CN1925212B - 一种平面超导微带谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平面超导微带谐振器，包括一条微带线；其特征在于，所述微带线是一条连续完整的带状体，其微带线的两末端分别向内形成一个左螺旋条带段、右螺旋条带段，并且二者旋转方向相同，左螺旋条带段、右螺旋条带段之间为水平连接条带段；所述水平连接条带段长度不超过微带线总长度的5％。由于采用左、右双螺旋的结构，且左、右螺旋的电流方向相反，当本发明提供的这种谐振器组合在一起时，其整体结构非常紧密；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。对于低频微波超导微带滤波器，例如频率小于500MHZ，谐振器的大小随着频率的降低而增大，然而超导薄膜通常是生长在直径不超过2英寸的晶圆(蓝宝石，氧化镁或者是铝酸镧)上，随着谐振器的尺寸变大，相应的滤波器所占据的面积就越大，滤波器的成本将急剧升高。相关理论表明，对于半波长型微带谐振器，其导波波长、频率以及相速之间关系如下：

${\mathrm{\λ}}_g=\frac{v_p}{f}---\left(1\right)$

其中λ_g为导波波长，v_p为相速，f为谐振器的中心频率。从公式(1)可以看出谐振器的频率越低，其对应当导波波长就越长，谐振器的体积也就越大。那么相应的滤波器体积也就越大，那么滤波器的成本也就越高。从经济性上讲，低频滤波器对谐振器的紧凑性提出了更高的要求。为此，人们针对低频滤波器提出了打折线、螺旋线结构的谐振器。但是这类谐振器由于对外辐射过大，很难设计并制作成为窄带滤波器。

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

$M_{\mathrm{ij}}=\frac{\mathrm{FBW}}{\sqrt{g_i{g}_j}}{J}_{\mathrm{ij}}---\left(1\right)$

式中M_ij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。

本发明提供一种适用于低频段的超导滤波器的谐振器，该谐振器结构极其紧凑的，高Q值地，低电磁辐射的，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.

发明内容

本发明的目的在于，提供一种适用于低频段的超导滤波器的谐振器，该谐振器结构极其紧凑的，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，其微带线的两末端分别由内向外顺时针旋转，一个末端形成一个螺旋形状的条带段4、另外一个末端形成一个螺旋形状的条带段5，所述的条带段4、所述的条带段5之间为水平连接条带段6；所述水平连接条带段6长度不超过微带线总长度的5％；所述条带段4与所述的条带段5展开后的直线长度的比值在0.85至1.15之间；所述条带段4与所述的条带段5都具有至少一个螺圈。

在上述的技术方案中，所述条带段4和条带段5的螺圈可由直线(如图3)或曲线(如图4所示)构成；并且所述条带段4的螺圈与条带段5的螺圈的形状相同。

在上述的技术方案中，所述条带段4及条带段5的螺圈均等间距，且条带段4与条带段5的螺圈间距相等。

在上述的技术方案中，所述左螺旋条带段4与右螺旋条带段5的螺圈均为矩形螺圈，且最外层螺圈的外轮廓长为13.58mm，宽为2.38mm，微带线线宽为0.1mm，相邻螺圈的间距为0.1mm，两个螺旋条带段的最外层螺圈的外轮廓间距为0.1mm。

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，左螺旋段、右螺旋段的瞬时电流方向一个是顺时针另一个为逆时针方向，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作出高性能的窄带超导带通滤波器。

与现有技术相比，本发明提供的平面超导微带谐振器的另一个优点是结构非常紧凑。这是因为螺旋线结构有效的节省谐振器所占用的面积，使得单个谐振器体积非常小，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，这样就使由本谐振器构成的滤波器整体面积更紧凑。

附图说明

图1是微带线的截面图。

图2是谐振器内电流流动示意图。

图3是本发明平面超导微带谐振器的一种几何结构示意图。

图4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5是根据给定频率f₀＝445MHz，晶体介质MgO的介电常数ε_r＝9.6，设计的一个超导微带谐振器图形。

图6是经过计算机仿真计算后得到的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0.445005GHz，无损Q≥100000。

图7是一种本发明超导谐振器组成的耦合结构。

图8是由二个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、3，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ε_r的单晶介质片。形成一个具有左螺旋条带段、右螺旋条带段和水平连接条带段的几何图形，其中左螺旋条带段和右螺旋条带段的旋转方向相同，均为由内向外顺时针旋转，本实施例中，选用的微带线采用晶体介质MgO，其介电常数ε_r＝9.65。

图5是本实施例根据给定频率f₀＝445MHz，晶体介质MgO的介电常数ε_r＝9.65，设计的一个超导微带谐振器图形，该图形中两个螺旋条带段的螺圈均为矩形螺圈，最外层螺圈的外轮廓长为13.58mm，宽为2.38mm，微带线的线宽为0.1mm，相邻螺圈等间距且间距为0.1mm，两个螺旋条带段的最外层螺圈的间距为0.1mm。水平条带段长的长度不超过微带线总长度的5％，左螺旋条带段4与右螺旋条带段5展开后的直线长度的比值在0.85至1.15之间。本实施例中水平条带段长的长度为微带线总长度的2.77％，左螺旋条带段4与右螺旋条带段5展开后的直线长度的比值为0.992。

图6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0.445005GHz，经计算无载Q值大于100000。

二个谐振器之间的耦合系数由下述方法测出。如图7所示，用本发明超导谐振器组成的一种耦合结构。图8是由二个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。

上述比较耦合系数的方法也可用于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。

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ε_r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ε_r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sonnet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。

值得注意的是，本发明中的水平连接条带段也可以变形为折线或曲线条带。

实施例2

参照图4，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ε_r的单晶介质片。形成一个具有左螺旋条带段、右螺旋条带段和水平连接条带段的几何图形，其中左螺旋条带段和右螺旋条带段的旋转方向相同，均为由内向外顺时针旋转，本实施例中，选用的微带线采用晶体介质MgO，其介电常数ε_r＝9.65。

设计的一个超导微带谐振器图形，该图形中两个螺旋条带段的螺圈均为椭圆形螺圈，最外层螺圈的外轮廓的长轴为15mm，短轴为3.8mm，微带线的线宽为0.1mm，相邻螺圈的间距为0.1mm，两个螺旋条带段的最外层螺圈的间距为0.1mm。水平条带段长的长度不超过微带线总长度的5％，左螺旋条带段与右螺旋条带段展开后的直线长度的比值在0.85至1.15之间。本实施例中水平条带段长的长度为微带线总长度的3.1％，左螺旋条带段与右螺旋条带段展开后的直线长度的比值为0.989。

本实施例中耦合系数检测的方法与实施例1完全相同。

实施例3

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ε_r的单晶介质片。形成一个具有左螺旋条带段、右螺旋条带段和水平连接条带段的几何图形，其中左螺旋条带段和右螺旋条带段的旋转方向相同，均为由内向外顺时针旋转，本实施例中，选用的微带线采用晶体介质MgO，其介电常数ε_r＝9.65。

设计的一个超导微带谐振器图形，该图形中两个螺旋条带段均只有一个螺圈，本实施例中的螺圈为椭圆形螺圈，其外轮廓长为15mm，宽为3mm，微带线的线宽为0.1mm，相邻螺圈的间距为0.1mm，两个螺旋条带段的最外层螺圈的间距为0.1mm。水平条带段长的长度不超过微带线总长度的5％，左螺旋条带段与右螺旋条带段展开后的直线长度的比值在0.85至1.15之间。本实施例中水平条带段长的长度为微带线总长度的3.5％，左螺旋条带段与右螺旋条带段展开后的直线长度的比值为0.993。

本实施例中耦合系数检测的方法与实施例1完全相同。

Claims (4)

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，其微带线的两末端分别由内向外顺时针旋转，一个位于左边的末端形成一个左螺旋条带段(4)、另外一个位于右边的末端形成一个右螺旋条带段(5)，所述的左螺旋条带段(4)和所述的右螺旋条带段(5)之间为水平连接条带段(6)；所述水平连接条带段(6)长度不超过微带线总长度的5％；所述左螺旋条带段(4)与所述的右螺旋条带段(5)展开后的直线长度的比值在0.85至1.15之间；所述条带段左螺旋(4)与所述的右螺旋条带段(5)都具有至少一个螺圈。

2.按权利要求1所述的平面超导微带谐振器，其特征在于，所述左螺旋条带段(4)和所述右螺旋条带段(5)的螺圈可由直线或曲线构成；并且所述左螺旋条带段(4)的螺圈与所述右螺旋条带段(5)的螺圈的形状相同。

3.按权利要求2所述的平面超导微带谐振器，其特征在于，所述条左螺旋带段(4)及所述右螺旋条带段(5)的螺圈均等间距，且所述左螺旋条带段(4)与所述右螺旋条带段(5)螺圈间距相等。

4.按权利要求3所述的平面超导微带谐振器，其特征在于，所述左螺旋条带段(4)与所述右螺旋条带段(5)的螺圈均为矩形螺圈，且最外层螺圈的外轮廓长为13.58mm，宽为2.38mm，微带线线宽为0.1mm，相邻螺圈的间距为0.1mm，两个螺旋条带段的最外层螺圈的外轮廓间距为0.1mm。

Images