CN1284265C - 可调铁电共振器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调共振装置，包括共振器装置(10)、用于将电磁能耦合进/耦合出该共振器装置的输入/输出耦合装置(4)、及将偏压/电场施加到该共振器装置的调谐设备(3)。该共振器装置包括第一共振器(1)和第二共振器(2)。所述第一共振器是不可调谐的，而所述第二共振器是可调谐的并包括铁电衬底(21)。所述第一和第二共振器是由该第一和第二共振器共用的接地平面(13)隔开的，提供耦合装置来提供所述第一和第二共振器之间的耦合。为了调谐该共振器装置，将偏压/电场施加到第二共振器(2)。

Description

可调铁电共振器装置

技术领域

本发明涉及一种包括共振器装置的可调共振装置。电磁能通过输入/输出耦合装置耦合进/耦合出该共振器装置，用于调谐该共振器装置，有一个调谐装置用于将偏置/调谐电压(电场)施加到该共振器装置。本发明还涉及这样一种共振器装置、可调滤波器装置及调谐共振装置的方法。

背景技术

电可调共振器对于灵便的雷达和移动无线通信系统是很有吸引力的元件。已知有不同类型的共振器。利用任何形状，如圆形，的绝缘盘的用于微波频率的绝缘平行板共振器和滤波器可以通过例如在此引入参考的Vendik等人所著Electronics Letters vol.31，p.654，1995得以了解。

包括由具有极高介电常数的非线性绝缘材料，如铁电材料或反铁电材料，制成的衬底的平行板共振器尺寸很小，且它们可以用于例如提供先进微波通信系统所用频段中的小型滤波器。这种非线性绝缘材料可以是例如液氮温度下介电常数大约为2000及室温下介电常数大约为300的STO(SrTiO₃)。

绝缘平行板共振器可以由简单的探测器或回路来激发。对于大多数实际的实现，平行板共振器的厚度比共振器中微波信号的波长要小得多，才能使共振器仅支持最低阶的TM模式及保持DC-电压尽可能低，DC-电压是电调谐包括绝缘衬底的共振器所必需的，其中在绝缘衬底两侧都排列有电极。对于这种共振器，电调谐是通过施加外部DC-偏压来实现的，其中外部DC-偏压通过与充当共振器极板的电极的欧姆接触来提供。基于薄膜衬底的可调共振器及基于绝缘大块衬底的可调共振器是已知的。如果其厚度小于共振器中微波信号波长的一半从而沿盘的轴线不存在驻波，则从电性能方面该共振器被认为是薄的。近来发现基于环形铁电盘的电可调共振器是很有吸引力的，而且引起了例如微波通信系统及移动无线通信系统中可调滤波器应用的关注。

这些设备在例如本文引入参考的专利申请号为9502137-4的瑞典专利申请“Tunable Microwave Devices”和专利申请号为9502138-2的瑞典专利申请“Arrangement and method relating to tunabledevices”中进行了描述。

由于各种原因，共振器和滤波器中包括铁电材料的衬底是人们所感兴趣的。除了其它特性外，铁电材料还能够处理高峰值功率，它们具有低切换时间，且衬底的介电常数随所施加的偏压而变化，这使得设备的阻抗随所施加的偏置电场而变化。例如US-A-5908811，“HighTc Superconducting Ferroelectric Tunable Filters”，示出了这种滤波器的一种实例，它通过使用单一的晶体铁电材料来获得低损耗。利用铁电薄膜衬底。但是，这种设备及其它基于铁电材料的共振器和滤波器都有当施加偏压时铁电衬底或元件的品质因子(Q-值)随所施加的电压显著下降的缺点。最近，由A.Tagantsev在AppliedPhysics Letters中Vol.76，No.9，p.1182-84的“DC-Electric-Field-induced microwave loss in ferroelectrics and intrinsiclimitation for the quality factor of a tunable component”中，确定这是铁电材料中由所施加偏压电场感应出的基本损耗机理(称为quasi-Debye效应)的缘故。但是迄今为止，对于可调铁电共振器中与感应损耗相关的问题还没有找到令人满意的解决办法。

发明内容

因此，需要一种可调共振装置，更具体而言是用于微波或毫米波的可调共振装置，它尺寸小并可用于不同类型的先进微波通信系统和移动无线通信系统。还需要一种具有高性能或至少满足要求的性能且容易制造的可调共振器装置。尤其需要一种可调共振装置，通过该装置有可能在施加用于调谐的电场/电压时对铁电衬底中的损耗进行补偿。特别需要一种具有高功率处理能力的装置。更特别需要一种装置，通过该装置基本上可以在不损害共振器品质因子(Q-值)的情况下通过施加DC-偏压来提供调谐。

还需要一种装置，它尺寸小从而可用于不同类型的元件中，它可以被高效调谐而不需要大量的电能，且它能够可靠的工作。此外还需要一种装置，它是健壮的，具有令人满意的调谐选择性和调谐灵敏性，而且通过该装置可以使插入损耗低或者能够对其进行补偿。

还需要一种可调滤波器装置，包括一个或多个共振器装置并满足上面提到的一种或多种目的。此外还需要一种调谐共振器装置的方法，通过该方法可以实现上面提到的目的，尤其是一种通过电调谐对铁电共振器中的感应损耗进行补偿的方法。

因此，提供一种可调共振装置，包括共振器装置、将电磁能耦合进/耦合出该共振器装置的输入/输出耦合装置、及将偏压/电场施加到该共振器装置的调谐设备。该共振器装置包括第一共振器和第二共振器。第一共振器是一个不可调谐的高质量共振器(即，具有高Q-因子)，而第二共振器是一个包括铁电衬底的可调共振器。第一和第二共振器是由接地平面隔开的，但该接地平面对所述第一和第二共振器是共用的，即共享的，还提供了耦合装置用于在第一和第二共振器之间提供耦合。为了调谐该共振器装置，向第二共振器施加调谐电压/电场。有利地，第一共振器是一个圆盘共振器或平行板共振器，而第二共振器是另一个圆盘共振器或平行板共振器。有利地，第一共振器包括绝缘衬底，其介电常数不，或基本不，随所施加的电压变化，该绝缘衬底位于第一和第二电极板之间，第二电极构成接地平面。

第二共振器优选地包括可调铁电衬底及第一和第二电极板。第二电极板构成公共接地平面，因此与第一共振器的第二电极是共用的，或相同的，这意味着两个共振器共享一个构成用于所述两个共振器的接地平面的电极板。

第一共振器的绝缘衬底可以包括例如LaAlO₃、MgO、NdGaO₃、Al₂O₃、蓝宝石或具有相似属性的材料。特别地，第一共振器的品质因子(Q-值)可以超过大约10⁵-5·10⁵。

第二共振器的衬底可以包括例如SrTiO₃、KTaO₃、BaSTO₃或任何其它具有相似属性的材料。

在一种实现中，每个共振器的第一和第二电极，在此是指第一电极和公共接地平面，包括普通导电金属，如金、银、铜。在另一种实现中，第一和第二电极，即第一电极和公共接地平面，包括超导材料。更特别地，第一和第二电极，即第一电极和公共接地平面，包括高温超导材料(HTS)，如YBCO(钇-钡-铜-氧)。其它的可选方案是TBCCO和BSCCO。在一种特定的实现中，使用可以被如金、银、铜或相似金属制成的非超导高导电薄膜覆盖的超导体或超导薄膜(HTS)。这种设备在本文引入参考的“Tunable Microwave Devices”中也作了讨论。特别地，第一和第二共振器是TM020模式共振器。但是，也可以选用其它模式，如在本文引入参考的申请号为9901190-0的瑞典专利申请“Microwave Devices and Method Relating Thereto”中所讨论的实例，该申请还说明了可以选择多么不同的模式，为了示例还给出了可以选择哪种模式的实例。

通过向所述第二共振器施加调谐(偏置)电压，电磁能将被分配到第一共振器，特别地，由于两个共振器是耦合在一起的，因此随着偏置电压的增加，越来越多的电磁能将分配或传输到第一共振器。这意味着第一和第二共振器之间电磁能的分配依赖于偏置(调谐)电压或电场，当然还依赖于耦合装置。第二共振器中的共振频率随所施加偏置电压的增加而升高。当偏置电压增加时，第二铁电共振器的损耗角正切也将增加，同时其中的电磁能将减少。因此自动地对第二共振器中增加的损耗角正切进行补偿，从而对包括第一和第二共振器的耦合共振器装置的影响将减小。

特别地，第一和第二共振器包括基于绝缘/铁电大块材料的圆盘共振器。但是，它们也可以包括薄膜衬底。但是，通过使用可调谐圆盘共振器，可以实现比由可调谐薄膜制成的共振器具有更高功率控制能力的共振装置，尤其是滤波器。

特别地，共振装置包括至少两个共振器装置，而公共接地平面对于构成可调滤波器的该至少两个共振器装置是共用(或共享)的。

根据本发明，为了使第一和第二共振器彼此耦合，对于每个共振器装置，耦合装置都可以包括公共接地平面中的一个槽或孔。共振器基本上可以是任何合适的形状，它们可以是例如圆形、方形、矩形或椭圆形等。第一共振器的形状还可以与第二共振器的形状不同。共振器装置还可以是双模共振器装置。那么每个共振器都包括模式耦合装置，如突起、断流器或任何其它能够用于双模工作的装置。在本文引入作为参考的专利申请中提供了关于双模共振器装置的实例。根据本发明，可以说可调谐性和损耗是在共振器装置的两个共振器之间交换或分配的，从而降低了由电调谐引起的增加感应损耗的影响。

因此，根据本发明，提供了一种包括第一共振器和第二共振器的可调共振器装置，其中所述第一共振器是不可调谐的，而所述第二共振器是可调谐和铁电体的，即包括铁电衬底，所述第一和第二共振器是由接地平面隔开的，该接地平面对所述第一和第二共振器是共用的。提供耦合装置用于在所述第一和第二共振器之间提供耦合及用于调谐该共振器装置，调谐电压施加到第二共振器。特别地，第一和第二共振器包括圆盘共振器或平行板共振器，而公共接地平面是由与第二共振器第二电极板共用的第一共振器第二电极板构成的。特别地，耦合装置包括公共接地平面中的一个槽或孔或相似物，通过其电磁能可以从一个共振器传输到另一个。

本发明还公开了一种调谐共振器装置的方法，包括以下步骤：提供第一不可调共振器；提供第二可调共振器，第一和第二共振器由公共接地平面隔开；在所述公共接地平面中提供耦合装置，从而第一和第二共振器可以耦合以便在第一和第二共振器之间传输电磁能；通过向所述第二共振器施加偏置/调谐电压/电场改变其共振频率，既增加了第二共振器的共振频率、损耗角正切，又重新向第一共振器分配电磁能；优化偏置电压/电场的施加，从而第二共振器中增加的损耗角正切对耦合共振器装置的影响可以通过向第一共振器传输更多电磁能来补偿。特别地，该共振器装置公开了上面提到的一种或多种特征。

附图说明

下面将以非限制方式参考附图对本发明进行进一步的描述，其中：

图1A-1F为了说明示出了圆形、平行板共振器的多个不同TM模式的电流线(场分布)，

图2特别说明了具有图1A所示场分布的现有技术共振器的一种状态，

图3示出了图2所示共振器的测量微波性能，

图4说明了根据本发明共振器装置的第一种实施方案的剖面图，

图5说明了图4所示共振器装置的两个耦合共振器的等效电路，

图6A是说明共振器电容作为偏压函数对偏压依赖性的图表，

图6B是说明作为偏压函数的损耗因子的图表，

图7A-7C示出了等效电路输入阻抗对偏压依赖性的模拟结果，

图8A示意性地说明了可以用于图4共振器装置的第一共振器的一种实例，

图8B示意性地说明了可以用作图4共振器装置中第二共振器的一种共振器实例，

图9A示出了根据本发明共振器装置的第一共振器的一种可选实现，

图9B说明了在根据本发明共振器装置中可以与图9A第一共振器一起使用的第二共振器的一种实例，

图10非常示意性地说明了可以用于根据本发明共振器装置的双模共振器的一种实例，

图11示意性地说明了基于根据本发明共振装置的两极滤波器，

图12说明了图11两极滤波器的等效电路，

图13A、B对图11的可调两极滤波器说明了对于不同偏压，作为频率函数的插入损耗和回波损耗的模拟结果。

具体实施方式

图1A-1F为了说明公开了圆形平行板共振器的低阶TM_nmp场分布，即TM₀₁₀、TM₁₁₀、TM₂₁₀、TM₀₂₀、TM₃₁₀、TM₄₁₀-模式。实线表示电流，虚线表示磁场，而点和十字表示电场。假设p＝0，即衬底的厚度小于共振器中波长的一半，且该共振器只支持TM_nm0模式。通过耦合装置(如耦合回路、耦合探测器或另一共振器)，空间中的场/电流分布是固定的。

已经发现如绝缘圆盘或绝缘衬底上圆片形式的平行板共振器有几种不同的微波应用。如果其厚度(d)小于共振器中微波波长(λ_g)的一半，d＜λ_g/2，从而沿盘的轴线不存在驻波，则从电性能方面该共振器被认为是薄的。已经对基于铁电体圆盘的电可调共振器在可调滤波器中的应用进行了大量的调查。对平行板共振器一种简化电力学分析对共振频率提出以下的简单公式：

$f_{\mathrm{nm}0}=\frac{c_0{k}_{\mathrm{nm}}}{2\mathrm{\πr}\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}$

其中c₀＝3.10⁸m/s是真空中的光速，ε是圆盘/衬底的相对介电常数，r是导电板的半径，而k_nm是模式下标为n和m的贝塞耳函数的根。对于从电性能方面被认为是薄的平行板共振器，第三下标为0。当考虑弥散场时，可以对以上公式进行修正。

对滤波器应用特别有吸引力的是例如只在径向具有板流的轴对称模式。这些模式的特征在于它们沿导电板的边缘没有任何表面电流，因而有更高的品质因子(Q)。

在本发明一种特别有利的实现中，为共振器选定的模式是TM₀₂₀模式。但是本发明不限于任何特定模式，而是基本上任何模式都可以选用。在本申请前面讨论过的专利申请号为9901190-0的“MicrowaveDevice and Method Relating Thereto”中尤其对模式选择做了讨论。

图2示意性地说明了一种基于具有极高介电常数的非线性绝缘衬底3₀，如液氮(N)温度下介电常数大于2000及室温下介电常数大约为300的STO(SrTiO₃)，的电子可调谐共振器10₀。在衬底两侧都提供了如由YBCO制成的高温超导体1₀₁、1₀₂，在这种实施方案中，高温超导体又被如由金制成的非超导高导电薄膜2₀₁、2₀₂所覆盖。作为一种实例，依赖于温度和所施加的DC偏压，直径为10mm、厚度为0.5mm的平行板圆盘共振器的共振频率在0.2-2.0GHz之间。这种共振器可以由作为输入/输出耦合装置的简单探测器或回路来激发。在大多数实际情况下，为了只支持最低阶TM-模式并为了保持DC-电压，平行板共振器的厚度比微波信号的波长小得多，DC-电压是电调谐具有非线性绝缘衬底的共振器所必需的，要尽可能低。这在本文引入参考的IEEETrans.Microwave Theory and Techniques vol.44，No.10，Oct.1996由Gevorgian等人所著的“Low order modes of YBCO/STO/YBCOcircular disk resonators”中做了讨论。在上面的图1A中示出了TM₀₁₀模式下这种共振器的场分布，图1D是TM₀₂₀模式。

图3示意性地说明了显示两个共振器测量微波性能的图表。图中对使用普通导电，即非超导，电极板的共振器，对应Q₁₁，及使用YBCO的HTS电极的共振器，对应于Q₁，说明了作为偏压函数的空载品质因子Q。相应地，对铜电极和YBCO电极说明了作为所施加偏压函数的共振频率，分别对应于F₁、F₁₁。可以看到，在高偏压下，不管使用YBCO电极还是使用普通导电(即非超导)电极，都没有太大的区别。

有利地，这种共振器的共振频率应当在0.5-3GHz之间，这是蜂窝通信系统的频率范围。因此，关于上述铁电元件或非线性绝缘材料Q-值随所施加电场显著降低的问题，根据本发明是通过如图4所述包括两个耦合共振器的共振器装置提供所谓损耗补偿来解决的。

这样，在图4中说明了本发明的第一种实施方案。它示出了一种共振器布置10，包括具有第一共振器1和第二共振器2的共振器装置，这两个共振器彼此耦合。第一共振器包括不可调谐的具有第一电极板12和带高品质因子(Q)的线性衬底11的圆盘共振器。衬底材料可以包括例如蓝宝石、LaAlO₃或任何本申请前面提到的其它材料。第一共振器1包括另一个位于线性衬底另一侧的电极板13。电极12、13可以包括“普通”导电(即，非超导，但优选地高导电)金属，如金、银、铜，但是也可以包括超导材料。在一种特别有利的实现中，电极板12、13包括高温超导材料，例如YBCO。

共振器装置10还包括第二共振器2，它是可调谐的并包括由例如铁电材料，如SrTiO₃、KTaO₃或任何本申请前面提到的其它材料，制成的衬底材料21，如上面参考图3所讨论的，该衬底具有不断增长的损耗因子，即品质因子随所施加的电压降低。第二共振器2也是具有第一电极板22和与第一共振器1第二电极为同一电极板的第二电极板13的圆盘共振器。

因此，公共电极13为第一和第二共振器1、2构成了公共接地平面。第一和第二共振器1、2通过耦合装置5彼此耦合，在这里耦合装置5包括公共接地平面13中的一个槽或孔，以便在施加偏压时允许两个共振器之间的电磁能分配。关于所述偏压的施加，提供了偏压装置3，包括一个连接到接地平面13和第二共振器2第一电极板21的可变电源，从而为了调谐共振器装置，将偏压施加到第二共振器2。当施加偏压V_B并增加电压时，第二共振器2的共振频率将增加。电磁能将重新分配到第一共振器1，这意味着第二共振器增加的损耗角正切对共振器装置有较小的影响，其中如上面所讨论的，该损耗角正切随所施加偏压的增加而增加。因此，当偏压增加时，越来越多的电磁能将传输或重新分配到第一共振器1。以这种方式，可调第二共振器2中增加的损耗将得以补偿。

优选地，耦合槽是圆形的；其形状应当依赖于所选定的模式。通常电流线(比较图1A-1F)不应当中断。通常它以圆形槽对所有模式起作用。它还可以是椭圆形的。对于矩形共振器，它可以是矩形的。

第一和第二共振器还可以有相同或不同的其它形状。接地平面也可以有同第一共振器相同的大小(和形状)或其它形状，只要不小于第一共振器就可以。

图中，天线形式的输入耦合装置4示为向微波设备输入微波信号，用于激发相关模式。从原理上讲，任何输入/输出耦合装置都可以使用，天线只是为了说明而采用的一种输入耦合装置实例。不同类型的输入/输出耦合装置在于1997年4月18日提交的申请号为9701450-0的瑞典专利申请“Arrangement and Method Relating to MicrowaveDevices”中做了讨论，本文引入参考了该专利内容。在该文献中，尤其说明了耦合装置如何用于偏压的施加。它还说明了同时还需要独立偏压装置及多个现有技术设备状态的可用耦合装置实例。本发明不限于将微波能量耦合进/耦合出设备的任何特定方式，最主要的是偏压施加到可调谐并耦合到另一不可调谐共振器的第二共振器，这两个共振器彼此耦合，从而使得可以重新分配电磁能。

图3公开了可以用于根据本发明共振器装置的第二共振器的一种实例。第二共振器2还可以是薄平行板微波共振器，薄在这里的意思是比共振器中的波长λ_g小，更确切说是d＜λ_g，其中d是共振器2的厚度，而λ_g是共振器中的波长。(如前面所讨论的，尽管大块衬底设备是优选的，但通常该装置可以是薄膜设备。)

图5说明了图4两个耦合共振器1、2的等效电路。z_in表示装置的输入阻抗。R₁、C₁表示第一不可调共振器1的电阻和电容。R₂、C₂表示第二共振器2的可调谐部分，而C₀5是将第一和第二共振器彼此耦合的耦合电容器。

参考图6A、6B、7A、7B、7C，接着是对图5等效电路输入阻抗模拟的说明和解释。在此假定d₁是第一共振器线性绝缘衬底的损耗因子，而d₂(U)是第二共振器非线性铁电衬底的损耗因子，它们都是偏压的函数。给定偏压V的单位为伏特，L(电感)的单位为nH。U₀和k是铁电材料的现象特性。模拟是对三个不同的偏压进行的，分别是V＝0，100，200V及U0＝200V。进一步假定C1＝2.5pF，C20＝120pF，及C₀＝200pF。L＝1.59×10^-9，m＝0.115，L2＝0.0517×10^-9H，d20＝3×10^-4及k＝30，L0＝L×m和L00＝L×(1-m)。

C2(U)＝C20/(1+(U/U0)²)，而d2(U)＝d20(1+k·(U/U0)²)。

图6A说明了C2(U)对所施加电压U的依赖性，而图6B说明了d2(U)对所施加偏压的依赖性。第一共振器的输入阻抗由下式给出：

$Z1\left(f\right)=\mathrm{i\ω}\left(f\right)\·L00+\frac{{10}^{12}}{\mathrm{i\ω}\left(f\right)\·C1}(1+i\·d1)$

而第二共振器的输入阻抗由下式给出：

$Z2(f,U)=i\·\mathrm{\ω}\left(f\right)\·L2+\frac{{10}^{12}}{\mathrm{i\ω}\left(f\right)\·C2\left(U\right)}(1+i\·d2\left(U\right))$

因此，等效电路的输入阻抗就是：

$Z(f,U)=[\frac{1}{\mathrm{i\ω}\left(f\right)L0}+\frac{1}{{Z1\left(f\right)+[\mathrm{i\ω}\left(f\right)\·C{10}^{-12}+Z2{(f,U)}^{(-1)}]}^{-1}}{]}^{-1}$

图7A说明了施加0电压时输入阻抗的实部和虚部。相应地，图7B、7C分别说明了施加100V和200V偏压时该阻抗的实部和虚部。如从图中可以看到的，对于0偏压共振频率是大约2459.4MHz，对于100V偏压是大约2509.3MHz，而对于200V偏压是大约2530.9MHz。100V和200V偏压的频率偏移ΔF分别是49.9MHz和71.5MHz。在给定的施压范围内，铁电可调谐衬底材料的损耗因子将改变大约30倍。但是，总的品质因子变化不会大于大约±30％。如果共振器的频段是大约0.5MHz，则共振器的品质因子将是ΔF/Δf≈71.5/0.5≈140。但是应当清楚，包括图6A、6B、7A、7B、7C只是为了说明和示意。

图8A示出了如图4所示包括一圆盘共振器的第一共振器1A的一种特定实例。它包括一个不可调谐的高质量线性衬底11A、可以是例如超导甚至高温超导的第一导电电极12A、及例如大于衬底11A和第一电极12A的第二电极13A。它也可以与第一电极12A有相同的尺寸。第二电极板13A为图8B中的第一共振器1A和第二共振器2A充当公共接地平面。公共接地平面13A包括将第一共振器1A和第二共振器2A彼此耦合的耦合装置5A。

第二共振器2A包括位于由例如STO制成的铁电衬底上的第一电极22A，该共振器是非线性的且具有(非常)高的介电常数。包括具有连接导线的可变电源V₀3的偏压装置连接到公共接地平面13A及第二共振器2A的第一电极板22A。优选地，TM₀₂₀模式是通过输入耦合装置(该图中未示出)来激发的.耦合装置5A可以包括一个圆形或椭圆形的槽，根据施加到第二共振器2A的偏压，电磁能可以通过该槽从第二共振器2A重新分配到第一共振器1A。

图9A、9B以与图8A、8B相似的方式说明了一起构成另一种共振器装置的第一共振器1B(图9A)和第二共振器2B(图9B)，其中第一和第二共振器1B、2B是方形的。与前面的实施方案相似，第一共振器1B包括不可调谐，如由LaAlO₃制成的，高质量线性材料，而第二共振器2B包括由例如STO制成的可调谐铁电材料。第一共振器1B包括可于图8A该电极板类似的第一电极板12B，区别在于它是方形的，但是如图所示，它还可以包括一非常薄(薄是为了不影响表面阻抗)的超导层12B₁，在衬底另一侧该超导层被例如金、银、铜或用于保护的相似材料制成的超导高导电薄膜12B₂所覆盖。特别地，该超导薄膜是高温超导的，例如由YBCO制成。

以一种对应的方式，第二共振器2B包括具有被非超导金属层22B₂覆盖的(高温)超导层22B₁的第一电极板22B。与前面的实施方案相似，第一和第二共振器1B、2B包括公共接地平面，该公共接地平面构成两个共振器的第二电极板13B，在该特定的实现中，第二电极板13B包括在另一侧被非常薄的非超导金属层13B₂、13B₃覆盖的(高温)超导层13B₁。可选地，接地平面只包括超导层。偏压施加到第二共振器2B的第一和第二电极22B、13B之间，然后电磁能就可以通过耦合装置5B重新分配到第一共振器1B，在这里耦合装置5B包括一个矩形槽。应当清楚，耦合装置不一定必须是矩形槽，只要对所关心模式考虑到了电磁能的传输，它可以是任何能够给出期望属性的孔。例如，它也可以是圆形或椭圆形的。此外，电极可以只包括普通金属。

此发明概念也适用于双模工作的共振器、振荡器、滤波器，由此以不同方式提供如在本文引用参考的专利申请“Tunable MicrowaveDevices”中公开的双模操作。

图10为了说明示出了一种双模共振器装置非常简化的顶视图，该装置包括输入4C_in、输出4C_out耦合装置和提供耦合使能双模操作的突起部分6。双模操作共振器装置还可以矩形共振器或以其它适当方式提供。用于在第一和第二共振器之间耦合的耦合槽用虚线圈来说明。

参看图11，在一种实现中，该发明概念扩展到可调滤波器100。假定提供了两个共振器装置10D、10E，分别包括第一共振器1D、1E和第二共振器2D、2E，第一共振器和第二共振器共用公共接地平面13F。在该实施方案中，第一共振器1D、1E包括公共衬底11C。可选地也可以是独立衬底。共振器装置之间的距离给出了滤波器的耦合强度。例如可以假定共振器装置包括如图4-8中所描述的圆盘共振器或任何其它可选类型的共振器，最主要的是在此所讨论的两个共振器装置是用来提供可调两极滤波器的。每个共振器装置共振器之间的耦合是通过耦合装置5D、5E来提供的。通过使用可调圆盘共振器，功率控制能力将比使用薄膜共振器的要高。输入、输出耦合装置在此图中未做说明。

图12说明了图11中由传输线段连接的两极滤波器100的等效电路。图中说明第一共振器装置10D具有对应于第一不可调共振器1D的电阻R_1D和电容C_1D，而可调共振器2D包括电阻R_2D和电容C_2D，这两个共振器是通过由电容器C₀₄表示的耦合装置耦合的。图中对共振器电感L₀₄、L₀₀₄；L₀₅、L₀₀₅的说明参考前面对图6A、6B、7A、7B的解释。连接到第一共振器装置的是包括第一共振器1E、第二共振器2E和对应于耦合装置5E的耦合电容器C₀₅的第二共振器装置10E，第一共振器1E和第二共振器2E分别具有不可调谐和可调谐的元件电阻R_1E、C_1E和R_2E、C_2E。假定两极滤波器是由传输线段连接的。在示意图中，外部线的特征阻抗Z₀＝50Ω，耦合线的特征阻抗Z₀₁＝45Ω，耦合线在中心频率处的电长度是80°。

图13A、13B示出了图10可调两极滤波器的模拟线。单位为dB的插入损耗和回波损耗对应于偏压传输率T和反射。对于三个不同值的偏置电压V给出Γ。在图13A中，T₁对应于0偏压处作为频率函数的传输率，T₂对应于100V偏压处作为单位为GHz的频率函数的传输率，而T₃是200V偏压处作为频率函数的传输率。相应地，图13B中示出0V、100V、200V偏压时的反射率Γ₁、Γ₂、Γ₃。可以看到，即使在较高的偏压下，插入损耗和回波损耗也可以维持。平均带宽是15MHz，而可调谐范围是大约70MHz，其插入损耗≈0.5dB。第二共振器铁电材料显著增加的损耗因子在很大程度上通过应用本发明的概念得到了补偿。

应当清楚，在不背离附加权利要求范围的前提下，该发明概念可以很多种不同的方式变化。特别地，共振器可以是其它的不同形状，它们可以包括前面讨论过的不同衬底材料，它们可以包括非超导或尤其是(高温)超导电极等。它们还可以单模工作或双模工作，而且任何适当类型的耦合装置都可以用于电磁能的耦合来激发期望的模式，即所选定的模式，尤其是TM₀₂₀模式。但是，也可以适当的方式选择任何其它模式。

还可以使用该概念建立不同类型的滤波器，带通滤波器及带阻滤波器等。

Claims (27)

1、一种可调共振装置，包括共振器装置(10；100)、用于将电磁能耦合进/耦合出该共振器装置的输入/输出耦合装置(4；4C_in，4C_out)、及将偏压/电场施加到该共振器装置的调谐装置(3)，

特征在于该共振器装置包括第一共振器(1；1A；1B；1C；1D；1E)和第二共振器(2；2A；2B；2D；2E)，所述第一共振器是不可调谐的，而所述第二共振器是可调谐的且包括铁电衬底(21)，所述第一和第二共振器是由该第一和第二共振器共用的接地平面(13；13A；13B；13F)隔开的，提供耦合装置(5；5A；5B；5C；5D；5E)来提供所述第一和第二共振器之间的耦合，

特征还在于为了调谐该共振器装置，偏压/电场施加到第二共振器(2；2A；2B；2D；2E)。

2、根据权利要求1的可调共振装置，

特征在于第一共振器(1；1A；1B；1C；1D；1E)是圆盘共振器或平行板共振器。

3、根据权利要求1或2的可调共振装置，

特征在于第二共振器(2；2A；2B；2D；2E)是圆盘共振器或平行板共振器。

4、根据权利要求2的可调共振装置，

特征在于第一共振器包括介电衬底(11；11A；11B；11C)，其介电常数不会随所施加的偏压变化，该衬底位于第一和第二电极之间，还在于第一共振器的第二电极构成接地平面。

5、根据权利要求4的可调共振装置，

特征在于第一共振器的介电衬底(11；11A；11B；11C)包括LaAlO₃、MgO、NdGaO₃、Al₂O₃或蓝宝石。

6、根据权利要求4的可调共振装置，

特征在于第一共振器(1；1A；1B；1C；1D；1E)具有10⁵-5·10⁵的高品质因子(Q)。

7、根据权利要求4-6任何一项的可调共振装置，

特征在于第二共振器(2；2A；2B；2D；2E)包括可调铁电衬底和第一(22；22A；22B)及第二电极(13；13A；13B；13F)，还在于第二共振器的第二电极构成公共接地平面，从而与第一共振器的第二电极是共同的。

8、根据权利要求7的可调共振装置，

特征在于第二共振器的铁电衬底(21；21A；21B)包括SrTiO₃、KTaO₃或BaSTO₃。

9、根据权利要求4的可调共振装置，

特征在于第一和第二电极，即第一电极和公共接地平面，包括普通非超导金属，所述普通非超导金属包括金、银、铜。

10、根据权利要求4的可调共振装置，

特征在于第一和第二电极，即第一电极和公共接地平面，包括超导材料。

11、根据权利要求4的可调共振装置，

特征在于第一和第二电极，即第一电极和公共接地平面，包括高温超导材料，所述高温超导材料包括YBCO。

12、根据权利要求4的可调共振装置，

特征在于当偏压施加到所述第二共振器(2；2A；2B；2D；2E)时，电磁能将通过耦合装置(5；5A；5B；5C；5D；5E)重新在第二和第一共振器之间分配。

13、根据权利要求12的可调共振装置，

特征在于电磁能的分配依赖于偏压。

14、根据权利要求13的可调共振装置，

特征在于从第二共振器到第一共振器的电磁能传输随偏压的增加而增加。

15、根据权利要求10的可调共振装置，

特征在于第二共振器的共振频率和损耗角正切随所施加偏压的增加而增加，

还在于从第二共振器到第一共振器的电磁能传输也增加，自动对第二共振器增加的损耗角正切进行补偿，从而减小其对耦合共振器装置的影响。

16、根据权利要求1的可调共振装置，

特征在于第一和第二共振器包括薄膜衬底。

17、根据权利要求1的可调共振装置，

特征在于它包括至少两个共振器装置，

还在于公共接地平面(13；13A；13B；13F)对构成可调滤波器(100)的至少两个共振器装置是共用的。

18、根据权利要求1的可调共振装置，

特征在于对于每个共振器装置，耦合装置都包括公共接地平面中的一个槽或孔(5；5A；5B；5C；5D；5E)。

19、根据权利要求1的可调共振装置，

特征在于每个共振器都是圆形、方形、矩形或椭圆形的。

20、根据权利要求19的可调共振装置，

特征在于它包括一个双模共振器装置，

还在于每个共振器都包括一个支持双模操作的突起(6)、断流器或扰动。

21、一种可调共振器装置，

特征在于它包括第一共振器和第二共振器，所述第一共振器是不可调谐的，而所述第二共振器是可调谐铁电共振器，所述第一和第二共振器是由该第一和第二共振器共用的接地平面隔开的，提供耦合装置来提供所述第一和第二共振器之间的耦合，

还在于为了调谐该共振器装置，一个偏压施加到第二共振器。

22、根据权利要求21的可调共振器装置，

特征在于第一共振器和第二共振器包括平行板共振器，公共接地平面是由第一共振器的第二电极板和第二共振器的第二电极板构成的，

还在于耦合装置包括公共接地平面中的一个槽或孔。

23、根据权利要求22的可调共振器装置，

特征在于第一共振器包括由LaAlO₃、MgO、NdGaO₃、Al₂O₃或蓝宝石制成的大块或薄膜衬底，

还在于第二共振器包括由SrTiO₃或KTaO₃制成的大块或薄膜衬底，所述电极板包括普通金属、超导体或高温超导体。

24、一种调谐共振器装置的方法，

特征在于它包括以下步骤：

-提供第一不可调共振器，

-提供第二可调共振器，从而第一和第二共振器由公共接地平面隔开并共享该公共接地平面，

-在所述公共接地平面中提供耦合装置，使第一和第二共振器相耦合，以允许第一和第二共振器之间的电磁能传输，

-向所述第二共振器施加偏置/调谐电压，增加第二共振器的共振频率、损耗角正切，及向第一共振器的电磁能传输，

-优化偏压的施加，使可以通过增加向第一共振器的电磁能传输来补偿第一共振器中增加的损耗角正切对耦合共振器装置的影响。

25、权利要求24的方法，

特征在于第一共振器和第二共振器包括圆盘或平行板共振器，公共接地平面是由第一共振器的第二电极板和第二共振器的第二电极板构成的，

还在于耦合装置包括公共接地平面中的一个槽或孔。

26、权利要求24-25任何一项中的方法，

特征在于第一共振器包括由LaAlO₃、MgO、NdGaO₃、Al₂O₃或蓝宝石制成的大块或薄膜衬底，

还在于第二共振器包括由SrTiO₃或KTaO₃制成的大块或薄膜衬底，所述电极板包括普通金属、超导体或高温超导体。

27、权利要求24的方法，

特征在于它包括步骤：

-将两个或多个共振器装置耦合，从而提供一个滤波器，

-优化对应第一和第二共振器之间的耦合，从而可以降低铁电衬底中由于增加偏压而产生的增加的损耗因子。

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