电压源，用来加直流偏压至超导膜，使介质材料的介电常数改变。
28.用于在微波单片集成电路中，频率范围约为1～2Ghz微波相位速度的调整方法，
其特征在于：
它包括控制表面等离子体波沿非线性块状介质材料和安置在它上面的超导膜(至少一片)之间的界面传播。
29.按照权利要求28的方法，
其特征在于：
由强度可变的光照射界面来实现控制。
30.按照权利要求28或29的方法，
其特征在于：用改变至少介质材料和超导膜间的界面温度来达到控制。
31.对于在微波单片集成电路中调整频率范围约为1～2GHz的微波相位速度的方法包括：防止所有横电波模式的传播和至少应加一个可变直流偏置电压在超导膜上实现微波集成电路调谐，该微波单片集成电路包含一个平行板谐振器(7)或一个多模滤波器，这里至少有一片超导膜，特别是有负介电常数的一片高温超导膜安置在有很高介电常数、非线性、块状的介质材料上。
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