CN1700511A - 超导滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超导滤波器，其包括：输入/输出馈线14a、14b，形成于介电基板10的一个表面上；谐振器图案16a－16e，形成于介电基板10的所述一个表面上；以及介电板24，安装于介电基板10的所述一个表面上，且多个衬垫20、22形成于介电基板10的所述一个表面上。介电板24纵向地覆盖包括谐振器图案16a－16e，以及跨越从更接近谐振器图案的侧边起，1/4有效波长的正整数倍的±20％内的长度的输入/输出馈线14a、14b的区域。

Description

超导滤波器
技术领域
本发明涉及一种用于射频信号的超导滤波器。
背景技术
各种射频滤波器用在对若干GHz频域的信号进行处理的移动通信站等中。作为用于移动通信站等中的射频滤波器的接收滤波器，已知的有共轴谐振型、介电谐振型、超导谐振型等。这些类型的接收滤波器被要求实现小型化和更高的频率选择性。
包括氧化物高温超导体等超导体作为电路导体的超导型接收滤波器，能够提供对于高频选择性很有利的高空载Q。另一方面，对于处理大的电功率的传输滤波器(transmission filter)，超导型不容易兼具小型化和良好的功率特性等(比如功率电阻等)。如何兼顾二者是个大问题。
在小型化中，平面电路型的滤波器优于介电谐振型、共轴谐振型等。而且，在对移动通信相对有利的若干GHz以下的频域中，利用良好的YBCO的超导膜的平面电路型滤波器等，能够提供比利用金、银、铜等常规导电膜的普通谐振器更高的高空载Q，并且能够确保高的频率选择性。
在小型化平面电路型的超导滤波器的尝试中，到目前为止以下方法已被研究。例如，使超导体膜线路图案弯曲和变形，由此减少将要形成谐振图案的区域的面积的方法。利用高介电常数的基板作为将要设置谐振图案导体的基板，以增大有效介电常数的方法已经在研究中。
对于平面电路型的超导滤波器，在小型化滤波器并且改善作为功率应用的功率特性的尝试中，以下方法已被研究。例如，谐振电路的超导体图案是圆形、多边形或其他斑块(patch)，由此通过TM模式等减轻电流密度的集中。控制氧化物高温超导体膜的颗粒边界、杂质等，以开发出将要被用作电路导体的更好的氧化物高温超导体膜的方法也已经在研究中。
而且，利用平面电路型和除基板的介电物质之外的介电物质的混合结构，以减轻电流密度在超导体上的集中的方法也已经在研究中。
下面的非专利参考文件1至3公开了形成平面电路的技术，如利用氧化物高温超导体膜，如氧化铜高温超导体膜，来形成如共面电路(coplanarcircuits)、微带线电路(microstrip line circuits)等，由此形成无源电路如射频滤波器等。
对于包括氧化物超导体的超导滤波器的接收射频滤波器，尽可能被小型化是很重要的问题。对于处理高功率的传输滤波器，除小型化之外，尽可能改善功率特性也是重要的问题。
以下参考文件公开本发明的背景现有技术。
[专利参考文件1]
日本公开待审专利申请号2002-57506
[专利参考文件2]
日本公开待审专利申请号2003-332812
[专利参考文件3]
日本公开待审专利申请号2000-269704
[专利参考文件4]
日本公开待审专利申请号Hei 11-261307(1999)
[专利参考文件5]
日本公开待审专利申请号2002-141706
[专利参考文件6]
日本公开待审专利申请号2001-267806
[专利参考文件7]
日本公开待审专利申请号2000-212000
[专利参考文件8]
日本公开待审专利申请号Hei 10-224110(1998)
[非专利参考文件1]
M.Hein，微波频率中的高温超导体薄膜(High-Temperature-superconductorThin Films at Microwave Frequencies)，Springer，1999
[非专利参考文件2]
Alan M Portis，高温超导体的电气力学(Electrodynamics ofHigh-Temperature Superconductor)，World Scientific，1992
[非专利参考文件3]
Zhi-Yuan She，高温超导体微波电路(High-temperature SuperconductingMicrowave Circuits)，Artech House，1994
发明内容
本发明的目的是提供一种超导滤波器，其能够以良好的可重复性实现改善的功率特性，并且能够容易地被小型化。
按照本发明的一个方案，提供一种超导滤波器，包括：介电基板；第一输入/输出馈线，形成于该介电基板的一个表面上并且由超导体膜形成，用于输入射频信号；谐振器图案，形成于该介电基板的所述一个表面上并且由超导体膜形成，用于过滤从该第一输入/输出馈线输入的射频信号；第二输入/输出馈线，形成于该介电基板的所述一个表面上并且由超导体膜形成，用于输出该谐振器图案所过滤的射频信号；以及介电体，安装于该介电基板的所述一个表面上，并且在所述介电体与所述介电基板之间设置有多个衬垫，该介电体覆盖包括：该谐振器图案，跨越从更接近该谐振器图案的一端起，1/4有效波长的正整数倍的±20％内的长度的该第一输入/输出馈线，以及跨越从更接近该谐振器图案的一端起，1/4有效波长的正整数倍的±20％及±20％内的长度的该第二输入/输出馈线的区域。
按照本发明，该超导滤波器包括：介电基板；第一输入/输出馈线，形成于该介电基板的一个表面上并且由超导体膜形成，用于输入射频信号；谐振器图案，形成于该介电基板的所述一个表面上并且由超导体膜形成，用于过滤从该第一输入/输出馈线输入的射频信号；第二输入/输出馈线，形成于该介电基板的所述一个表面上并且由超导体膜形成，用于输出该谐振器图案所过滤的射频信号；以及介电体，安装于该介电基板的所述一个表面上，并且在该介电体与该介电基板之间设置有多个衬垫，该介电体覆盖包括该谐振器图案，跨越从更接近该谐振器图案的一端起、1/4有效波长的正整数倍的±20％内的长度的该第一输入/输出馈线，以及跨越从更接近该谐振器图案的一端起，1/4有效波长的正整数倍的±20％及±20％内的长度的该第二输入/输出馈线的区域。由此该超导滤波器能够被小型化。能够抑制射频信号的反射，并且电路图案之间的阻抗匹配能够容易地做出。因此，能够减少向/从超导滤波器输入/输出的射频信号的无用功率，并且能够改善功率特性。
而且，按照本发明，通过可塑性地变形并且固定介电基板的一个表面上所安装的介电体的第一衬垫，以及用于限定介电基板与介电体之间间隙宽度的第二衬垫，该介电体被安装于介电基板的一个表面上，由此能够高可重复性地改善功率特性。
附图说明
图1是按照本发明第一实施例的超导滤波器的透视图，其说明超导滤波器的结构。
图2是按照本发明第一实施例的超导滤波器的放大截面图，其示出衬垫附近的结构。
图3是按照本发明第二实施例的超导滤波器的放大截面图，其示出衬垫附近的结构。
图4是按照本发明第三实施例的超导滤波器的透视图。
图5是按照本发明第三实施例的超导滤波器的放大截面图，其示出衬垫附近的结构。
图6是按照本发明第四实施例的超导滤波器的平面图，其示出超导滤波器的结构。
图7是按照本发明第四实施例的超导滤波器的特性曲线图。
图8是具有直接安装在介电基板上的介电板而没有衬垫的超导滤波器的特性曲线图。
具体实施方式
[第一实施例]
参照图1和2，说明按照本发明第一实施例的超导滤波器。图1是按照本发明第一实施例的超导滤波器的透视图，其示出超导滤波器的结构。图2是按照本发明第一实施例的超导滤波器的放大截面图，其示出衬垫附近的结构。
按照本实施例的超导滤波器是具有微带线传输线结构(microstrip linetransmission line structure)的平面电路型，并且具有例如100K以下和包括100K的工作温度的带通滤波器。
如图1所示，在氧化镁(110)单晶体的介电基板10的下面，例如通过外延生长，沉积YBa2Cu3O7-δ(YBCO)超导体膜的接地平面(ground plane)12。
在介电基板10的上表面上，形成输入/输出馈线14a、14b，向二者之一输入射频信号，并且从另一个输出过滤后的射频信号。在介电基板10的上表面上，形成矩形的1/2波长的谐振器图案16a-16e，它们对输入到输入/输出馈线14a、14b之一的射频信号进行过滤，并且将过滤后的射频信号输出到输入/输出馈线14a、14b的另一个。输入/输出馈线14a、14b和谐振器图案16a-16e例如由通过外延生长而沉积的0.4-1μm厚度的YBCO超导体膜形成。
输入/输出馈线14a、14b分别在介电基板10上表面相对末端附近，沿着指定方向形成。银膜电极18a、18b分别形成在介电基板10的边缘侧的输入/输出馈线14a、14b的末端上。
具有1/2有效波长(1/2有效波长)的谐振器图案16a-16e，以彼此偏移1/4的有效波长(1/4有效波长)的阶梯方式，排列在输入/输出馈线14a、14b的排列方向上，其中，该有效波长是射频信号在超导滤波器的传输线路中的有效波长。位于该排列两端上的谐振器图案16a-16e中的谐振器图案16a、16e分别与输入/输出馈线14a、14b相对。
因此，在介电基板10上形成具有微带传输线结构的谐振电路，该微带传输线结构包括作为电路导体的YBCO超导体。
形成有输入/输出馈线14a、14b和谐振器图案16a-16e的介电基板10的上表面上，安装有氧化镁的介电板24，该介电板具有聚酰亚胺(polyimide)衬垫20和铟凸块形式的衬垫22。聚酰亚胺的衬垫20位于介电板24的四个拐角附近。铟凸块形式的衬垫22设置于介电板24的四个拐角附近的位置和介电板24的一对相对边缘的各介质附近的位置。
形成衬垫22的铟凸块不仅在室温下而且在例如100K及100K以下的低温下是可塑易变形并且具有粘性的。介电板24通过此类铟凸块的衬垫22而固定于介电板10的上表面。
如图2所示，聚酰亚胺的衬垫20和铟凸块形式的衬垫22在介电基板10与介电板24之间限定例如0.5至4μm宽度的间隙23。间隙23的宽度由聚酰亚胺的衬垫20的厚度确定。
安装于介电基板10上的介电板24(它们之间设置有衬垫20和22)覆盖包括如图1所示的谐振器图案16a-16e的区域。介电板24在1/4有效波长的正整数倍的长度上，从更接近谐振器图案16a的一端，纵向地覆盖输入/输出馈线14a。类似地，介电板24在1/4有效波长的正整数倍的长度上，从更接近谐振器图案16e的一端，纵向地覆盖输入/输出馈线14b。
按照本实施例的超导滤波器的特征在于，介电板24安装于具有平面电路型谐振电路的介电基板10的上表面上，并且该介电基板24包括形成于其上的YBCO超导体膜，设置在其间的衬垫20、22，并且介电板24覆盖包括：谐振器图案16a-16e，分别从谐振器图案16a和16e起、1/4有效波长的正整数倍的长度的输入/输出馈线14a、14b的区域。
与无介电板24的区域相比，介电板24所覆盖的包括谐振器图案16a-16e的区域，在谐振器图案16a-16e周围具有更高的有效介电常数。因此，谐振器图案16a-16e能够做得更小，这使得超导滤波器更小。例如，与无介电板24的区域相比，用于谐振电路形成于其中的区域的面积能够减少大约20％。
输入/输出馈线14a、14b被介电板24在一长度上纵向地覆盖，该长度是从更接近谐振器图案16a、16b的一端起、1/4有效波长的正整数倍，因此，可以抑制射频信号的反射，并且可容易地做出在电路图案之间匹配的阻抗。因此，能够降低输入到超导滤波器中和从超导滤波器输出的射频信号的无功功率(reactive power)，并且能够改善功率特性。
对介电板24所覆盖的输入/输出馈线14a、14b部分的长度进行限定的有效波长，是由介电基板10的厚度、介电基板10与介电板24之间的间隙23的宽度、介电板24的厚度、介电基板10的介电常数、介电基板10与介电板24之间的间隙23(空气)的介电常数以及介电板24的介电常数来确定的。
1/4有效波长可被估算如下，其中，该1/4有效波长是在按照本实施例超导滤波器是中心频率为4GHz的带通滤波器的情况下，介电板24所覆盖的输入/输出馈线14a、14b部分的长度。形成介电基板10和介电板24的氧化镁的介电常数在几十K的工作温度下大约为9.7。因此，对于4GHz频率，在夹在介电基板10与介电板24之间的空间中，当介电基板10与介电板24之间的间隙23的宽度是0.5-4μm时，根据间隙23，1/2有效波长大约为1.1-1.2cm。因此，在这种情况下，介电板24所覆盖的输入/输出馈线14a、14b部分的长度大约为0.55-0.6cm，即1/4有效波长。在未被夹在介电基板10与介电板24之间的空间中，1/2有效波长大约为1.5cm。
介电板24所覆盖的输入/输出馈线14a、14b部分的长度没有必要准确地为1/4有效波长的正整数倍，并且能够例如在1/4有效波长正整数倍的±20％内。
按照本实施例的超导滤波器的特征在于，介电板24通过铟凸块形式的衬垫22固定于介电基板10的上表面，该衬垫22不仅在室温下而且在100K及100K以下的温度下可容易地塑性地变形。
当由于从室温到工作温度的冷却或其他原因造成的压力，或者机械压力作用于超导滤波器上时，铟凸块形式的衬垫22可塑性地变形，以减轻压力。
而且，介电板24安装于介电基板10的上表面上，其中，该介电基板10上除铟凸块形式的衬垫22之外还具有聚酰亚胺的衬垫20，这些衬垫可塑性地变形以减轻压力，由此当由于温度变化造成的压力和机械压力作用于超导滤波器时，介电基板10与介电板24之间的宽度能够基本保持恒定。聚酰亚胺的衬垫20被适当地设定，由此介电基板10与介电板24之间间隙23的宽度能够被调整为指定值。
如上所述，在按照本实施例的超导滤波器中，介电板24通过两种衬垫安装于介电基板10的上表面上，即限定介电基板10与介电板24之间的间隙23的宽度的衬垫20，以及将介电板24固定于介电基板10上表面上的可塑性地变形衬垫24，由此能够抑制介电基板10与介电板24之间的偏移以及介电基板10与介电板24之间的间隙23的宽度变化。例如，当介电基板10与介电板24之间的间隙23的宽度被设定为2μm时，间隙23的宽度能够被抑制在0.02μm及0.02μm以下。因此，能够高可重复性地改善功率特性。例如，能够稳定地获得减轻电流密度在输入/输出馈线14a、14b和谐振器图案16a-16e末端上集中的效果。而且，能够稳定地获得增强输入/输出馈线14a与谐振器图案16a之间、和输入/输出馈线14b与谐振器图案16b之间电磁场耦合的效果，以及增强输入/输出馈线14a、14b与外部电路之间电磁场耦合的效果。
置于介电基板10与介电板24之间的衬垫20、22形成如下。
在介电板24被安装于介电基板10的上表面上之前，在介电基板10上表面或者相对于介电基板10的介电板24的表面的指定位置上，利用电子束等进行光刻、微影，形成聚酰亚胺的衬垫20。聚酰亚胺的衬垫20的厚度等于或大于形成输入/输出馈线14a、14b和谐振器图案16a-16e的YBCO超导体膜的膜厚度，具体地，例如0.5-10μm。
在介电板24被安装于介电基板10的上表面上之前，在介电基板10上表面或者相对于介电基板10的介电板24表面的指定位置上，利用掩模进行沉积，形成铟凸块形式的衬垫22。或者，在介电基板10上表面或者相对于介电基板10的介电板表面的指定位置上，通过热焊铟球形成衬垫22。铟凸块形式的衬垫22的厚度大于聚酰亚胺的衬垫20的厚度。
在介电板24被安装于介电板10的上表面上之前，可由介电基板10或介电板24形成聚酰亚胺的衬垫20和铟凸块形式的衬垫22。然而在衬垫20、22形成于介电基板10上的情况下，会有这样的风险，即形成于介电基板10上表面上的谐振电路会被用于形成衬垫20、22的工艺所损坏。优选地，在介电板24被安装于介电基板10的上表面上之前，衬垫20、22形成于介电板24上。
因此，随着衬垫20、22形成于指定的位置上，介电板24被安装于介电基板10的上表面上，由此能够在介电基板10与介电板24之间限定指定宽度的间隙23。这时，比聚酰亚胺的衬垫20更厚的铟凸块形式的衬垫22可塑性地变形，以具有与聚酰亚胺的衬垫20的厚度相等的厚度。铟凸块形式的衬垫22的粘性将介电板24固定于介电基板10的上表面。
当设置于介电基板10的上表面上的衬垫22的尺寸太大时，衬垫22常常干扰谐振电路。优选地，在介电基板10的上表面上的衬垫22的最大的尺寸在1mm及1mm以下。
用于排列衬垫20、22的位置和将排列的衬垫20、22的数量，可按照介电板24等的尺寸，在设计中适当地加以改变。
如上所述，按照本实施例，包括谐振器图案16a-16e、从谐振器图案16a、16b侧起、1/4有效波长的正整数倍的输入/输出馈线14a、14b部分的区域，被安装在介电基板10上并具有聚酰亚胺的衬垫20和铟凸块形式的衬垫22的介电板24覆盖，由此能够小型化该超导滤波器，并且能够高可重复性地改善功率特性。
[第二实施例]
参照图3，说明按照本发明第二实施例的超导滤波器。图3是按照本实施例的超导滤波器的放大截面图，其示出衬垫附近的结构。与按照第一实施例的超导滤波器的元件相同的元件通过相同标号来表示，以免重复或简化其说明。
按照本实施例的超导滤波器的基本结构与按照第一实施例的超导滤波器的基本结构基本相同。按照本实施例的超导滤波器与按照第一实施例的超导滤波器不同之处在于，在前者中，铟凸块形式的衬垫22夹在分别形成于介电基板10的上表面与相对于介电基板10的介电板24表面上的金属垫之间。
如图3所示，金属垫26a、26b分别形成于介电基板10的上表面和介电板24的下面的、排列铟凸块形式的衬垫22的位置。铟凸块形式的衬垫22夹在金属垫26a、26b之间。
每个金属垫26a、26b由层结构的基部金属层28和用于接触铟凸块形式的衬垫22的金属层30形成。基部金属层28例如可由镍、钛等形成。用于接触衬垫22的金属层30可由金、银、铜等形成。金属垫26a、26b可由与形成电极18a、18b的金属膜相同的金属膜形成。
如上所述，按照本实施例的超导滤波器的特征在于，铟凸块形式的衬垫22夹在分别形成于彼此相对的介电基板10上表面与介电板24下面上的金属垫26a、26b之间。因为金属垫26a、26b分别形成于彼此相对的介电基板10上表面和介电板24下面的、排列铟凸块形式的衬垫22的位置，所以能够以高定位精度安装介电板24于介电基板10上。在按照本实施例的超导滤波器中，金属的铟凸块形式的衬垫22与金属表面是相接触的，由此与铟凸块形式的衬垫22与介电基板10和介电板24直接相接触的情况比较而言，介电基板10和介电板24能够更安全地固定彼此。这使得功率特性以更高的可重复性得以改善。
在按照本实施例的超导滤波器中，金属垫26a、26b形成于彼此相对的介电基板10的上表面和介电板24下面的指定的位置上，并且在介电板24被安装于介电基板10的上表面上之前，通过加热，将任一金属垫26a、26b焊接铟凸块形式的衬垫22上。聚酰亚胺的衬垫20以与按照第一实施例的超导滤波器中相同的方式来形成。然后，介电板24被安装于介电基板10的上表面上，且介电基板10上表面上的金属垫26a与介电板24下面的金属垫26b相对准。
在本实施例中，金属垫26a、26b分别形成于彼此相对的介电基板10上表面和介电板24下面。然而，金属垫26a和金属垫26b并不都实际形成，该金属垫可形成于介电基板10上表面或介电板24下面。在这种情况下，在介电板24被安装于介电基板10的上表面之前，通过加热，将铟凸块形式的衬垫22焊接在形成于介电基板10上表面或介电板24下面的金属垫上。
[第三实施例]
参照图4和5，说明按照本发明第三实施例的超导滤波器。图4是按照本实施例的超导滤波器的透视图。图5是按照本实施例的超导滤波器的放大截面图，其示出衬垫附近的结构。
按照本实施例的超导滤波器是具有共面波导结构的平面电路型的带通滤波器，并且工作温度例如在100K及100K以下。
如图4所示，一对接地平面42a、42b彼此间隔地形成于氧化镁的介电基板40的上表面上。接地平面42a、42b由通过外延生长而沉积的DyBa2Cu3O7-σ(DyBCO)超导体膜形成。
在位于接地平面42a、42b之间的介电基板40的上表面的区域中，形成有输入/输出馈线44a、44b，射频信号被输入到其一端，过滤后的射频信号从其另一端输出。在位于输入/输出馈线44a、44b之间的介电基板40的上表面的区域中，形成有矩形的1/2波长型的谐振器图案46a-46e，它们过滤被输入到输入/输出馈线44a、44b一端的射频信号，并且将过滤后的射频信号输出到输入/输出馈线44a、44b的另一端。输入/输出馈线44a、44b和谐振器图案46a-46e例如由通过例如外延生长所沉积的0.4-1μm的DyBCO超导体膜形成。
输入/输出馈线44a、44b分别形成在介电基板40上表面的相对端的附近的指定方向上。镍膜电极48a、48b形成于更接近介电基板40边界边缘的输入/输出馈线44a、44b的末端。
谐振器图案46a-46e形成于夹在输入/输出馈线44a、44b之间的介电板10上表面的区域中。谐振器46a-46e在与输入/输出馈线44a、44b排列相同的方向上等距离地排列。
因此，具有利用DyBCO超导体作为电路导体的平面波导结构的谐振电路可形成于介电基板40上。
金红石氧化钛(rutile titanium oxide)的介电板54安装于形成有接地平面42a、42b、输入/输出馈线44a、44b和谐振器图案46a-46e的介电基板40上表面上，它们之间形成有环化橡胶树脂的衬垫50和铟银合金凸块形式的衬垫52。形成衬垫52的铟银合金中的银含量例如为1wt％。环化橡胶的衬垫50置于介电板54的四个角落附近的位置。铟银合金凸块形式的衬垫52置于介电板54的一对相对侧边附近，并沿着这对侧边等距离地设置。
与铟凸块一样，形成衬垫52的铟银合金凸块不仅在室温下而且在例如100K及100K以下的温度下，可容易地塑性地变形并且具有粘性。介电板54通过以此类铟银合金凸块形式的衬垫52而固定于介电基板40的上表面。
如图5所示，通过环化橡胶树脂的衬垫50和铟银合金凸块形式的衬垫52，例如0.7-10μm宽度的间隙53被限定于介电基板40与介电板54之间。间隙53的宽度由环化橡胶树脂的衬垫20的厚度确定。
如图4所示，介电板54包括覆盖谐振器图案46a-46e的区域。而且，介电板54在从更接近谐振器图案46a的输入/输出馈线44a一端起、1/4有效波长的正整数倍的长度上，纵向地覆盖输入/输出馈线44a。类似地，介电板54在从更接近谐振器图案46b的输入/输出馈线44b一端起、1/4有效波长的正整数倍的长度上，纵向地覆盖输入/输出馈线44b。
按照本实施例的超导滤波器的特征在于，介电板54安装于带有DyBCO超导膜平面型谐振电路的介电基板40的上表面上，它们之间形成有衬垫50、52，并且介电板54覆盖包括谐振器图案46a-46e的区域，以及在从输入/输出馈线44a、44b上更接近谐振器图案46a、46e的一端起、1/4有效波长的正整数倍的长度上，覆盖输入/输出馈线44a、44b。
随着包括谐振器图案46a-46e的区域被介电板54覆盖，与未被介电板54覆盖的谐振器图案46a-46e相比，谐振器图案46a-46e周围的有效介电常数更高。因此，谐振器图案46a-46e的尺寸可做得更小，并且超导滤波器能够被小型化。例如，与未安装介电基板54的面积相比，用于谐振电路形成于其中的区域的面积能够减少例如大约60％。
介电基板54在从更接近于谐振器图案46a、46b的一端起、1/4有效波长的整数倍的长度上，覆盖输入/输出馈线44a、44b，由此能够抑制射频信号的反射，并且可容易做出在电路图案之间匹配的阻抗。因此，能够降低向/从超导滤波器输入/输出的射频信号的无用功率，并且能够改善功率特性。
限定介电板54所覆盖的输入/输出馈线44a、44b部分的长度的有效波长，是由介电基板40的厚度、介电基板40与介电板54之间的间隙53的宽度、介电板54的厚度、介电基板40的介电常数、介电基板40与介电板54之间的间隙53(空气)的介电常数以及介电板54的介电常数确定的。
1/4有效波长可被估算如下，即在按照本实施例的超导滤波器是通带中心频率为4GHz的带通滤波器情况下，介电板54所覆盖的输入/输出馈线44a、44b部分的长度。在如下估算中，介电基板40的厚度是1.0mm，介电板54的厚度是1.0mm，并且接地平面42a与接地平面42b之间间隙53的宽度是0.4mm。在几十K的工作温度下，形成介电基板40的氧化镁大约为9.7，并且形成介电板54的金红石氧化钛的介电常数大约为100。对于4GHz频率，在夹在介电基板40与介电板54之间的空间中，当介电基板40与介电板54之间的宽度是0.7-10μm时，根据间隙53，1/2有效波长大约为0.4-0.6cm。因此，在这种情况下，介电板54所覆盖的输入/输出馈线44a、44b部分的长度大约为0.2-0.3cm，即1/4有效波长。在未被夹在介电基板40与介电板54之间的空间中，1/2有效波长大约为1.6cm。
介电基板54所覆盖的输入/输出馈线44a、44b部分的长度没有必要准确地具有正整数倍的1/4有效波长，并且例如可在1/4有效波长正整数倍的±20％内。
按照本发明的超导滤波器的特征在于，介电板54通过铟银合金凸块形式的衬垫52固定于介电基板40的上表面，该衬垫52不仅在室温下而且在100K及100K以下的温度下可容易地塑性地变形。
当由于从室温到操作温度的冷却或其他原因造成的压力，或者机械压力作用于超导滤波器时，铟银合金凸块形式的衬垫52可塑性地变形，由此减轻压力。
而且，介电板24安装于介电基板10的上表面上，它们之间形成有可塑性地变形以减轻压力的铟银合金凸块形式的衬垫52和环化橡胶树脂的衬垫50，由此当由于温度变化造成的压力和机械压力作用于超导滤波器时，介电基板40与介电板54之间间隙53的宽度能够基本保持恒定。环化橡胶树脂的衬垫50被适当地设定，由此介电基板40与介电板54之间间隙53的宽度能够调整为指定值。
如上所述，在按照本实施例的超导滤波器中，介电板54通过两种衬垫而安装于介电基板40的上表面上，即：衬垫50，用于限定介电基板40与介电板54之间的间隙53的宽度；以及可塑性地变形的衬垫52，用于固定介电基板40上表面上所安装的介电板54，由此能够抑制介电基板40与介电板54之间的偏移，以及介电基板40与介电板54之间的间隙53的宽度变化。例如，当介电基板40与介电板54之间的间隙53的宽度被设定为2μm时，间隙53的宽度变化能够被抑制在0.02μm及0.02μm以下。因此，功率特性能够高可重复性地得以改善。例如，能够稳定地获得减轻电流密度在输入/输出馈线44a、44b和谐振器图案46a-46e末端上集中的效果。而且，能够稳定地获得增强输入/输出馈线44a与谐振器图案46a之间、输入/输出馈线44b与谐振器图案46e之间电磁场耦合的效果，以及增强输入/输出馈线46a、44b与外部电路之间电磁场耦合的效果。
置于介电基板40与介电板54之间的衬垫50、52以与按照第一实施例的超导滤波器的衬垫20、22相同的方式形成。
在介电板54被安装于介电基板40之前，在介电基板40上表面上或在与介电基板40相对的介电板54下面的指定的位置上，利用电子束等进行光刻、微影，形成环化橡胶树脂的衬垫50。环化橡胶树脂的衬垫50的厚度等于或大于形成接地平面42a、42b、输入/输出馈线44a、44b和谐振器图案46a-46e的DyBCO超导体膜的膜厚度，例如0.5-10μm。
在介电板54被安装于介电基板40的指定位置之前，利用掩模，通过沉积，在介电基板40的上表面或与介电基板40相对的介电板54的表面上，形成铟银合金凸块形式的衬垫52。或者，通过将铟银合金球热焊接到介电基板40的上表面上或与介电基板40相对的介电板54的表面的指定位置上，来形成衬垫52。铟银合金凸块的衬垫52的厚度大于环化橡胶树脂的衬垫50的厚度。
在介电板54被安装于介电基板40上之前，环化橡胶树脂衬垫50和铟银合金凸块形式的衬垫52可形成于介电基板40或介电板54上。然而，在衬垫50、52形成于介电基板40上的情况下，会有这样的风险，即形成于介电基板40的上表面上的谐振电路会被用于形成衬垫50、52的工艺所损坏。优选地，在介电板54被安装于介电基板40上之前，衬垫50、52形成于介电板54上。
因此，随着衬垫50、52形成于指定位置上，介电板54安装于介电基板40上，由此在介电基板40与介电板54之间可限定指定宽度的间隙53。这时，比环化橡胶树脂衬垫50要厚的铟银合金凸块形式的衬垫52可塑性地变形，以与环化橡胶树脂衬垫50一样厚。铟银合金形式的衬垫52的粘性使得介电板54固定于介电基板40的上表面。
当在介电基板40上表面上的衬垫52的尺寸太大时，衬垫52常常干扰谐振电路。因此，优选地，在介电基板40上表面上的衬垫52的最大尺寸为1mm及1mm以下。
衬垫50、52的位置和数量可按照介电板24等的尺寸，在设计中被适当地改变。
如上所述，按照本实施例，安装于介电基板40上的介电板54(它们之间形成有环化橡胶树脂的衬垫50和铟银合金凸块形式的衬垫52)覆盖包括谐振器图案46a-46e的区域，以及在从更接近谐振器图案46a、46e的一端起、1/4有效波长的正整数倍的长度上，覆盖输入/输出馈线44a、44b，由此超导滤波器能够被小型化，并且功率特性能够高可重复性地得到改善。
同时，在按照本实施例的超导滤波器中，以与按照第二实施例的超导滤波器相同的方式，金属垫形成在介电基板40的上表面和介电板54的下面的、排列铟银合金凸块的衬垫52的位置上。
[第四实施例]
参照图6至8，说明按照本发明第四实施例的超导滤波器。图6是按照本实施例的超导滤波器的平面图，其示出超导滤波器的结构。图7是按照本实施例的超导滤波器的特性曲线图。图8是超导滤波器的特性曲线图，该超导滤波器带有直接安装在介电基板上的介电板而不带有衬垫。
按照本实施例的超导滤波器是利用圆形图案作为谐振器图案的带通滤波器，并且包括在通带中包括四个谐振点。通带的中心频率例如大约为0.1GHz。该带宽例如为0.1GHz。
如图6所示，圆盘图案的谐振器图案60a、60b形成于氧化镁(100)单晶体的介电基板56的上表面上。切凹图案(cut concave pattern)61形成于谐振器图案60b的外周。在谐振器图案60a附近形成输入馈线58a和输出馈线58b，射频信号被输入到输入馈线58a，过滤后的射频信号从输出馈线58b输出。接地平面(未示出)形成介电基板56的下面。因此，微带传输线结构形成于介电基板56上。输入馈线58a、输出馈线58b、谐振器图案60a、60b和接地平面由通过例如外延生长而沉积的YBCO超导体膜形成。介电基板56的厚度例如是0.5mm。输入馈线58a的宽度例如是0.5mm。谐振器图案60a、60b的直径例如是12.8mm。
与按照第一至第三实施例的超导滤波器一样，形成有输入馈线58a、输出馈线58b和谐振器图案60a、60b的介电基板56的上表面上安装有铝酸镧(LaAlO3)的介电板62，它们之间形成有两种衬垫(未示出)。介电板62的厚度例如是0.5mm。
与按照第一至第三实施例的超导滤波器一样，介电板62在从更接近谐振器图案60a的末端起、1/4有效波长的正整数倍的长度上，纵向地覆盖输入馈线58a。类似地，介电板62在从更接近谐振器图案60a的末端起、1/4有效波长的正整数倍的长度上，纵向地覆盖输入馈线58b。
按照本实施例的超导滤波器的特征在于，介电板62安装于其上形成有平面型的谐振电路的介电基板56的上表面上，它们之间形成有两种衬垫，并且介电板62覆盖包括谐振器图案60a、60b的区域，并且在从输入馈线58a和输出馈线58b上更接近谐振器图案60a的末端起、1/4有效波长的整数倍的长度上，覆盖输入馈线58a和输出馈线58b。因此，与按照第一至第三实施例的超导滤波器一样，能够抑制射频信号的反射，并且可容易地做出在电路图案之间匹配的阻抗。因此，能够减少向/从超导滤波器输入/输出的射频信号的无功功率，并且能够改善功率特性。
介电板62所覆盖的输入馈线58a和输出馈线58b的长度并不需要精确地为1/4有效波长的正整数倍，而可以在1/4有效波长的正整数倍的+20％内。
按照本实施例的超导滤波器的特征在于，与按照第一至第二实施例的超导滤波器中一样，介电板62安装于介电板62上，它们之间形成有用于限定介电基板56与介电板62之间间隙宽度的衬垫和可塑性地变形的衬垫。因此，与按照第一至第三实施例的超导滤波器中一样，因此，与按照第三实施例的超导滤波器中一样，能够抑制介电基板56与介电板62之间的偏移和介电基板56与介电板62之间间隙的宽度变化。因此，能够高可重复性地改善功率特性。
在按照本实施例的超导滤波器中，输入到输入馈线58a的射频信号由谐振器图案60a谐振。射频信号的部分能量被传输到谐振器图案60b，并且类似地在谐振器图案60b谐振。该谐振状态能够与由谐振器图案60a谐振的信号一起复用，以从输出馈线58b被取出。双谐振模式可由谐振器图案60b中的切凹图案61产生。例如，切凹图案61的宽度a和深度b被适当地设定，以改变双谐振点的频率间隙。介电板62所覆盖的输入馈线58a的长度La，被适当地设定为对应于通带频率的大约1/4有效波长，由此能够抑制由于安装的介电板62所造成的频率信号的反射。介电板62所覆盖的输出馈线58b的长度也类似地被设定，由此抑制由于安装的介电板62所造成的频率信号的反射。因此，通过安装介电板62，能够减轻往往发生在超导体膜图案末端等的电场集中，并且即使在高功率工作下，超导滤波器仍然表现出众。
图7是按照本实施例的超导滤波器的特性曲线图。图8是带有直接安装在介电基板上的介电板而它们之间无衬垫的超导滤波器的特性曲线图。两个曲线图表示传输特性(S21)和反射特性(S11)。图7表示在介电基板56与介电板62之间间隙被设定为4μm情况下的按照本实施例的超导滤波器的特性。具有图8所示特性的超导滤波器具有与按照本实施例的超导滤波器相同的结构，除了介电板直接地安装于介电基板上，而无置于其间的两种衬垫。
如图8所示，可发现在介电板直接安装于介电基板上而其间没有衬垫的情况下，几乎所有的输入射频信号在通带中心频率附近被反射，并且超导滤波器不能起到滤波器的作用。与此相对照，如图7所示，与不用衬垫地安装介电基板相比，可发现按照本实施例的超导滤波器具有更好的滤波器特性。
如上所述，按照本实施例，与按照第一至第三实施例的超导滤波器中一样，安装于介电基板56上且二者之间具有两种衬垫的介电板62覆盖包括谐振器图案60a、60b的区域，并且在从更接近谐振器图案60a的末端起、1/4有效波长的正整数倍的长度上，覆盖输入馈线58a和输出馈线58b，由此能够小型化超导滤波器，并且能够高可重复性地改善功率特性。
[改型的实施例]
本发明并不限于上述实施例，并且能够覆盖其他各种改型。
例如，按照上述实施例的超导滤波器可容纳于电导体封装壳中。将超导滤波器在电导体封装壳中的这种容纳，可防止外部电磁波干扰射频信号。
在上述实施例中，形成于介电基板上的谐振电路的电路导体材料是YBCO超导体和DyBCO超导体。然而，电路导体材料不限于此，而可以是各种材料。谐振电路的电路导体材料可以是例如由Bin1Srn2Can3Cun4On5(1.8≤n1≤2.2，1.8≤n2≤2.2，0.9≤n3≤1.2，1.8≤n4≤2.2，7.8≤n5≤8.4)所表示的BSCCO基团、Pbk1Bik2Srk3Cak4Cuk5Ok6(1.8≤k1+k2≤2.2，0≤k1≤0.6，1.8≤k3≤2.2，由1.8≤k4≤2.2，1.8≤k5≤2.2，9.5≤k6≤10.8)所表示的PBSCCO基团、由RpBaqCurO7-δ(R是Y，Lu，Yb，Tm，Er，Ho，Dy，Eu，Sm，Nd之一，并且0.5≤p≤1.2，1.8≤q≤2.2，2.5≤r≤3.5，0≤δ≤0.4)RBCO基团、以及其他基团的氧化物高温超导体。R＝Y、p＝1、q＝2和r＝3时的RBCO基团的氧化物高温超导体与按照第一和第二实施例的超导滤波器的电路导体材料相对应，R＝Dy、p＝1、q＝2和r＝3时的RBCO基团的氧化物高温超导体与按照第三实施例的超导滤波器的电路导体材料相对应。当该组合物具有0.1及0.1以下的很小δ值时，RBCO氧化物高温超导体具有更高的临界温度Tc。因此，优选地，δ值在0.1及0.1以下。谐振电路的电路导体材料可以是超导体材料，比如MgB2、Nb、Nb-Ti合金(Ti含量比例如为大约50at％)等。
在上述实施例中，介电基板材料和介电板材料是氧化镁和金红石氧化钛。然而，介电基板材料和介电板材料不限于此，例如除氧化镁和金红石氧化钛之外的铝、蓝宝石(sapphire)、铝酸镧(lanthanum aluminate)等。
在上述实施例中，衬垫20、50由聚酰亚胺和环化橡胶树脂形成。然而，衬垫20、50的材料不限于此。衬垫20、50的材料可以是树脂，例如除了聚酰亚胺和环化橡胶树脂之外的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，即polymethylmethacrylate)、酚醛清漆(novolak resin)树脂等。
在上述实施例中，衬垫22、52由铟和铟银合金形成，但是衬垫22、52的材料不限于此。衬垫22、52的材料可以是除铟和铟银合金之外的铟锡合金、铟锌合金、铟铋合金和其他合金。合成合金的金属与铟的含量比例如在10at％及10at％以下。
在上述实施例中，谐振电路具有五种谐振器图案，但是谐振器图案的数量不限于此。谐振器图案的数量能够按照所需频率特性等适当地改变。
在上述实施例中，输入/输出馈线14a、14b、44a、44b的电路导体图案和谐振器图案16a-16e、46a-46e是线性分布式恒定型(波长谐振类型)图案，但是电路导体图案不限于此。电路导体图案例如可以是其中线性图案被分支或弯曲的改型的线性图案、以及例如圆形斑块的分布式恒定型图案等。
在上述实施例中，介电板24、54被安装于介电基板10、40的上表面上，但是不一定为板式形状的介电体也可安装在介电基板10、40上。

Claims (20)

1.一种超导滤波器，包括：
介电基板；
第一输入/输出馈线，形成于该介电基板的一个表面上，并且由超导体膜形成，用于输入射频信号；
谐振器图案，形成于该介电基板的所述一个表面上，并且由超导体膜形成，用于过滤从该第一输入/输出馈线输入的射频信号；
第二输入/输出馈线，形成于该介电基板的所述一个表面上，并且由超导体膜形成，用于输出该谐振器图案过滤后的射频信号；以及
介电体，安装于该介电基板的所述一个表面上，在该介电体与该介电基板之间设置有多个衬垫，
该介电体覆盖一区域，该区域包括：该谐振器图案；跨越从更接近于该谐振器图案的一端起，1/4有效波长的正整数倍的±20％内的长度的该第一输入/输出馈线，以及跨越从更接近于该谐振器图案的一端起，1/4有效波长的正整数倍的±20％及±20％内的长度的该第二输入/输出馈线。
2.如权利要求1所述的超导滤波器，其中：
所述多个衬垫包括：第一可塑性地变形的衬垫，用于固定在该介电基板的所述一个表面上安装的该介电体；以及第二衬垫，用于限定该介电基板与该介电体之间的间隙的宽度。
3.如权利要求2所述的超导滤波器，其中：
该第一衬垫由铟、铟银合金、铟锡合金、铟锌合金或铟铋合金形成。
4.如权利要求2所述的超导滤波器，其中：
该第一衬垫包括：第一金属垫，形成于该介电基板的所述一个表面上；第二金属垫，形成于与该介电基板相对的该介电体的表面上；以及凸块，夹在该第一金属垫与该第二金属垫之间，并且由铟、铟银合金、铟锡合金、铟锌合金或铟铋合金形成。
5.如权利要求2所述的超导滤波器，其中：
该第一衬垫包括：金属垫，形成于该介电基板的所述一个表面上，或形成在与该介电基板相对的该介电体的表面上；以及凸块，与该金属垫相接触，并且由铟、铟银合金、铟锡合金、铟锌合金或铟铋合金形成。
6.如权利要求4所述的超导滤波器，其中：
该金属垫包括：镍或钛的基部金属层，和在所述基部金属层上的由金、银或铜形成的金属层。
7.如权利要求5所述的超导滤波器，其中：
该金属垫包括：镍或钛的基部金属层，和在所述基部金属层上的由金、银或铜形成的金属层。
8.如权利要求2所述的超导滤波器，其中：
该第二衬垫由聚酰亚胺、PMMA、酚醛清漆树脂或环化橡胶树脂形成。
9.如权利要求1所述的超导滤波器，还包括：
接地平面，形成于该介电基板的另一表面上，并且其中
形成有包括该第一输入/输出馈线、该第二输入/输出馈线、该谐振器图案和该接地平面的微带型平面电路。
10.如权利要求2所述的超导滤波器，还包括：
接地平面，形成于该介电基板的另一表面上，并且其中
形成有包括该第一输入/输出馈线、该第二输入/输出馈线、该谐振器图案和该接地平面的微带型平面电路。
11.如权利要求1所述的超导滤波器，还包括：
接地平面，形成于该介电基板的另一表面上，并且其中，
形成有包括该第一输入/输出馈线、该第二输入/输出馈线、该谐振器图案和该接地平面的共面型平面电路。
12.如权利要求2所述的超导滤波器，还包括：
接地平面，形成于该介电基板的另一表面上，并且其中
形成有包括该第一输入/输出馈线、该第二输入/输出馈线、该谐振器图案和该接地平面的共面型平面电路。
13.如权利要求1所述的超导滤波器，其中：
该超导体膜是氧化物高温超导体膜。
14.如权利要求2所述的超导滤波器，其中：
该超导体膜是氧化物高温超导体膜。
15.如权利要求1所述的超导滤波器，其中：
该介电体是铝、蓝宝石、氧化镁、铝酸镧或金红石氧化钛。
16.如权利要求2所述的超导滤波器，其中：
该介电体是铝、蓝宝石、氧化镁、铝酸镧或金红石氧化钛。
17.如权利要求1所述的超导滤波器，其中：
该输入/输出馈线的电路导体图案和/或该谐振器图案为线性形状、改型的线性形状或斑块形状。
18.如权利要求2所述的超导滤波器，其中：
该输入/输出馈线的电路导体图案和/或该谐振器图案为线性形状、改型线性形状或斑块形状。
19.如权利要求1所述的超导滤波器，还包括：
介电导体封装壳，用于容纳安装有该介电体的该介电基板。
20.如权利要求2所述的超导滤波器，还包括：
介电导体封装壳，用于容纳安装有该介电体的该介电基板。
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