CN1967933A - 一种超导微带谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平面高温超导微带谐振器，包括一条由上、下两层高温超导薄膜和位于两层高温超导薄膜之间的人造单晶介质组成的微带线；所述微带线是一条连续完整的带状体，该微带线的中间形成一中心条带段，中心条带段的两端延伸分别形成旋转方向相同的第一螺旋条带段和第二螺旋条带段；所述第一螺旋条带段和第二螺旋条带段均围绕中心条带段旋转，形成一双线并绕的几何图形结构。本发明的优点是结构紧凑，远场辐射弱，Q值很高。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，使整体结构更紧凑；当多个谐振器组合在一起形成滤波器时，寄生耦合的影响大大减小。

Description

一种超导微带谐振器

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。一个理想的滤波器应该具有非常陡峭的带外抑制和很小的插入损耗，能根据需要实现不同带宽，而且体积要小。现在社会无线频率资源越来越紧张，往往需要非常窄带的滤波器。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，主要原因在于以下几个方面：

一是寄生耦合的干扰。相关的理论指出：谐振器之间的耦合系数应满足式(1)

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

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，至今未见理想的解决办法。

二是谐振器Q_U值(无载品质因子)的限制。根据相关的理论，滤波器插入损耗L_A跟谐振器Q_U值和滤波器带宽FBW满足式(2)的关系：

$L_A\∝\frac{1}{\mathrm{FBW}*Q_U}...\left(2\right)$

随着滤波器带宽的减小，滤波器插损也会增大。为了减小插损，必须想办法增加谐振器Q_U值。但是增加谐振器的Q_U值往往和减少寄生耦合相矛盾。

三是谐振器体积(面积)的限制。窄带情况下谐振器耦合变弱，间距增大，往往导致滤波器体积过大，难以在有限面积的超导晶片上制作，同时增加制冷功率，滤波器的成本将急剧升高。

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(2002 International 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，提供一种结构紧凑、高Q值的、远场辐射弱的，且寄生耦合很小，适用于窄带平面超导滤波器的微带谐振器。

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、下两层高温超导薄膜和位于两层高温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，该微带线的中间形成一中心条带段6，中心条带段6的两端延伸分别形成旋转方向相同的第一螺旋条带段4和第二螺旋条带段5，所述中心条带段6的线宽是螺旋条带段线宽的1.1-3倍；所述第一螺旋条带段4和第二螺旋条带段5均围绕中心条带段6旋转，形成一双线并绕的几何图形结构。

上述的技术方案中，所述第一螺旋条带段4和第二螺旋条带段5均至少具有一个螺圈。

上述的技术方案中，所述第一螺旋条带段4和第二螺旋条带段5的螺圈数相同。

上述的技术方案中，所述第一螺旋条带段4的最外层螺圈的一个转角处向外略微突起，第二螺旋条带段5的末端与该突起部分接近，形成一电容耦合的结构；所述第二螺旋条带段5的最外层螺圈的一个转角处也向外略微突起，所述第一螺旋条带段4的末端与该突起部分接近，形成一电容耦合的结构。

上述的技术方案中，所述第一螺旋条带段4和第二螺旋条带段5的转角处形成直角(如图3a所示)，或者形成平滑的曲线过渡段。(如图3b所示)。

上述的技术方案中，所述第一螺旋条带段4和第二螺旋条带段5的线宽相同。

上述的技术方案中，所述双线并绕的几何图形结构以所述中心条带段6的中点为原点中心对称。

上述的技术方案中，最大边长为10.96mm，最大边宽为2.86mm，所述第一、第二螺旋条带段线宽均为0.3mm，所述中心条带段线宽为0.44mm，整体结构中相邻微带线的间距为0.3mm。

与现有技术相比，本发明提供的平面超导微带谐振器的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。

与现有技术相比，本发明提供的平面高温超导微带谐振器的另一个优点是具有很弱的远场辐射。这是因为在本发明提供的谐振器中，相邻的微带线谐振电流方向相反，因而使空间辐射场有相互抵消的作用；另外微带线的两端埋入谐振器中，形成电容性负载，进一步限制电磁场的辐射。

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具有高的Q值。这是因为谐振时微带线中部电流最大，将谐振器中部微带线展宽，可减少损耗，因而具有更高的Q值，经计算无载Q值大于130000。

当多个谐振器组合形成滤波器时，较小的远场辐射使它们可以靠得很近，而寄生耦合的影响却很小。再加上它的高Q值，这样可以用本发明提供的谐振器设计并制作出结构紧凑，体积较小的高性能窄带高温超导带通滤波器。

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( 3)计算，

$k=\frac{{f_2}^2-{f_1}^2}{{f_2}^2+{f_1}^2}\≈\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}...\left(3\right)$

式中Δf＝f₂-f₁，f₀是谐振器中心频率。可以看出耦合系数k与Δf成正比。

附图说明

图1是微带线的截面图。

图2是本发明平面高温超导微带谐振器内电流流动示意图。

图3a是本发明平面高温超导微带谐振器的一种几何结构示意图。

图3b是本发明平面高温超导微带谐振器的另一种几何结构示意图。

图3c是本发明平面高温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＝1320.22MHz，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。

图5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1320.22MHz，无载Q≥130000。

图6是一种本发明超导谐振器组成的耦合结构及其耦合频率响应曲线。

图7是一种仿英国伯明翰大学设计的弯折线超导谐振器组成的耦合结构及其耦合频率响应曲线。

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YBCO高温超导薄膜，中间是介电常数为ε_r的单晶介质片，形成一个双线并绕结构。本实施例中，微带线转折处均为直角(如图3a所示)。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。当微带线内存在谐振电流时，相邻平行微带线瞬时谐振电流方向相反。

图4是本实施例根据给定频率f₀＝1320.22MHz，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，其最大边长为10.96mm，最大边宽为2.86mm，微带线的线宽为0.3mm，中部微带线宽0.44mm，微带线相邻线间距为0.3mm。如图4所示，本实施例中的双线并绕结构包括中心条带段，中心条带段的两端延伸分别形成旋转方向相同的第一螺旋条带段和第二螺旋条带段；所述第一螺旋条带段和第二螺旋条带段均围绕中心条带段旋转。另外，第一螺旋条带段的最外层螺圈的一个转角处向外略微突起，第二螺旋条带段的末端与该突起部分接近，形成一电容耦合的结构；第二螺旋条带段的最外层螺圈的一个转角处也向外略微突起，所述第一螺旋条带段的末端与该突起部分接近，形成一电容耦合的结构。

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1.32022GHz，经计算无载Q值大于130000。

二个谐振器之间的耦合系数由下述方法测出。图6是由二个双线并绕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(3)计算，式中Δf＝f₂-f₁，f₀是双线并绕谐振器中心频率。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＝1320.22MHz，二个谐振器间的间隔与图6一致。由公式(3)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中的双线并绕谐振器耦合结构的10倍，从而证明双线并绕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双线并绕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，具体操作和仿真中，利用本发明提到的检测耦合系数的方法，可以比较已设计好外形、尺寸、线宽和线间距的双线并绕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。

实施例2

用一条完整的超导微带线，形成一个双线并绕结构。本实施例中转折处均为曲线(如图3b所示)。当微带线内存在谐振电流时，相邻平行微带线瞬时谐振电流方向相反。其最大边长为10mm，最大边宽为3mm，微带线的线宽为0.3mm，中部微带线宽0.6mm，微带线相邻线间距为0.3mm。

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

用一条完整的超导微带线，形成一个双线并绕结构。本实施例中只有一个螺圈(如图3c所示)。其最大边长为12mm，最大边宽为3.2mm，微带线的线宽为0.3mm，中部微带线宽0.6mm，中部微带线与两侧平行微带线线间距为1mm。

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。

Claims (8)

1、一种超导微带谐振器，包括一条由上、下两层高温超导薄膜和位于两层高温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，该微带线的中间形成一中心条带段(6)，中心条带段(6)的两端延伸分别形成旋转方向相同的第一螺旋条带段(4)和第二螺旋条带段(5)，所述中心条带段6的线宽是螺旋条带段线宽的1.1-3倍；所述第一螺旋条带段(4)和第二螺旋条带段(5)均围绕中心条带段(6)旋转，形成一双线并绕的几何图形结构。

2、按权利要求1所述的超导微带谐振器，其特征在于，所述第一螺旋条带段(4)和第二螺旋条带段(5)均至少具有一个螺圈。

3、按权利要求2所述的超导微带谐振器，其特征在于，所述第一螺旋条带段(4)和第二螺旋条带段(5)的螺圈数相同。

4、按权利要求3所述的超导微带谐振器，其特征在于，所述第一螺旋条带段(4)的最外层螺圈的一个转角处向外略微突起，第二螺旋条带段(5)的末端与该突起部分接近，形成一电容耦合的结构；所述第二螺旋条带段(5)的最外层螺圈的一个转角处也向外略微突起，所述第一螺旋条带段(4)的末端与该突起部分接近，形成一电容耦合的结构。

5、按权利要求1所述的超导微带谐振器，其特征在于，所述第一螺旋条带段(4)和第二螺旋条带段(5)的转角处形成直角，或者形成平滑的曲线过渡段。

6、按权利要求1所述的超导微带谐振器，其特征在于，所述第一螺旋条带段(4)和第二螺旋条带段(5)的线宽相同。

7、按权利要求1所述的超导微带谐振器，其特征在于，所述双线并绕的几何图形结构以所述中心条带段(6)的中点为原点中心对称。

8、按权利要求1所述的超导微带谐振器，其特征在于，最大边长为10.96mm，最大边宽为2.86mm，所述第一、第二螺旋条带段线宽均为0.3mm，所述中心条带段线宽为0.44mm，整体结构中相邻微带线的间距为0.3mm。

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