DE19619585A1 - Schaltbarer planarer Hochfrequenzresonator und Filter - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem planaren Hochfrequenzresonator nach der Gattung des Anspruchs 1, sowie von einem planaren Hochfrequenzfilter nach der Gattung des Anspruchs 9. Aus der WO93/00720 ist schon ein schaltbarer Hochfrequenzresonator bekannt. Hierbei besteht der Resonator aus einer Mikrostruktur aus einem Hochtemperatursupraleiter auf einem Substrat, über welche ein Galliumarsenidplättchen geklebt wurde. Durch Lichteinstrahlung ist die Leitfähigkeit des Galliumarsenids um mehrere Größenordnungen erhöhbar; somit kann auch die effektive dielektrische Funktion der Umgebung des Resonators verändert werden, was die Resonanzeigenschaften des Resonators verändert. Wird die Eigenfrequenz des Resonators außerhalb des einfallenden Hochfrequenzspektrums geschoben oder stark überdämpft, so ist ein Filter mit einem solchen Resonator ausgeschaltet.

In der WO94/28592 wird ein abstimmbarer Bandpaßfilter in Mikrostreifenleiterbauweise gezeigt. Hierbei sind mehrere aus einem Hochtemperatursupraleiter hergestellte Resonatoren zusammen mit einem Eingangsleiter und einem Ausgangsleiter auf einem komplexen Vielschichtsubstrat aufgebracht. Dieses Vielschichtsubstrat umfaßt ein Trägermaterial und eine ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht sowie mehrere notwendige Pufferschichten. An die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht wird ein elektrisches Feld angelegt, welches die dielektrische Funktion dieser ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Schicht verändert, womit die effektive dielektrische Funktion der Umgebung ebenfalls verändert wird. Durch die Veränderung des Realteils der effektiven dielektrischen Funktion wird die Eigenfrequenz aller Resonatoren im Filter etwa gleichmäßig verschoben; ein mit Hilfe dieser Resonatoren aufgebauter Filter ist somit abstimmbar oder, falls der Abstimmbereich breit genug gewählt wurde, auch schaltbar.

Eine weitere Methode, Resonatoren zu verstimmen, wird in den VDI-Fortschrittsberichten, Reihe 9, Seite 189 (1994), beschrieben. Hierbei werden Störkörper mit den verschiedensten dielektrischen Eigenschaften über mechanische Verstelleinrichtungen in den Feldraum über dem Resonator eingebracht. Durch die Ortsveränderung der in ihren dielektrischen Eigenschaften unveränderlichen Störkörper wird ebenfalls eine geringfügige Änderung der effektiven dielektrischen Funktion der Umgebung des Streifenleiters erreicht. Diese Methode wird häufiger zum Abgleich oder zur Kalibrierung von Filterelementen benutzt, als zur dynamischen Verstellung oder als Schalter.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Resonator mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß er auf höhere Guten optimierbar ist, da er ohne verlusterhöhende Störkörper schaltbar ist. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß seine Herstellung mit geringem Bauaufwand und wenigen Prozeßschritten verbunden ist, welche darüberhinaus voll kompatibel sind mit Standardmikrostrukturverfahren.

Durch die in den Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen schaltbaren planaren Hochfrequenzresonators und Filters möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, als supraleitendes Material ein Cuprat zu verwenden, da diese Materialien eine besonders einfache Beeinflussung der kritischen Temperatur durch Variation der Sauerstoffstöchiometrie zulassen.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, den Resonator am Rand mit Josephsonskontakten zu versehen, welche senkrecht zum hochfrequenten Stromfluß angeordnet sind, da diese Schalter weitgehend unempfindlich gegenüber Höhenstrahlung sind. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß bei der Hintereinanderschaltung von mehreren Josephsonkontakten ein einzelner fehlerhafter Kontakt ohne Konsequenzen bleibt. Dies erhöht die Versagenssicherheit im Einsatz und verringert die Ausschußquote in der Produktion.

Besonders vorteilhaft ist, die Josephsonkontakte mittels einer gezielt in das Substrat eingeschriebenen Störung zu erzeugen. Für nach dieser Art erzeugte Josephsonkontakte ist nur ein einziger zusätzlicher Prozeßschritt notwendig.

Daneben ist es besonders vorteilhaft, eine elektrische Isolationsschicht und einen das magnetische Feld erzeugenden Leiter auf die Supraleiterschicht aufzubringen, da die Isolationsschicht gleichzeitig als Schutzschicht für den Supraleiter dienen kann.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, in der Resonatorstruktur Zonen mit verschiedenen kritischen Temperaturen zu erzeugen, da mit ihrer Hilfe der Resonator sowohl feinabgestimmt, als auch geschaltet werden kann.

Außerdem ist es besonders vorteilhaft, diese Zonen verschiedener kritischer Temperatur in der Resonatorstruktur durch kristallographische Unordnung im Supraleiterfilm zu realisieren, da somit mit Hilfe einer Supraleitermikrostruktur als Ausgangsmaterial eine Reihe verschiedener Resonatoren erzeugt werden kann.

Schließlich ist es besonders vorteilhaft, verschiedene kritische Temperaturen in der Supraleitermikrostruktur durch Variation des Sauerstoffgehalts im Supraleiterfilm zu realisieren, da diese Methode erlaubt, die Sprungtemperaturen in den veränderten Bereichen exakt zu kontrollieren, und gleichzeitig die Hochfrequenzverluste gering zu halten.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen planaren Bandpaßfilter in Mikroleiterstreifentechnik bestehend aus 5 Resonatoren,

Fig. 2a eine Aufsicht auf einen Resonator mit Josephsonkontakten,

Fig. 2b eine aufgeschnittene Seitenansicht derselben Anordnung,

Fig. 3 einen Resonator mit Zonen verschiedener kritischer Temperatur in Aufsicht,

Fig. 4a eine aufgeschnittene Seitenansicht der Anordnung in Fig. 3 mit zusätzlich angebrachter Widerstandheizung,

Fig. 4b eine aufgeschnittene Seitenansicht der Anordnung in Fig. 3 mit zusätzlich aufgebrachter Mikrostruktur auf dem Resonator zur Isothermalisierung und Beheizung des Resonators,

Fig. 4c eine aufgeschnittene Seitenansicht des Aufbaus in Fig. 3 mit zwei zusätzlich auf dem Resonator angebrachten Mikrostrukturen zur Peltier-Kühlung und Heizung und

Fig. 5 einen in einem Gehäuse mit Temperaturregelung montierten Filter.

Beschreibung

Fig. 1 zeigt einen planaren Bandpaßfilter. Zur besseren Übersichtlichkeit wird ein eventuell vorhandenes Gehäuse nicht gezeigt. Auf der Unterseite eines dielektrischen Substrats (20) befindet sich eine unstrukturierte dünne Schicht aus einem Hochtemperatursupraleiter, welche als Masseleiter (30) fungiert. Auf der Oberseite des Substrats (20) befinden sich fünf schräg nebeneinander angeordnete, rechteckige Supraleitermikrostrukturen, welche die Resonatoren (11) bilden. Eine detailliertere Ansicht dieser Resonatoren (11) wird in den nächsten Figuren vermittelt. Ebenfalls auf der Oberseite des Substrats (20), neben den Resonatoren (11) sind ein kapazitiv gekoppelter Eingang (13) und ein kapazitiv gekoppelter Ausgang (14) aus einem Hochtemperatursupraleiter vorgesehen.

Um epitaktisches Wachstum der Hochtemperatursupraleiterfilme, aus welchen die Supraleitermikrostrukturen hergestellet werden, zu gewährleisten, und um die Hochfrequenzverluste gering zu halten, ist es vorteilhaft, ein einkristallines Substrat (20) zu verwenden. Die Dicke der Hochtemperatursupraleiterfilme ist nach dem Stand der Technik auf etwa 4000 Angstrom begrenzt, ist jedoch für die hier gezeigte Anwendung unkritisch.

Im vorliegenden Text wird das Wort supraleitend als Synonym für im supraleitenden Zustand befindlich verwendet, wobei der supraleitende Zustand für den Fachmann eindeutig durch Meissnereffekt und verschwindenden Ohm′schen Widerstand charakterisiert ist. Im Gegensatz dazu bezeichnet das Wort Supraleiter ein Material, welches bei hinreichender Kühlung supraleitend werden kann, auch wenn es sich im normalleitenden (nicht supraleitenden) Zustand befindet.

Ein einlaufendes Mikrowellen- oder Millimetersignal (12) wird von den Resonatoren (11) reflektiert, falls seine Frequenz nicht nicht mit der Resonanzfrequenz der Resonatoren zusammenfällt. Andernfalls wird es transmittiert, wobei der größte Teil der Wellenausbreitung im dielektrischen Substrat (20) vor sich geht. Die Resonanzfrequenz eines einzelnen Resonators wird in erster Linie durch seine lateralen Abmessungen sowie durch die effektive dielektrische Funktion des den Resonator umgebenden Mediums bestimmt. Das gefilterte Signal (15) steht am kapazitiv gekoppelten Ausgang (14) zur Verfügung.

Ein einzelner erfindungsgemäßer Resonator (11) auf einem dielektrischen Substrat (20) ist in Fig. 2a in Aufsicht abgebildet, wobei gleiche Bezugsziffern wie in Fig. 1 gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile bezeichnen. In etwa senkrecht zu den Außenkanten des Resonators (11) befinden sich mehrere Josephsonkontakte (50) im Resonator, hier schematisch als Striche dargestellt. Im gewählten Beispiel erstreckt sich jeder Josephsonkontakt (50) über etwa ein Drittel der Länge des Resonators (11). Im Bereich der Josephsonkontakte (50) befindet sich auf dem Resonator (11), in etwa parallel zu den Außenkanten des Resonators (11), ein Steuerleiter (70), an dessen Enden, hinreichend weit von den Resonatoren (11) entfernt, sich Kontaktpads (80) befinden. Zwischen dem Resonator (11) und dem Steuerleiter (70) ist eine dünne Isolatorschicht (60) zur galvanischen Entkopplung von Resonator und Steuerleiter aufgebracht. Eine strichpunktierte Linie in Fig. 2a symbolisiert eine Schnittlinie.

Fig. 2b zeigt eine aufgeschnittene Seitenansicht des Resonators aus Fig. 2a entlang der in Fig. 2a gezeigten Schnittlinie. Wiederum bezeichnen gleiche Bezugsziffern wie in den vorhergehenden Figuren gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile. Auf dem Substrat (20) befindet sich der Resonator (11), in welchem sich, in etwa senkrecht zu dessen Rand, die Josephsonkontakte (50) befinden. Unterhalb der Josephsonkontakte (50) befinden sich kristallographisch gestörte Bereiche im Substrat, welche im Folgenden, wegen ihrer Form in Aufsicht auch linienförmige Störungen (90) im Substrat (20) genannt werden. Auf dem Resonator (11), von diesem durch eine Isolierschicht (60) getrennt, befindet sich der Steuerleiter (70).

Fließt durch den Steuerleiter (70) ein Strom, so wird dieser von einem Magnetfeld umgeben, welches durch die Feldlinien (100) in Fig. 2b veranschaulicht wird. Bei passend gewähltem Magnetfeld sind die Josephsonkontakte (50) für die supraleitenden Ladungsträger gesperrt, die Abmessungen des supraleitenden Resonators sind somit reduziert. Im vorliegenden Beispiel wird der Resonator um etwa einen Faktor drei verkürzt, so daß sich seine Eigenfrequenz verdreifacht. Diese starke Verstimmung kommt einem Abschalten gleich, wenn die neue Resonanzfrequenz außerhalb des Spektrums des Eingangssignals liegt. Durch verschieden dimensionierte Josephsonkontakte kann auf diese Weise auch ein Mehrfachschalter realisiert werden, welcher zwischen mehreren Resonanzfrequenzen umschaltet.

Ein Verfahren, die obengenannten Josephsonkontakte in Cupraten herzustellen, besteht darin, linienförmige Störungen (90) im Substrat, beispielsweise durch Schreiben mittels eines fokussierten Ionenstrahls, vor der Deposition der Supraleiterschicht zu erzeugen. Der auf einem solchen Substrat aufgewachsene Supraleiterfilm weist eine dünne, nichtleitende Wand aus stark gestörtem Supraleitermaterial auf, welche als Josephsonkontakt fungiert. Es ist zu beachten, daß bei Supraleitern, welche eine größere Kohärenzlänge aufweisen, auch eine großflächigere Störung erzeugt werden muß, um einen Josephsonkontakt zu erhalten.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Aufsicht in Fig. 3 gezeigt, wo ein Resonator (11) in drei Zonen mit unterschiedlicher kritischer Temperatur unterteilt wird. Im hier gewählten Ausführungsbeispiel besteht der Resonator (11) aus Yttrium-Barium-Cuprat. Die kritische Temperatur beträgt 90 Kelvin in Zone 111, 85 Kelvin in Zone 112 und 80 Kelvin in Zone 113.

Fig. 4a zeigt den Querschnitt durch den Resonator entlang der strichpunktierten Linie in Fig. 3. Gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auf der Unterseite des Substrats (20) befindet sich die Yttrium-Barium-Cuprat-Schicht (30), auf welcher eine dünne Isolatorschicht (200) und eine Leiterschicht (201) aufgebracht sind. Die Isolatorschicht (200) sollte kompatibel mit dem Supraleiter sein und kann beispielsweise aus Zirkonoxid bestehen, die Leiterschicht (201) sollte aus einem nichtsupraleitenden Metall bestehen. Auf dem Substrat (20) befindet sich der aus Fig. 3 bekannte Resonator (11) mit den drei Zonen unterschiedlicher Sprungtemperatur (111, 112, 113). Die mittlere Zone werde auch Kernzone genannt, die beiden äußeren Zonen werden auch mit dem Sammelbegriff Randzonen bezeichnet.

Ein Resonator mit solchen Eigenschaften kann auf mindestens zwei Weisen hergestellt werden. In einem ersten Verfahren wird durch Ionenbeschuß des Supraleiterfilms vor oder nach der Mikrostrukturierung die Unordnung in dem Supraleiter, hier Yttrium-Barium-Cuprat, erhöht. Jede gewünschte Sprungtemperatur ist mit diesem Verfahren herstellbar. Sehr niedrige Sprungtemperaturen gehen jedoch einher mit hohen Verlusten und sind daher für Filter mit hohem Q nicht wünschenswert. Ein zweites Verfahren besteht in der Reduzierung des Materials, durch welche ebenfalls jede beliebige kritische Temperatur ohne Erhöhung der Verluste eingestellt werden kann. Eine räumlich begrenzte Reduzierung des Sauerstoffgehalts läßt sich beispielsweise durch lokale Erwärmung mittels eines Laserstrahls in einer reduzierenden Atmosphäre (üblicherweise Argon oder Vakuum) erreichen.

Die Resonanzeigenschaften des Resonators in Fig. 3 sind nun durch Änderung der Temperatur dreistufig schaltbar. Bei Betrieb des Filters bei 77 Kelvin (Siedetemperatur von Stickstoff) ist der gesamte Resonator aktiv. In Fig. 4a-c ist mit 201 ein Leiter gezeigt, welcher als Widerstandsheizung dient. Durch Anlegen einer Spannung an den Leiter (201) fließt durch diesen ein Strom, welcher den Filter erwärmt. Bei auf 89 Kelvin erhöhter Betriebstemperatur ist seine Resonanzfrequenz verdoppelt, da die Länge des supraleitenden Segments um die Hälfte verkürzt ist.

Ist als Basisbetriebstemperatur 77 Kelvin vorgesehen, so genügt eine Widerstandsheizung. Es ist jedoch zu beachten, daß die Zonen 113 und 112 normalleitend werden müssen, bevor der Masseleiter (30) und die Kernzone (111) des Resonators (11) normalleitend werden. Deshalb muß das Substrat (20) entweder hinreichend gut wärmeleitend oder hinreichend dünn sein.

Eine andere Realisierungsmöglichkeit einer Widerstandsheizung ist in Fig. 4b gezeigt, wo der Leiter (201), galvanisch getrennt durch eine dünne Isolatorschicht (200) auf der Oberseite des Resonators aufgebracht ist.

Ebenso wäre es möglich, nur die Zonen 113 und 114 mit einer Heizung zu versehen, um die Wärmekapazität des Filters zu verringern und die Hochfrequenzverluste des Filters gering zu halten, wie Fig. 4c zeigt. Auf jeden Fall ist zu berücksichtigen, daß die Isolatorschicht (200) ein ausreichend gutes Wärmeleitungsvermögen besitzt, und daß die Kernzone (111) nicht vor den Randzonen (113 und 112) normalleitend wird. Eine solche Isothermalisierung wird im allgemeinen bereits durch die Wärmeleitfähigkeit durch die metallischen Schicht (201) erreicht.

Ist die Basisbetriebstemperatur höher als die niedrigste im Bauteil vorkommende kritische Temperatur, reicht eine Heizung zur Temperatureinstellung nicht aus und es muß eine zusätzliche Kühlung vorgesehen werden. Diese kann häufig nach dem Peltier-Prinzip funktionieren, so daß die Widerstandsheizung in den oben genannten Figuren lediglich durch zwei verschiedene, sich überlappende Metallschichten ersetzt werden muß.

Schließlich besteht eine weitere Lösungsmöglichkeit darin, das Gehäuse für einen solchen Filter mit einer Heizung und/oder Kühlung zu versehen. Ein Beispiel für eine solche Regelung ist in Fig. 5 gezeigt. Ein planares Filterelement, bestehend aus einem Resonator (11), einem Ausgang (14) und einem Eingang (nicht sichtbar) auf einem Substrat (20), sowie einem Masseleiter (30) befindet sich in einem Gehäuse (300), welches aufgeschnitten dargestellt ist. Der einfacheren Darstellung wegen wurde hier als Gehäuse ein einfacher Quader gewählt, bei welchem alle konstruktiven Details weggelassen wurden. Die Resonatoren sind nach dem Muster von Fig. 3 aufgebaut. Im Gehäuse ist eine Peltierheizung (301) untergebracht, welche den gesamten Filter heizen und abkühlen und somit ein- und ausschalten kann. Weitere Temperaturregelungsmöglichkeiten sind für den Fachmann offensichtlich.

Claims (12)

1. Planarer Hochfrequenzresonator, mit einer auf einem Substrat aufgebrachten Supraleitermikrostruktur, deren Geometrie die Resonanzeigenschaften des Resonators, insbesondere Lage und Breite der Resonanz, bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die ein vorgegebener Teil des Resonators in den normalleitenden Zustand versetzbar ist.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Supraleitermikrostruktur aus einem Cuprat ausgebildet ist.

3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Teil, welcher in den normalleitenden Zustand versetzt wird, in der Supraleitermikrostruktur, in etwa senkrecht zu einem Rande der Supraleitermikrostruktur, mindestens ein Josephsonkontakt angebracht ist.

4. Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Josephsonkontakt eine lokale Störzone der Kristallstruktur des Substrats bedeckt.

5. Resonator nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Josephsonkontakt durch eine Isolatorschicht getrennter elektrischer Leiter vorgesehen ist, und daß durch einen Stromfluß durch den Leiter ein Magnetfeld mit einer Komponente parallel zum Josephsonkontakt erzeugbar ist.

6. Resonator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Supraleitermikrostruktur aus mindestens zwei Zonen mit unterschiedlichen kritischen Temperaturen besteht, und daß eine Vorrichtung zur Änderung der Temperatur des Resonators vorgesehen ist.

7. Resonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen durch unterschiedliche kristallographische Unordnung realisiert sind.

8. Resonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen durch Variationen in der Stöchiometrie, insbesondere Variationen im lokalen Sauerstoffgehalt, realisiert sind.

9. Planarer Hochfrequenzfilter, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Eingang, mindestens ein Ausgang und mindestens ein Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche auf dem Substrat angeordnet sind.

10. Verfahren zur Herstellung eines Resonators nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, auf ein dielektrisches Substrat eine Supraleiterschicht aufgebracht und mikrostrukturiert wird, und daß vor Aufbringen der supraleitenden Schicht das Substrat mit linienförmigen Strukturen erhöhter Unordnung versehen wird.

11. Verfahren zur Herstellung eines Resonators nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf ein dielektrisches Substrat eine Supraleiterschicht aufgebracht und mikrostrukturiert wird, wobei die Supraleiterschicht aus einem Cuprat besteht, und daß die kristallographische Unordnung mittels Ionenbestrahlung des Films vor oder nach der Mikrostrukturierung hergestellt wird.

12. Verfahren zur Herstellung eines Resonators nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf ein dielektrisches Substrat eine Supraleiterschicht aufgebracht und mikrostrukturiert wird, wobei die Änderung des lokalen Sauerstoffgehalts durch eine örtliche Erwärmung mittels intensiver optischer Bestrahlung in reduzierender Atmosphäre hergestellt wird.