CN1838477A - 一种平面超导微带谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平面超导微带谐振器，包括一条由上、下两层超导薄膜和位于两层超导薄膜间的人造单晶介质组成的微带线；其特征在于，所述微带线是一条连续完整的带状体，形成一个具有内环和外环的几何图形，其内、外环均不封闭。本发明的优点是寄生耦合大大减弱，结构更加紧凑。由于采用内、外环的结构，且内环、外环的电流方向相反，当本发明提供的这种谐振器组合在一起时它们的之间的耦合相对较弱，为了满足一定的耦合关系，它们必须靠得更近，这样就使整体结构更紧密；更重要的是对于三个或三个以上的谐振器组合，远场更弱的耦合就意味着寄生耦合的影响大大减小，基于这一点利用本发明提供的谐振器设计并制做出高性能的窄带超导带通滤波器。

Description

一种平面超导微带谐振器
技术领域
本发明属于微波工程领域，具体的说，本发明涉及一种平面超导微带谐振器。
背景技术
微波工程中，超导微带谐振器可以组成不同阶数的平面超导滤波器(一种无源器件)，使用在各种微波装置(如雷达、移动电话基站、微波通讯装置、射电天文望远镜等)中，用来选择一定频率的信号。在各种微波接收系统的前端，常使用滤波器抑制不要的信号频率，使需要的信号频率顺利通过。高温超导滤波器是用高温超导材料制成的一种平面器件，它是由若干个平面谐振器按一定规则排列而成的。对于用普通金属制做的带通滤波器来说，通常相对带宽在5％以下就叫窄带滤波器。高温超导滤波器的相对带宽可以比这个值小很多，但相对带宽要小于0.5％也比较困难，原因在于寄生耦合的干扰。相关的理论指出：谐振器之间的耦合系数应满足下列关系
M ij = FBW g i g j J ij - - - ( 1 )
式中Mij是第i个谐振器和第j个谐振器之间的耦合系数；FBW是相对带宽，定义它为通带宽度和中心频率的比值；g是归一化电容；J是特性导纳。这一公式表明耦合系数M取决于相对带宽，也取决于谐振器自身的性质。显然，无论是归一化电容g还是特性导纳J都应和平面谐振器自身的几何形状密切相关。在滤波器中二个相邻谐振器产生的耦合叫做相邻耦合，这种耦合是必要的。但是不相邻的二个谐振器之间也存在耦合，这类耦合对滤波器的设计有可能造成有害影响，这种有害的非相邻耦合就是寄生耦合(parasitical coupling)。在进行宽带平面超导滤波器的设计时，谐振单元之间的寄生耦合可以忽略。但窄带平面超导滤波器的情况则完全不同，寄生耦合往往造成了破坏性的干扰，当带宽在0.5％附近时这一矛盾尤为突出，至今末见理想的解决办法。传统的平面谐振器主要有二种结构形式，即直线形式和发卡形式。近年来平面超导滤波器的研究取得了长足的进步，相应的平面谐振器也演化出一系列其它的形式。一般设计者多从减少谐振器的面积或改变耦合方式等目的出发来确定谐振单元的拓扑结构，例如英国伯明翰大学设计的弯折线平面超导微带谐振器(2002International Conference on Microwave and Millimeter Wave TechnologyProceedings文集168页)就是一例。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高Q值，低电磁辐射，能够使得寄生耦合减小到可以忽略程度的平面超导微带谐振器。
为达到上述发明目的，本发明提供的平面超导微带谐振器包括：一条由上、下两层超导薄膜和位于两层超导薄膜之间的人造单晶介质组成的微带线；其特征在于，所述微带线是一条连续完整的带状体，形成一个具有内环和外环的几何图形结构，其内、外环均不封闭。
在上述的技术方案中，所述内环或外环是由直线(如图3a或图3c所示)、折线(如图3c或图3d所示)或曲线(如图3b所示)构成的不封闭环形结构。
在上述的技术方案中，所述内环、外环的谐振电流方向相反。
在上述的技术方案中，所述内、外环可以是内环为凹形，外环为矩形。
在上述的技术方案中，所述内、外环可以均为矩形。
在上述的技术方案中，所述内、外环可以均为圆形。
在上述的技术方案中，所述内、外环可以是内环为折线构成的环状结构，外环为矩形。
在上述的技术方案中，所述内、外环可以均为折线构成的环状结构。
在上述的技术方案中，所述内环为凹形，外环为矩形的结构，其外环矩形长为5.4mm，宽为5.2mm，微带线线宽为0.5mm，内、外环线间距为0.3mm，内、外环开口端间距为0.15mm。
本发明还提供了一种利用计算机仿真技术对平面超导微带谐振器进行检测与优化的方法，以挑选出具有相对弱耦合特性的谐振器设计方案；其检测方法是利用二个相同的谐振器组成耦合结构，通过计算机仿真测算出它们之间的耦合系数。其优化方法是不断地修改谐振器的几何形状及尺寸，并测出它们的耦合系数，通过对耦合系数的比较判断出最优方案。
在上述的技术方案中，所述检测与优化的方法如下：将二个同样的谐振器放在同一平面上，二个谐振器之间的距离应至少大于谐振器自身的宽度，从而组成一组耦合结构。用计算机仿真方法可以测算出该耦合结构的耦合系数。选择另一种典型的超导谐振器，由二个该谐振器组成对比耦合结构，用计算机在完全相同的条件下测算出对比耦合结构的耦合系数。其中耦合系数相对较小的谐振器就具有相对较弱的辐射特性，也就意味着这种谐振器对不相邻的谐振单元具有较小的寄生干扰。
二个谐振器之间的耦合系数由下述方法测出。图6是由二个回形谐振器组成的耦合结构及其远场耦合频率相应曲线，二个谐振器之间的距离至少大于谐振器宽度，图中的曲线是该耦合结构的传输特性，它的二个峰值分别对应的频率是f1、f2，相关理论指出，该耦合结构的耦合系数k可用下面的公式(2)计算，
k = f 2 2 - f 1 2 f 2 2 + f 1 2 ≈ Δf f 0 - - - ( 2 )
式中Δf＝f2-f1，f0是回形谐振器中心频率。可以看出耦合系数k与Δf成正比。
与现有技术相比，本发明提供的平面超导微带谐振器的优点是电磁辐射小。这是因为在本发明提供的谐振器中，内环、外环的瞬时电流方向总是相反，它们对外的电、磁辐射相抵消的缘故。更重要的是对于二个以上的谐振器组合，远场更弱的辐射就意味着寄生耦合的影响大大减小。正是基于这一点，可以用本发明提供的谐振器设计并制做出高性能的窄带超导带通滤波器。此外，本发明提供的这种谐振器组合在一起时，为了满足一定的耦合关系，它们必须靠得更近，这样就使整体面积更紧凑。
附图说明
图1是微带线的截面图
图2是本发明平面超导微带谐振器的一种几何结构示意图
图3a是本发明平面超导微带谐振器的另一种几何结构示意图
图3b是本发明平面超导微带谐振器的又一种几何结构示意图
图3c是本发明平面超导微带谐振器的又一种几何结构示意图
图3d是本发明平面超导微带谐振器的又一种几何结构示意图
图4是根据给定频率f0＝1797MHz，晶体介质LaAlO3的介电常数εr＝23.6，设计的一个回形超导微带谐振器图形
图5是经过计算机仿真计算后得到的回形谐振器的频率响应曲线；其结果表明在设定的仿真条件下，计算机给出的谐振频率为1.7972GHz，无损Q≥50000
图6是一种回形超导谐振器组成的耦合结构及其远场耦合频率响应曲线
图7是一种弯折线超导谐振器组成的耦合结构及其远场耦合频率响应曲线
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地描述。
实施例1
参照图1、2，利用一条完整的微带线，该微带线为超导微带线，其上层微带导体3和下层地平面导体1均为高温超导薄膜，中间是介电常数为εr的单晶介质片。形成一个具有内环和外环的几何图形，其内、外环均不封闭且内、外环相通(本文中将这种具有不封闭内、外环的几何结构称为回形结构，将本发明提供的这种微带谐振器称为回形微带谐振器)。本实施例中，选用的微带线采用晶体介质LaAlO3，其介电常数εr＝23.6，该微带线外环路做成矩形，在微带线长不变的条件下，为了减少谐振腔的面积，内环做成凹形。在这种结构中，内、外环中的瞬时谐振电流相反，可以使谐振器的总辐射很小。
图4是本实施例根据给定频率f0＝1797MHz，晶体介质LaAlO3的介电常数εr＝23.6，设计的一个超导微带谐振器图形，其外环最大边长为5.4mm，最大边宽为5.2mm，微带线的线宽为0.5mm，内、外环线间距为0.3mm，内、外环开口端间距为0.15mm。
图5表明本实施例经过计算机仿真测算得到的谐振曲线，其峰值对应的谐振频率为1.7972GHz，经计算无载Q值大于5000。
本发明还提供了一种利用计算机仿真技术比较谐振器弱辐射特性的方法，该方法包括如下步骤：将二个同样的本发明回形谐振器放在同一平面上，为了比较涉及寄生干扰的远场特性，二个谐振器之间的距离应至少大于谐振器自身的宽度，从而组成一组耦合结构，用计算机仿真方法可以测算出该耦合结构的耦合系数；选择另一种典型的超导谐振器，再由二个该典型的超导谐振器组成对比耦合结构，用计算机在完全相同的条件下测算出对比耦合结构的耦合系数。其中耦合系数相对较小的谐振器就具有相对较弱的辐射特性，也就意味着这种谐振器对不相邻的谐振单元具有较小的寄生干扰。
二个谐振器之间的耦合系数由下述方法测出。图6是由二个回形谐振器组成的耦合结构及其远场耦合频率响应曲线，二个谐振器之间的距离略大于谐振器宽度，图中的曲线是该耦合结构的传输特性，它的二个峰值分别对应的频率是f1、f2，相关理论指出，该耦合结构的耦合系数k可用公式(2)计算，式中Δf＝f2-f1，f0是回形谐振器中心频率。可以看出耦合系数k与Δf成正比。
图7是一种弯折线谐振器组成的耦合结构及其远场耦合频率响应曲线。弯折线谐振器是英国伯明翰大学在2002年公布的一种设计形式，为了保证对比结果的可靠性，弯折线谐振器的频率应调整到f0＝1797MHz，二个谐振器间的间隔与图6一致。由公式(2)算出该结构的耦合系数，可以看出，图7中的耦合结构的频率差Δf是图6中的回形谐振器耦合结构的14倍，从而证明回形谐振器具有相对弱的耦合特性。
上述比较耦合系数的方法也可用于回形谐振器的其它不同设计方案，从而可以从中挑选出弱辐射特性较优的设计方案。
实施例2
用一条完整的超导微带线，形成一个具有内环和外环的几何图形，其内、外环均不封闭且内、外环相通。本实施例中外环路和内环路均为矩形(如图3a所示)。当微带线内存在谐振电流时，其内环、外环的瞬时谐振电流方向相反。
本实施例外环最大边长为6.0mm，最大边宽为5.2mm，微带线的线宽为0.5mm，内、外环线间距为0.3mm，内、外环开口端间距为0.12mm。
利用计算机仿真技术比较谐振器弱辐射特性，判断本实施例是否符合要求。其原理、方法与实施例1相同，不再赘述。
实施例3
利用一条完整的超导微带线，形成一个具有内环和外环的几何图形，其内、外环均不封闭且内、外环相通。本实施例中外环路与内环路均为圆形(如图3b所示)。当微带线内存在谐振电流时，其内环、外环的瞬时谐振电流方向相反。
本实施例外环最大半径为5.4mm，微带线的线宽为0.5mm，内、外环线间距为0.2mm，内、外环开口端间距为0.15mm。
利用计算机仿真技术比较谐振器弱辐射特性，判断本实施例是否符合要求。其原理、方法与实施例1相同，不再赘述。
实施例4
制作一条完整的微带线，该微带线为超导微带线，其上层微带导体3和下层地平面导体1均为高温超导薄膜，中间是介电常数为εr的单晶介质片。该微带线形成一个具有外环和内环的几何图形。本实施例中外环路为矩形，内环路为由折线构成的环状结构(如图3c所示)，其内、外环均不封闭且内、外环相通。当微带线内存在谐振电流时，其内环、外环的瞬时谐振电流方向相反。
本实施例外环最大边长为5.0mm，最大边宽为4.5mm，微带线的线宽为0.4mm，内、外环线间距为0.3mm，内、外环开口端间距为0.15mm。
利用计算机仿真技术比较谐振器弱辐射特性，判断本实施例是否符合要求。其原理、方法与实施例1相同，不再赘述。
实施例5
制作一条完整的微带线，该微带线为超导微带线，其上层微带导体3和下层地平面导体1均为高温超导薄膜，中间是介电常数为εr的单晶介质片。该微带线形成一个具有外环、内环的几何图形，本实施例中外环路、内环路均为由折线构成的环状结构(如图3d所示)，其内、外环均不封闭且内、外环相通。当微带线内存在谐振电流时，其内环、外环的瞬时谐振电流方向相反。
本实施例外环最大边长为6.4mm，最大边宽为5.2mm，微带线的线宽为0.4mm，内、外环线间距为0.3mm，内、外环开口端间距为0.12mm。
利用计算机仿真技术比较谐振器弱辐射特性，判断本实施例是否符合要求。其原理、方法与实施例1相同，不再赘述。
本发明中涉及的制作微带线的技术是一种现有技术。图1是微带线的截面图。图中上层是微带导体3，中间是介质2，下层是地平面导体1。本发明中的微带线均为超导微带线，其上层微带导体3和下层地平面导体1均为高温超导薄膜，中间是介电常数为εr的单晶介质片。本发明中提到的微带线几何结构指的是上层微带导体3构成的几何结构。在设计微带谐振器时，介质厚度h，介电常数εr均为已知，谐振频率f0与品质因数Q也已给定。
本发明中设计工作是利用微波仿真软件(如sonner或ansoft)在计算机上进行的，具体操作和仿真
利用本发明提供的检测耦合系数的方法，可以比较已设计好外形、尺寸、线宽和线间距的回形谐振器的各种不同设计方案，从而从中挑选出弱辐射特性较优的设计方案。
本发明中的超导微带谐振器是按常用工艺制作的，即按光刻、干法刻蚀、切割、组装等工艺步骤制作，属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1、一种平面超导微带谐振器，包括一条由上、下两层超导薄膜和位于两层超导薄膜间的人造单晶介质组成的微带线；其特征在于，所述微带线是一条连续完整的带状体，形成一个具有内环和外环的几何图形结构，其内、外环均不封闭。
2、按权利要求1所述的平面超导微带谐振器，其特征在于，所述内环或外环是由直线、折线或曲线构成的不封闭环形结构；所述内环、外环的谐振电流方向相反。
3.按权利要求1或2所述的平面超导微带谐振器，其特征在于，所述微带线的上、下两层超导薄膜为高温超导薄膜。
4、按权利要求1或2所述的平面超导微带谐振器，其特征在于，所述谐振器的内环为凹形，外环为矩形。
5、按权利要求1或2所述的平面超导微带谐振器，其特征在于，所述谐振器的内环、外环均为矩形。
6、按权利要求1或2所述的平面超导微带谐振器，其特征在于，所述谐振器的内环、外环均为圆形。
7、按权利要求1或2所述的平面超导微带谐振器，其特征在于，所述谐振器的内环为折线构成的环状结构，外环为矩形。
8、按权利要求1或2所述的平面超导微带谐振器，其特征在于，所述谐振器的内环、外环均为折线构成的环状结构。
9、按权利要求4所述的平面超导微带谐振器，其特征在于，所述谐振器的外环矩形长为5.4mm，宽为5.2mm，微带线线宽为0.5mm，内、外环线间距为0.3mm，内、外环开口端间距为0.15mm。
10、一种利用计算机仿真技术对平面超导微带谐振器进行检测与优化的方法，其特征在于，法包括如下步骤：将二个同样的本发明回形谐振器放在同一平面上，二个谐振器之间的距离至少大于谐振器自身的宽度，组成一组耦合结构，利用计算机仿真方法测算出该耦合结构的耦合系数；再选择另一种典型的超导谐振器，再由二个该典型的超导谐振器组成对比耦合结构，用计算机在完全相同的条件下测算出对比耦合结构的耦合系数；得出的耦合系数相对小的谐振器就具有相对弱的辐射特性，该种谐振器对不相邻的谐振单元具有较小的寄生干扰。
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