DE19507786C1 - Oszillator mit einem supraleitenden Resonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Oszillator mit einem supra­ leitenden Resonator gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1. Ein solcher Oszillator ist bereits aus der EP 0 597 617 A1 bekannt.

Aus Dr.U.Güttich: "Design and Performance of a K-Band Di­ electric Resonator Stabilized Monolithic MESFET Oscilla­ tor", AEÜ, Vol. 46, 1992, Seiten 368 bis 370, ist bekannt, daß auf einem Substrat eine abgeschlossene Mikrostreifen­ leitung realisiert ist. Der Abschluß weist die Form eines MESFET auf, der an einem seiner Tore mit einer Leitung und an einem anderen Tor mit weiteren Leitungen verbunden ist. In geringem Abstand von der Leitung ist ein dielektrischer Resonator ausgebildet.

Da eine solche Oszillatoranordnung durch die Verwendung eines dielektrischen Resonators ein relativ hohes Maß an Phasenrauschen aufweist, erscheint es günstig, andersar­ tige Resonatoren zu verwenden.

Aus R.S.Withers und R.W.Ralston "Superconductive Analog Signal Processing Devices", Proceedings of the IEEE, Vol. 77, No. 8, August 1989, Seiten 1247 bis 1261, ist bekannt, daß supraleitende Resonatoren ein geringes Phasenrauschen aufweisen. Ihr Einsatz in Schaltungen der Serienfertigung ist jedoch aufgrund von Schaltungstoleranzen und geometri­ schen Toleranzen der Schaltungen problematisch.

Der Oszillator, der aus der eingangs genannten EP 0 597 617 A1 bekannt ist, ist als sogenannter Push-push- Oszillator konstruiert und weist einen supraleitenden Re­ sonator auf, der über zwei parallal verlaufende geradlini­ ge Leitungen an den Oszillator gekoppelt ist. Sowohl der Resonator wie auch die Leitungen weisen eine planare Struktur auf, wobei der Resonator zwischen den beiden Leitungen angeordnet und in mehreren Ausführungsformen dargestellt ist (ring-, kreis-, rechteck- bzw. quadratför­ mig). Resonator und Leitungen sind bei dieser Lösung auf der Oberseite eines ersten dielektrischen Substrats aufge­ bracht, dessen Unterseite mit einer zusätzlichen Metall­ schicht versehen ist. Die Oberseite des ersten dielektri­ schen Substrats wie auch der Resonator und die beiden Lei­ tungen werden von der Unterseite eines zweiten dielektri­ schen Substrats abgedeckt, dessen Oberseite mit einer zu­ sätzlichen Metallschicht versehen ist. Auf diese Weise entsteht eine Sandwichstruktur mit zwei äußeren Metall­ schichten, die zwei innere dielektrische Metallschichten einschließen, zwischen denen wiederum der supraleitende Resonator und die beiden Kopplungsleitungen angeordnet sind.

Aus der US-PS 5,309,119 ist ebenfalls ein Oszillator mit einem ringförmigen Resonator aus supraleitendem Material bekannt, bei dem der Resonator und eine Kopplungsleitung auf einem Substrat angeordnet sind. Der Resonator besteht bei dieser Anordnung aus einem Hochtemperatur-Supraleiter z. B. auf der Basis von Yttrium (YBCO) oder Nobium. Das Substrat besteht aus Galliumarsenid (GaAs).

Aus der EP 0 567 407 A1 schließlich ist ein Mikrowellenre­ sonator bekannt, der ebenfalls aus supraleitendem Material besteht und z. B. kreisförmig ausgebildet ist. Dieser be­ kannte Resonator weist eine mehrschichtige Sandwichstruk­ tur auf, bei der der eigentliche Resonator aus supralei­ tendem Material zwischen zwei Substratschichten aus die elektrischem Material angeordnet ist. Diese beiden Schich­ ten wiederum befinden sich zwischen zwei Schichten aus supraleitendem Material. Die untere supraleitende Schicht ihrerseits ist auf ein weiteres dielektrisches Substrat aufgebracht. Das ganze befindet sich in einem geschlosse­ nen Gehäuse mit Deckel, wobei zwischen Deckel und der oberen, mit ihrer Oberseite freiliegenden supraleitenden Schicht eine Feder angeordnet ist, die bei geschlossenem Deckel die Sandwichstruktur aus dielektrischen und supra­ leitenden Materialien zusammen- und gegen den Gehäuseboden drückt. Die supraleitenden Schichten bestehen bei dieser Lösung aus einem an der x-Achse ausgerichtetes Yttrium- Barium-Kupfer-Sauerstoff-Komplexoxid (YBa₂Cu₃O_{7- δ}).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungs­ gemäße Anordnung vorzuschlagen, die ein geringes Phasen­ rauschen aufweist und leicht an Toleranzen angepaßt werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergege­ ben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Anhand der Zeichnung wird nachfolgend die Erfindung exem­ plarisch verdeutlicht.

Die Figur zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfin­ dungsgemäß justierbaren supraleitenden Oszillators. In der Figur sind zwei zweischichtige Substrate 10 und 30, die nach ihrer Justierung gegeneinander verklebt werden, dar­ gestellt.

Auf der Oberseite 101 des ersten Substrats 10 ist eine er­ ste Leitung 23 ausgebildet, die mit einem Tor eines Bau­ elements 20 verbunden ist. Bei dem Bauelement 20 handelt es sich um einen Transistor, dessen weitere Tore mit wei­ teren Leitungen 21, 22 verbunden sind.

Alternativ dazu kann das Bauelement 20 auch ein passives Bauelement mit einem oder mehreren Toren sein. Auf der Un­ terseite 301 des zweiten Substrats 30 ist ein Resonator 33 fixiert. Dabei handelt es sich um einen supraleitenden, ringförmigen Hochtemperatur-Resonator.

Das erste und zweite Substrat 10 und 30 sind mehrschich­ tig. In der Figur ist dabei folgende Schichtanordnung dar­ gestellt.

Das erste Substrat 10 weist eine erste Schicht 11 aus Gal­ liumarsenid (GaAs) und eine zweite Schicht 12 aus Yttrium- Barium-Kupfer-Sauerstoff-Komplex (YBa₂Cu₃O_{7- δ}) auf.

Das zweite Substrat 30 weist eine erste Schicht 31 aus Galliumarsenid (GaAs) und eine zweite Schicht 32 aus Yttrium-Barium-Kupfer-Sauerstoff-Komplex (YBa₂Cu₃O_{7- δ}) auf.

Die GaAs-Schichten 11 bzw. 31 wiederum sind vorteilhafter­ weise ebenfalls mehrschichtig mit unterschiedlichen Dotie­ rungen bzw. Schichtdicken aufgebaut und - in an sich be­ kannter Weise - so in ihrer Schichtenfolge/Dotierung ange­ paßt, daß sie als Grundlage für die Herstellung eines He­ tero-Bipolar-Transistors dienen können (dieser Feinaufbau der Schichten innerhalb der GaAs-Schichten ist in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt). Ein besonders günstiges Dotierungsmaterial ist Aluminium (Al). Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen der Galliumarsenid(GaAs)-Schicht 11 bzw. 31 und der Yttri­ um-Barium-Kupfer-Sauerstoff (YBa₂Cu₃O_{7- δ})-Schicht 12 bzw. 32 jeweils eine (in der Figur nicht gezeigte) Schutz­ schicht aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) angeordnet ist.

Andere Schichtmaterialien sind ebenfalls verwendbar, wobei diese die Eigenschaften des Resonators 33, der auf der Un­ terseite der ersten Schicht 31 des zweiten Substrates 30 - also facedown - fixiert ist, beeinflussen. Dieser Einfluß wirkt sich dergestalt aus, daß, je nach Materialwahl und Schichtanordnung, die Abstände a und b unterschiedlich ausfallen. Der Abstand a ist dabei der minimale Abstand zwischen der Außenkante des Resonators 33 und der ersten Leitung 23. Der Abstand b ist der Abstand zwischen der Un­ terkante 331 des Resonators 33 und der Oberkante 101 des ersten Substrats 10.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn das Sub­ strat 30 rechteckförmig ist und so zu Justierzwecken in einer Spannvorrichtung fixiert ist und an die erste Lei­ terbahn 23 herangeführt wird, wo es nach Maßgabe von elek­ trischen Vorgaben durch Kleben fixiert wird.

Alternative Substratformen sind quadratisch, kreisrund, ellipsoid oder andersartig gestaltet.

Es hat sich ferner gezeigt, daß es von Vorteil ist, wenn der Resonator 33 und das Bauelement 20 frequenzmäßig ge­ geneinander abgestimmt sind, so daß die Resonanzfrequenz des Resonators 33 innerhalb oder außerhalb (je nach ge­ wünschtem Filtereffekt) der 3dB-Grenze des Bauelements 20 liegt.

Claims (9)

1. Oszillator, mit einem supraleitenden Resonator und mit mindestens einer Leitung, die mit einem Bauelement verbunden ist, wobei der supraleitende Resonator und die mindestens eine Leitung zwischen einem ersten mehrschichtig aufgebauten Substrat und einem zweiten mehrschichtig aufgebauten Substrat angeordnet sind und eine planare Struktur aufweisen, wobei die mindestens eine Leitung auf dem ersten Substrat fixiert ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Resonator (33) auf dem zweiten Substrat (30) fixiert ist;
• - daß das erste und das zweite Substrat (10, 30) gegeneinander justiert und fixiert sind;
• - daß das erste Substrat (10) eine erste Schicht (11) aus Galliumarsenid (GaAs) aufweist, auf der die Leitung (23) fixiert ist;
• - daß das erste Substrat (10) eine zweite Schicht (12) aus einem Yttrium-Barium-Kupfer-Sauerstoff-Komplex (YBa₂Cu₃O₇_{- w}) aufweist;
• - daß das zweite Substrat (30) eine erste Schicht (31) aus Galliumarsenid (GaAs) aufweist, auf der der Resonator (33) fixiert ist;
• - daß das zweite Substrat (30) eine zweite Schicht (32) aus einem Yttrium-Barium-Kupfer-Sauerstoff-Komplex (YBa₂Cu₃O₇_{- δ}) aufweist;
• - daß zwischen der Galliumarsenid(GaAs)- und Yttrium-Barium-Kupfer-Sauerstoff (YBa₂Cu₃O₇_{- δ})-Schicht eine Schutzschicht eingefügt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (33) durch einen Hochtemperatur-Supraleiter realisiert ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (33) genau oder annähernd die Form eines Ringes oder eines Quadrats oder eines Rechtecks aufweist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Substrat (30) in etwa quadratisch oder in etwa rechteckförmig oder in etwa kreisrund ausgebildet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Galliumarsenid(GaAs)-Schicht aus mehreren Teilschichten mit unterschiedlicher Dicke und/oder unterschiedlichem Dotierungsgrad besteht und daß als Dotierungsmaterial vorzugsweise Aluminium (Al) eingesetzt ist.

7. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Substrat (10, 30) nach ihrer gegenseitigen Justierung gegeneinander verklebt sind.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (20) durch einen Transistor ausgebildet ist.

9. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (33) und das Bauelement (20) frequenzmäßig gegeneinander abgestimmt sind.