CN1290052A - 平面滤波器和滤波器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面滤波器,包括:一个滤波器部件,它有由超导体薄膜形成的多个谐振元件和经电介质衬底上的间隙置于所说谐振元件的两个侧面的输入/输出部分;以及由磁性材料形成的一个调谐部件,所说调谐部件经一个预定的间隙置于所说滤波器部件的对面,而且对其施加一直流磁场。所说调谐部件包括介电常数调整部分,调整所说谐振元件之间的间隙边缘和所说输入/输出部分和所说谐振元件之间的间隙边缘中至少一个的有效介电常数。

Description

平面滤波器和滤波器系统

本申请涉及1999年9月29日在日本申请的日本专利申请No．H11-276626公开的主题，该申请根据巴黎公约要求优先权，并在此引入以作为参考。

本发明涉及一种平面滤波器，它通过在一个调谐部件的对面放置一个滤波器部件而构成，本发明特别涉及一种使用超导体作为滤波器材料，用于通信装置以及类似装置的技术。

在通过无线电或电缆完成信息通信的通信装置中，用于只提取所需频带的滤波器是一个重要的组成部件。为实现频率的有效利用，以及节省能量，需要一种衰减特性好而且插入损耗小的滤波器。

为满足这种需要，Q值高的谐振元件是一个滤波器必要的构成元件。作为一种实现高Q值谐振元件技术，已经提出了一种使用超导体作为构成谐振元件的导体，以及在衬底上使用诸如蓝宝石或MgO等损耗极低的材料的技术。在这种技术下，可获得10000或更高的Q值，而且谐振特性变得很剧烈。另一方面，在设计和制造滤波器时，有一个问题是，谐振特性必须以高精确度作调整。

也就是说，处理过程中衬底介电常数的轻微漂移，或导体轻微的处理误差，谐振特性就会发生巨大的变化，而且无法得到预期的滤波器特性。此外，即使获得了预期的滤波器特性，仍会有问题发生，即，随时间或环境温度的变化，滤波器特性也会产生偏离。

另一方面，为了省去变频器和降低成本，提出了一种利用前述的高Q值以及直接滤波一个GHz频带的高频信号的技术。同样在这种情况下，毋需多言，该谐振元件的谐振特性必须高度精确地作调整，但如果通过正向改变谐振频率，随机频率可用一个滤波器选择，那么可简化滤波器的结构，也可实现成本的降低。

另外，作为一种消除前述的滤波器特性偏离的技术，比如，有一种技术能在谐振元件上配置一种介电常数随电压变化的电介质，以及在电介质附近放置一个电压施加电极。

在这种技术下，通过可变地控制用于安排电极配置位置的位置和施加的电压，介电常数可局部和独立地被改变。结果，这使得能单独和独立地调整：(1)该谐振元件的谐振频率，(2)谐振元件之间的耦合，和(3)谐振元件和输入／输出部分之间的耦合，这通常对调谐该滤波器的通频带是必要的。特别地，该通频带能可变地控制，而且可调整边缘特性和波纹，以便获得理想的特性。在此，边缘特性指示该通频带两侧的上升和下降特性，而波纹指示该通频带的凹陷程度特性。通常，最好是边缘特性陡峭而波纹小。

然而，在传统的技术中，用于改变介电常数的电介质，以及用于施加电压的电极都是必不可少的构成元件，由电介质和电极带来的损耗将谐振元件的Q值降低到几百或更少，而且很难获得衰减特性好而插入损耗小的谐振元件和滤波器。

另一技术是在微波传输带结构的谐振器上配置一种磁(YIG)板，其磁导率根据施加的磁场而变化，并从外部均匀地施加该磁场到该磁板以改变谐振频率。

在这种技术下，与前述的电介质控制系统相比，不必采用电极，YIG的损耗比电介质的要小，而且该谐振元件的Q值因此能改善10倍。然而，当这种技术应用到调谐滤波器特性时，只有均匀的磁场才能施加到相应的谐振元件，以及谐振元件之间或施加到输入／输出部分，调谐滤波器通频带所必要的前述(1)到(3)的单独和独立的调整因此不可能实现，而且问题是通频带的改变使边缘特性和波纹变坏。

本发明的提出考虑到前述问题，因此本发明的一个目的是提供一种平面滤波器，它能以高精确度可变地控制通频带，而且具有更好的边缘特性和更小的波纹。

本发明的另一目的是提供一种平面滤波器，它能单独和独立地调整作为滤波器构成部分的谐振元件的谐振频率，在谐振元件之间耦合，以及在谐振元件和输入／输出部分之间耦合。

本发明的再一个目的是提供一种平面滤波器，它能高速和大范围内调谐通频带，其结构简单却不损失超导体的低损耗特性。

为实现前述目的，本发明提供一种平面滤波器，它包括：

一个滤波器部件，其中超导体薄膜的多个谐振元件，以及位于这些谐振元件两侧的输入／输出部分是经电介质衬底上的间隙形成的；和

一个由磁性材料形成的调谐部件，经一个预定的间隙置于该滤波器部件的对面，而且在其上施加直流磁场。

该调谐部件包括一个介电常数调整部分，它能调整谐振元件之间间隙边缘以及输入／输出部分与谐振元件之间间隙边缘中至少一个的有效介电常数。

根据本发明，滤波器部件置于调谐部件的对面，而且该调谐部件能调整滤波器部件中谐振元件之间间隙边缘以及输入／输出部分和谐振元件之间间隙边缘中至少一个的有效介电常数。由于这个原因，当改变滤波器的通频带时，边缘特性可得到改善，而且可消除波纹。

此外，还提供一种平面滤波器，它包括：

一个滤波器部件，其中超导体薄膜的多个谐振元件和置于这些谐振元件两侧的输入／输出部分是经电介质衬底上的间隙形成的；和

一个调谐部件，经一个预定的间隙置于该滤波器部件的对面。

该调谐部件包括：

第一磁性材料，置于输入／输出部分和谐振元件之间的一个间隙对面；

第二磁性材料，置于每个谐振元件的对面；

第三磁性材料，置于谐振元件之间的一个间隙对面；和

用于调整第一到第三磁性材料的磁导率的磁场产生装置。

根据本发明，通过配置包含第一到第三磁性材料的调谐部件到该滤波器部件的对面，以及调整第一到第三磁性材料的磁导率，谐振频率、谐振元件之间的耦合、以及谐振元件和输入／输出部分之间的耦合能可变地控制，而且边缘特性、波纹、以及其他滤波器特性可得到改善。

图1示出了根据本发明的一种平面滤波器的第一个实施例的结构视图。

图2为图1的A-A方向的截面图。

图3示出了图1的滤波器的使用状态视图；

图4示出了根据本发明的平面滤波器的第二个实施例视图：图4A为一个滤波器部件的透视图；而图4B为一个调谐部件的透视图；

图5是该调谐部件的平面视图；

图6示出了该过滤器部件被翻转并置于该调谐部件的对面视图；

图7示出了磁性材料也置于调谐部件背面一侧以形成一个闭合磁路的视图；

图8示出了本实施例的滤波器频率通导特性图；

图9示出了一个电极以交叉指型形成的视图；

图10示出了滤波器通导特性图；

图11示出了该平面滤波器的第二个例子的结构视图：图11A为该滤波器部件的平面视图；图11B为该调谐部件的平面视图；而图11C为图11平面滤波器的截面图；

图12示出了电极以交叉指型形成的视图；

图13示出了YIG的磁导率图；

图14示出了磁性材料截面区域总是设置为常数的说明性视图。

下文中将参考附图详细描述本发明的平面滤波器。

图1示出了根据本发明的平面滤波器的第一个实施例的结构视图，而图2为图1在A-A方向上的截面视图。

如图2所示，本实施例的平面滤波器的构成方式是，平面滤波器部件1经一个预定间隙置于一个类似的平面调谐部件2的对面。

图1示出了滤波器部件1配置到调谐部件2对面之前的状态，而图1的虚线示出了当该滤波器部件置于调谐部件对面时的垂直重叠位置。

图1的滤波器部件1为微带线结构的带通滤波器，其中由超导体形成的一对输入／输出部分5，以及类似地由超导体形成的多个谐振元件6置于衬底4上，衬底4的背面一侧为接地面3。

图1的调谐部件2的构成方式为，多个电介质薄膜8以及用于施加电场到电介质薄膜8的多个电极9位于磁板7的表面(图1的较低面)，磁板7的磁导率根据施加的磁场改变。每个电介质薄膜8置于滤波器部件1的谐振元件6之间的间隙对面位置，或者置于滤波器部件1的谐振元件6和输入／输出部分5之间的间隙对面位置。

在图1中，电介质薄膜8和电极9对应介电常数调整部分，而电介质薄膜8对应电介质部分，电极9对应电场产生部分。

如图2所示，一束微波作为过滤对象输入到滤波器部件1的输入／输出部分5的输入端。此外，图2箭头Y1所示的直流磁场从输入／输出部分5的一端施加到输入／输出部分5的另一端。这个磁场可变地控制滤波器通频带。

如图3所示，图1中的平面滤波器包含在铜(Cu)容器11内。容器11再置于杜瓦瓶12内。容器11与制冷器13的冷端部14保持热接触。用于在图2箭头Y1方向产生磁场的线圈15绕在容器11的外壁上。

此外，在图3忽略的杜瓦瓶12的外面，放置有一个电压施加电源，用于施加一个电压到图1中的电极9，以及放置有一个线圈激励电源，用于激励线圈。通过可变地控制将要提供给该电源的电压，可控制图1中滤波器的通导频率、边缘特性或波纹。

图3示出了一个例子，其中滤波器的次级放大器(未示出)不包含在杜瓦瓶12中，但该放大器可以包含在杜瓦瓶12内。此外，为简化起见，图3示出了其中只有一个平面滤波器置于杜瓦瓶12内的例子，但多个滤波器可如图3的虚线所示包含在杜瓦瓶12内。

接下来将描述图1所示平面滤波器的第一个实施例的一个操作。决定图1平面滤波器通频带的因数有谐振元件6的长度、以及谐振元件6周围介质的有效的介电常数ε和有效磁导率。此外，边缘特性和波纹由谐振元件6的空载Q值、谐振元件6之间的耦合、以及谐振元件6和输入／输出部分5之间的耦合限定。

谐振元件6之间，以及谐振元件6和输入／输出部分5之间的耦合由间隙长度、以及间隙周围介质的有效介电常数ε和有效磁导率μ确定。当直流磁场通过图3所示的外部线圈15施加到图1的调谐部件2上时，有效磁导率μ完全改变，而且所有谐振元件6的谐振频率可均匀地偏移。

在此，谐振元件6的谐振频率f用有效介电常数ε、有效磁导率μ、谐振元件6的长度L以及光速C的公式(1)表示为： $f=C/2\mathrm{\πL}\sqrt{\mathrm{\ϵ\μ}}...\left(1\right)$

从公式(1)可看出，当有效磁导率μ改变时，谐振频率f根据有效磁导率的变化而变化。当谐振频率f改变时，滤波器的通频带也随之改变。

如上所述，当直流磁场以箭头Y1方向施加到图1滤波器时，滤波器的通导特性在频率轴上偏移，而谐振元件6之间的耦合，以及谐振元件6和输入／输出部分5之间的电磁耦合也随之改变，而且滤波器边缘特性、波纹、以及其它滤波器特性也不同于设计。

在这种情况下，在本实施例中，通过在位于图1的电介质薄膜8附近的电极9之间施加电压，谐振元件6之间间隙的有效介电常数ε、或谐振元件6和输入／输出部分5之间间隙的有效介电常数ε可变地受控，而且调整了边缘特性和波纹。

此外，在本实施例中，由于具有较大介质损耗的电场相关介电常数的电介质仅用在谐振元件6之间间隙或谐振元件6和输入／输出部分5之间间隙的对面部分，就不会严重损害谐振元件6的空载Q值、滤波器插入损耗以及边缘特性。

第二个实施例的特征在于谐振元件6的谐振频率、谐振元件6之间的耦合、以及谐振元件6和输入／输出部分5之间的耦合可单独和独立地调整。

图4示出了根据本发明的平面滤波器第二个实施例的视图。图4A是滤波器部件1的透视图；而图4B是调谐部件2的透视图。此外，图5是调谐部件2的平面视图。

图4平面滤波器的特征在于，该调谐部件2的结构不同于第一个实施例(图1)中的结构，而滤波器部件1的结构类似于图1中的结构。

图4A的滤波器部件1类似于图1，其特征在于超导体在衬底4的两个表面形成，一个表面用作接地面导体，另一表面上的超导体经处理，分别形成一对输入／输出部分5以及多个谐振元件6。

图4B的调谐部件2有第一磁性材料21，置于输入／输出部分5和谐振元件6之间间隙的对面；第二磁性材料22，置于置于谐振元件6的对面；第三磁性材料23，置于谐振元件6之间间隙的对面；第四和第七磁性材料31和41，置于磁性材料21的两侧；第五和第八磁性材料32和42，置于磁性材料22的两侧；第六和第九磁性材料33和43，置于磁性材料23的两侧；以及线圈51、52和53，它们中的每一个均与磁性材料31、32和33的每一个的一端相连。

图4的平面滤波器与图3的类似，包含在铜(Cu)容器11内，置于杜瓦瓶12内。

滤波器部件1或调谐部件2中的任意一个翻转并置于另一部件的对面，图6示出了滤波器部件1翻转并置于调谐部件2的对面。如图所示，磁性材料22置于谐振元件6的对面，磁性材料23置于谐振元件6之间间隙的对面，而磁性材料21置于谐振元件6和输入／输出部分5之间间隙的对面。

另外，图4B中，示出了磁性材料21和23通过阴影线与磁性材料31至33、41至43分隔开，但这些材料可形成不同部件，或同一部件。

磁性材料41至43配置方式为，施加到磁性材料21至23的磁场在滤波器部件1上的超导体5和6之外的空间扩散，不必要经磁性材料21至23对称地布置磁性材料31至33和磁性材料41至43。

此外，如图7所示，磁性材料也可置于调谐部件2的背面以形成一个闭合磁路，这样由线圈产生的磁场就不会外泄。通过这个结构，泄漏的磁通量减少了，可防止超导体特性由于磁场而变坏，而且能降低提供给线圈51至53的功率。

如前述公式(1)所示，决定滤波器通导频率的主要因数为谐振元件6的长度、以及谐振元件6附近的有效介电常数ε和有效磁导率μ。此外，决定边缘特性和波纹的主要因数为谐振元件6的Q值、谐振元件6之间的耦合量、以及谐振元件6和输入／输出部分5之间的耦合量。

图8示出了本实施例滤波器的频率通导特性图。当图4B的线圈51、52、53不产生磁场时，如实线a所示，在中心频率f1，没有波纹，而且边缘特性处于令人满意的状态。

在这种状态下，当图4B的线圈52产生磁场时，谐振元件6附近的磁导率改变，而且滤波器通频带可偏移到f₂。然而，在图4B的线圈52产生磁场之前，由于谐振元件6之间以及谐振元件6和输入／输出部分5之间的耦合被设置到适合于通频带的值，只需要通过线圈52产生磁场，如图8的虚线b所示，波纹产生了，而边缘特性变坏了。

因此，在第二个实施例中，由图4B的线圈51和53产生磁场，而且磁性材料21和23的磁导率变化到理想的值。结果，谐振元件6之间以及谐振元件6和输入／输出部分5之间的耦合被设置到理想值，如图8的实线c所示，可获得令人满意的频率特性。

此外，由于磁性材料21至23的损耗足够小，可始终如一地维持使用超导体特性的低损耗和尖切滤波器特性。

在前述第一和第二实施例中，两级的带通滤波器已作为例子描述，但本发明也能应用到其它级的滤波器。此外，滤波器类型并不限于带通滤波器，本发明也能应用于其他诸如带阻滤波器、低通滤波器以及高通滤波器等类型的滤波器。另外，没有必要限制滤波器外型体现一种耦合到端部耦合类型的方式，本发明也可应用于诸如侧耦合等其它耦合类型。同样没有必要的是限制微带线结构，也可采用其它的任何结构，只要由谐振元件6的长度以及间隙决定特性，而且本发明也可应用于如共面结构。

本发明的具体例子将在下文中描述。(第一个具体例子)

下文中描述的第一个具体例子是在第一个实施例描述的图1中滤波器的具体例子，而且要描述的是一种4．8GHz频带的微带线结构的带通滤波器。

在本例中，0．5mm厚的LaAlO₃用作滤波器部件1的衬底4。通过溅射法在衬底4的两面上形成500nm厚的Y基超导体薄膜，其中一面的超导体薄膜用作接地面3，另一面的超导体薄膜经由离子铣方法处理，形成输入／输出部分5和具有理想谐振频率的多个谐振元件6，而且准备好了微带线结构的滤波器部件1。

每个谐振元件6宽170μm，长8mm且谐振频率为4．8GHz。此外，谐振元件6之间设置100μm的间隙，谐振元件6和输入／输出部分5之间设置70μm的间隙。

另一方面，对调谐部件2，首先，通过溅射法在0．5mm厚的Y₃Fe₅O₁₂(YIG)磁板7上形成7nm厚的氧化导体膜SrRuO₃(下文中称为SRO膜)，磁板7的饱和磁化强度为750高斯。

SRO膜接着经过离子铣方法处理，在滤波器部件1的谐振元件6之间的间隙部分以及谐振元件6和输入／输出部分5之间的间隙部分的对面部分形成线宽为10μm，间隙宽为40μm的一对电极9。

接下来，使用金属罩，介电常数依赖于所施加电场的SrTiO₃电介质薄膜8(下文中称为STO膜)，通过溅射法覆盖在前述间隙部分的对面厚达500nm。电极9的外型可以是不同于图1所示的双线型，或为图9所示的交叉指型(梳型)。

对滤波器特性的评估依下述执行。在将前述处理中准备的滤波器部件1和调谐部件2面对面以间隙0．3mm组装到容器11中后，如图3所示，将线圈15绕在容器11的外壁。

接下来，将容器11置于杜瓦瓶12内，并与可冷却到40K的制冷器13相连，进行制冷以达到60K，然后通过矢量网络分析仪测量微波功率的通导特性和反射特性。

在将80V电压提供到电压施加电极9，和没有电流通过磁场施加线圈15的状态下，也就是说，在图10中曲线d所示的零磁场的状态下，滤波器通导特性在通带上是平坦的，插入损耗为1dB或更小，两端的上升和下降沿(边缘特性)很陡，显示了令人满意的滤波器特性。

接下来，当电流通过图3中的磁场施加线圈15，并施加300奥斯特(Oe)场强时，如曲线e所示，通带的中心频率以Δf=38MHz偏移到高频一侧，但通带中的不规则性(波纹)增加了，同时边缘特性也变坏了。

在这种状态下，当应用到图1中电压施加电极9上的电压设置为40V时，如曲线f所示，当通过频带中心频率为(f+Δf)时，波纹减小了，而边缘特性改善了，显示出令人满意的滤波器特性。

在本例中，为简化描述，在零磁场施加的电压为80V作为初始状态，如曲线d所示，但当在零磁施加的电压为0V时，通带中心频率f类似于曲线d所示，得到如曲线e所示的大波纹特性。

当滤波器部件1置于接近于调谐部件2时，在施加300奥斯特(Oe)磁场强度的情况下的频率偏移为149MHz，这大约是前述偏移的4倍，而且插入损耗增加，为2dB。此外，与上面的描述类似，由电压施加电极9施加电压到电介质可调整由频率调谐引起的滤波器特性的变化。

如上所述，由于本例的滤波器可通过电压施加电极9随意调整边缘特性和波纹，那么可在较大范围内可变地控制通频带，而不使滤波器的诸如边缘特性和波纹特性等变坏。

此外，在本例中，由于作为空载Q值变坏原因的电介质薄膜只用于有限部分，如谐振元件6之间的间隙，那么就不会损失作为超导体特性的损耗降低特性。

另外，对于前述的第一个具体例子，如图1所示，已描述了平面滤波器部件1和调谐部件2互相并行设置的例子，而且也实验了滤波器部件1与调谐部件2没有并行设置的情况。结果，与并行配置相比，滤波器插入损耗增加了，而且无法获得陡峭的边缘特性。

此外，在前述第一个具体例子的结构中，置于滤波器部件1的上面(或下面)的调谐部件2的磁性材料需要覆盖滤波器部件1超导体部分的整个表面。在只覆盖一部分的结构中，滤波器插入损耗增加，而且无法获得陡峭的边缘特性。(第二个具体例子)

在下文中描述的第二个具体例子与第一个具体例子类似，是第一个实施例的具体例子，而且示出了通频带约为2GHz的例子。

图11示出了平面滤波器第二个具体例子的结构视图。图11A是滤波器部件1的平面视图，图11B是调谐部件2的平面视图，而图11C是图11的平面滤波器的截面视图。

图11的平面滤波器在结构和制造方法上类似于图1的平面滤波器，除了平面滤波器部件1上的谐振元件6的外型不同外。

如公式(1)所示，当谐振频率降低时，谐振元件6的长度L增长。因此，在图11的滤波器部件1中，谐振元件6通过折叠并布置自身而变长。

在本例中，滤波器部件1上的谐振元件6的宽度设置为170μm，长度为20．2mm，谐振元件6之间的间隙为1．2mm，而且谐振元件6和输入／输出部分5之间的间隙为340μm。结果，获得了同样的性能。

本发明申请人是在下述条件下进行试验的：调谐部件2的电极9，如图12所示，为交叉指型，电极9的线宽设为10μm，线间隙设为40μm，谐振元件6之间的电极9的数量设为24，谐振元件6和输入／输出部分5之间的电极9的数量设为6，以及滤波器部件1和调谐部件2之间的间隙设为0．3mm。

在带通滤波器通带为2GHz频带的情况下，当磁性材料的饱和磁化强度设为750高斯，类似于4．8GHz的滤波器时，插入损耗为20dB或更高，而且该滤波器简直无法忍受它的使用。对于2GHz频带的带通滤波器，通过设置磁性材料的饱和磁化强度为300高斯或更小，获得的插入损耗实际值可为1dB或更小。

随着施加到电极9的电压和施加的磁场的变化，滤波器特性的变化类似于第一个具体例子，但施加300奥斯特磁场强度时中心频率变化了38MHz。

当滤波器通导频率f(MHz)和磁性材料饱和磁化强度4πMs(高斯)之间的关系、插入损耗以及滤波器特性完成检查，以及当用在滤波器中的磁性材料的饱和磁化强度4πMs的通导频率f从4πMs＜f／6．3条件下偏移时，本发明的平面带通滤波器的插入损耗快速增加，而且边缘特性也缓和了。(第三个具体例子)

下文中描述的第三个具体例子是第二个实施例描述的图4中滤波器的具体例子。

在第三个具体例子中，以下述方式准备图4所示的平面滤波器。在纵向尺寸为40mm、横向尺寸为20mm、厚度为0．5mm的LaAlO₃单晶衬底4的两个表面上，通过溅射法、激光汽相淀积法、CVD(化学汽相淀积)法或类似方法，形成500nm厚的YBCO超导体膜。接着，其中一个表面通过平板印刷术法处理以形成输入／输出部分5以及谐振元件6。接下来，背面13用作接地面3，也准备好了微波传输带结构的两级带通滤波器。

谐振元件6的宽度设置为170μm，长度为8mm，谐振元件6之间的间隙为100μm，谐振元件6和输入／输出部分5之间的间隙为50μm。

此外，以下述方法准备图4B所示的调谐部件2。在纵向尺寸为35mm、横向尺寸年为30mm、厚度为1mm的非磁性陶瓷衬底4的整个顶面上，形成一个由Y₃Fe₅O₁₂(YIG)组成的磁性材料，以通过一个应用方法获得100μm的厚度。

接着，用一个激光束处理器处理YIG厚膜，其尺寸如图5所示，以获得图4B的形式。在本例中，以同样的材料连续形成磁性部件21至23、31至33、41至43，但也可用不同的材料形成。

接下来，如图4B所示，用一个固定的夹子(未示出)将磁场产生线圈51至53置于磁性材料31至33的附近。对于线圈51、53，内径设置为2mm，外径设置为4mm，长度设置为5mm。对于线圈52，内径设置为3mm，外径设置为10mm，长度设置为10mm。

对于51至53的每个线圈，直径为0．1mm的导体每1cm绕800次，以便由100mA的直流供电产生约为100Oe的磁场。

一般来讲，当磁场施加到YIG磁性材料时，YIG的磁导率的改变如图13所示。特别地，零磁场的磁导率随着磁场的施加单调递减。

接下来，图4A所示的滤波器部件1以如下方式覆盖到图4B所示的调谐部件2上：其上形成谐振元件6的表面与其上形成磁性材料21至23的表面相对。

特别地，磁性材料21置于谐振元件6和输入／输出部分5之间间隙的对面，磁性材料22置于谐振元件6的对面，而磁性材料23置于谐振元件6之间的间隙对面。本例的平面滤波器即以这种方式准备。

图8示出了当本例的滤波器冷却到40K时的通导特性图。当不施加磁场时，通频带的中心频率f1为4．8GHz，而带宽为15MHz。

在这种情况下，通导频带很平坦而且基本没有波纹，插入损耗为1dB或更小。此外，通频带两侧的上升和下降沿特性(边缘特性)很陡，由于这个原因，显示出相当令人满意的带通滤波器特性。

接下来，通过从线圈52流过100mA的电流，并产生100Oe的磁场，该磁场施加到磁性材料22上。结果如图8的虚线b所示，通导频率的中心频率f2以20MHz偏移到高频一侧但在通带中产生2dB(凹陷部分)的波纹，而且边缘特性也变坏了。

此外，在这种状态下，通过从线圈51流过30mA的电流和从线圈53流过40mA的电流，将磁场施加到磁性材料21和23上。结果如图8的实线c所示，通频带的中心频率f2没有改变，波纹消除了，边缘特性改善了，并获得了令人满意的带通滤波器特性。

另外，在本例中，已描述了滤波器特性在所有零磁场都令人满意的初始状态，但滤波器的构成可以以滤波器特性处于满意的初始状态，同时磁场由一些线圈产生的方式设计。

一般来说，YIG的磁导率随图12所示的磁场单调递减。因此，预先设计具有施加于其上的过渡磁场的初始状态是有用的(如图12的H₂所示的磁场值)，这样使在磁导率增加或减小的方向上进行调整成为可能。

对于线圈51至53的每个线圈产生的用于调整通导频率特性的磁场大小，可考虑试验和误差的控制方式，例如，通导特性受网络分析仪的实时监控。

然而，如果根据所要求的滤波器特性，作预先的导电测试以设置相应的线圈51至53的供给电流值，并准备一种校准表，则有可能在下一次基于该校准表快速调整滤波器特性。

此外，当使用通常的导电金属作为线圈51至53的材料时，在供电期间产生功率消耗，于是准备超导体线的线圈以及抑制功率消耗的方式是有效的。在本例中，YIG厚度设置为100μm，但实际上该厚度假定在几十纳米到几毫米的范围内。

此外，为减小损耗，磁性材料21至23、31至33、41至43最好根据磁导率必要的改变量做到尽可能的薄。膜形成方法不限于所述应用方法，厚度可很小为几微米或更小，该薄膜可通过溅射方法、激光汽相淀积、或CVD方法形成。

另外，当磁性材料21至23、31至33、41至43的每个形成厚度为100um或更大时，散装材料可置于衬底4上。此外，当磁性材料本身有足够的硬度时，材料并不一定要在衬底4上面形成，而是可以单独形成。

在本例中，使用同样的材料以同一厚度连续准备磁性材料21至23、31至33、41至43，但厚度可以改变。例如，为在线圈的紧密内径内形成磁性材料32，建议减小在线圈附近部分的宽度。在这种情况下，当厚度与磁性材料22的相同时，线圈51至53附近磁性材料的截面面积小于磁性材料22的截面面积。

由于图4中所示的滤波器通过磁性材料21至23、31至33、41至43导通磁场，磁力线的数目总是保持为常数。此外，由于磁通密度与截面积成反比，由于磁性材料22的截面积大于线圈51至53邻近区域的截面积，磁通密度减小了，而且有可能无法获得足够的磁导率的变化。

因此，对于磁性材料31至33，如图13所示，一种增加线圈51至53邻近区域厚度的技术以便结果截面积不改变，而有效地获得了足够的磁导率变化。另外，为了获得更大的磁导率变化，可以扩大线圈51至53邻近区域中的截面积。

此外，在前述第一到第三个具体例子中，YIG被描述为磁性材料的例子，但磁性材料并不局限于YIG。不同于YIG的磁性材料的例子包括Y₃Fe₅O₁₂、Pr_0．85Ca_0．15MnO₃、和Nd_0．67Sr_0．33MnO₃。

另外，磁性材料被描述使用大块板形成，但是也可使用通过各种各样的薄膜形成方法在合适的衬底4上获得的薄膜，或在滤波器部件1上形成的薄膜。

此外，没有特别限定通过前述滤波器过滤的一个信号频率，但一个达到约几十GHz频率的信号能被过滤，而且本滤波器由此能应用于蜂窝电话使用的频率带，或者应用于类似的情形。

Claims (20)

1．一种平面滤波器包括：

一个滤波器部件，它有由超导体薄膜形成的多个谐振元件，以及经电介质衬底上的间隙置于所说谐振元件的两个侧面的输入／输出部分；和

由磁性材料形成的一个调谐部件，所说调谐部件经一个预定的间隙置于所说滤波器部件的对面，而且对其施加一直流磁场，

所说调谐部件包括一个介电常数调整部分，它调整所说谐振元件之间的间隙边缘和所说输入／输出部分和所说谐振元件之间的间隙边缘中至少一个的有效介电常数。

2．根据权利要求1的平面滤波器，其中所说的介电常数调整部分包括：

置于所说谐振元件之间的所说间隙以及所说输入／输出部分和所说谐振元件之间的所说间隙中至少一个的对面的一个电介质部分；和

用于在所说电介质部分中产生电场的一个电场产生部分。

3．根据权利要求2的平面滤波器，其中所说的介电常数调整部分可变地控制要施加到所说电场产生部分的一个电压，以可变地控制所说谐振元件之间的所说间隙以及所说谐振元件和所说输入／输出部分之间的所说间隙中至少一个的有效介电常数。

4．根据权利要求1的平面滤波器，其中一个直流磁场从所说输入／输出部分的一端沿所说输入／输出部分的另一端方向上施加。

5．根据权利要求1的平面滤波器，其中所说的滤波器部件为一微带线结构的带通滤波器，其中由超导体形成的一对所说输入／输出部分和由超导体形成的所说多个谐振元件排列在衬底上，衬底的背面一侧为接地面。

6．根据权利要求1的平面滤波器，其中一个微波信号被输入到所说输入／输出部分的输入端。

7．根据权利要求1的平面滤波器，其中所说的调谐部件使用Y₃Fe₅O₁₂、 Pr_0．85Ca_0．15MnO₃和Nd_0．67Sr_0．33MnO₃中的至少一种形成。

8．一种滤波器系统包括：

一个包含根据权利要求1的平面滤波器的容器；

一个环绕所说容器外壁的绕组，所说绕组沿所说滤波器部件和所说调谐部件之间的所说间隙施加一直流磁场；和

一个用于冷却所说容器的制冷器。

9．一种平面滤波器包括：

一个滤波器部件，有由超导体薄膜形成的多个谐振元件，以及经电介质衬底上的间隙置于所说谐振元件的两个侧面的输入／输出部分；和

一个调谐部件，经一个预定的间隙置于所说滤波器部件的对面，

所说调谐部件有：

第一磁性材料，置于所说输入／输出部分和所说谐振元件之间的间隙对面；

第二磁性材料，置于每个所说谐振元件的对面；

第三磁性材料，置于所说谐振元件之间的间隙对面；和

用于调整所说第一，所说第二和所说第三磁性材料的磁导率的磁场产生结构。

10．根据权利要求9的平面滤波器，其中所说磁场产生结构有第一、第二和第三线圈，用于独立地施加磁场到所说第一、第二和第三磁性材料上。

11．根据权利要求10的平面滤波器，其中所说磁场产生结构能单独地控制提供给所说第一、第二和第三线圈的电流，以调整滤波器的波纹、边缘特性和中心频率。

12．根据权利要求10的平面滤波器，其中所说滤波器部件有n(n为2或更大的整数)块谐振元件，而且

所说的调谐部件有所说的第三磁性材料，其置于所说相邻谐振元件之间的(n-1)间隙的对面，而且所说第三线圈对应着第三磁性材料。

13．根据权利要求10的平面滤波器，其中所说调谐部件包括：

第四磁性材料，置于所说第一线圈和所说第一磁性材料之间，而且与所说第一线圈和所说第一磁性材料都相连；

第五磁性材料，置于所说第二线圈和所说第二磁性材料之间，而且与所说第二线圈和所说第二磁性材料都相连；

第六磁性材料，置于所说第三线圈和所说第三磁性材料之间，而且与所说第三线圈和所说第三磁性材料都相连；

第七磁性材料，通过夹住所说第一磁性材料置于所说第四磁性材料的对面一侧，而且与所说第一磁性材料相连；

第八磁性材料，经所说第二磁性材料置于所说第五磁性材料的对面一侧，而且与所说第二磁性材料相连；和

第九磁性材料，通过夹住所说第三磁性材料置于所说第六磁性材料的对面一侧，而且与所说第三磁性材料相连。

14．根据权利要求13的平面滤波器，其中所说第一、第二和第三线圈，与相应的线圈相连的所说第四、第五和第六磁性材料，与所说第四、第五和第六磁性材料相连的所说第一、第二和第三磁性材料，以及与所说第一、第二和第三磁性材料相连的所说第七、第八和第九磁性材料相应地形成闭路。

15．根据权利要求13的平面滤波器，其中所说第四、第五、第六、第七、第八和第九磁性材料的每一个的截面积都为常数。

16．根据权利要求15的平面滤波器，其中所说第五磁性材料在所说第二磁性材料的远处一侧比所说第二磁性材料的近处一侧的宽度要窄，厚度要大。

17．根据权利要求15的平面滤波器，其中所说第四和第六磁性材料在所说第一和第三磁性材料的远处一侧比所说第一和第三磁性材料的近处一侧宽度要宽，厚度要小。

18．根据权利要求9的平面滤波器，其中所说滤波器部件为微带线结构的带通滤波器，它有由超导体形成的一对所说输入／输出部分和由超导体形成的所说多个谐振元件排列在衬底上，衬底的背面一侧固定为地电位。

19．根据权利要求9的平面滤波器，其中一个微波信号作为过滤对象输入到所说输入／输出部分的输入端。

20．根据权利要求9的平面滤波器，其中所说调谐部件使用Y₃Fe₅O₁₂、Pr_0．85Ca_0．15MnO₃和Nd_0．67Sr_0．33MnO₃中的至少一种形成。

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