DE69532900T2 - Filter mit konzentrierten Elementen - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft elektrische Schaltkreise mit konzentrierten Schaltelementen, hauptsächlich Induktoren und Kondensatoren. Insbesondere betrifft sie Mikrowellen-Schaltkreise wie beispielsweise Filter, welche einige supraleitende Komponenten aufweisen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Elektrische Komponenten gibt es in verschiedenartigen konventionellen Formen, wie zum Beispiel Induktoren, Kondensatoren und Widerständen. Ein konzentriertes elektrisches Schaltelement ist eines, dessen physische Größe substanziell geringer als die Wellenlänge des elektromagnetischen Feldes ist, welches durch das Element hindurchtritt. Ein verteiltes Element ist eines, dessen Größe größer als die eines konzentrierten Elements ist. Als Beispiel würde ein konzentriertes Schaltelement in der Form eines Induktors eine physische Größe haben, welche ein relativ kleiner Bruchteil der Wellenlänge wäre, welche in dem Schaltkreis verwendet würde, typischerweise weniger als 1/8 der Wellenlänge.
  • Induktoren, Kondensatoren und Widerstände wurden gemeinsam in nützliche Schaltkreise gruppiert. Resonanzschaltkreise und Filter werden gebildet, welche solche Elemente aufweisen. Eine besonders nützliche Anwendung von solchen Elementen sind im Mikrowellenbereich, wie z.B. oberhalb von 500 MHz, verwendbare Filter.
  • Den Fall von konventionellen Mikrowellenfiltern betrachtend, gab es grundsätzlich drei Typen. Zuerst haben konzentrierte Schaltelement-Filter separat hergestellte luftgewundene Induktoren und Parallel-Platten-Kondensatoren verwendet, welche zu einem Filter-Schaltkreis zusammen verdrahtet wurden. Diese konventionellen Komponenten waren relativ klein verglichen mit der Wellenlänge und demgemäß ergaben sie einen ziemlich kompakten Filter. Jedoch stellte sich heraus, dass in der Herstellung das Verwenden von separaten Elementen schwierig ist, was zu großen Unterschieden von Schaltkreis zu Schaltkreis führte. Die zweite konventionelle Filterstruktur verwendet schablonenhaft verteilte Schaltelement-Komponenten. Gekoppelte Stangen und Stäbe werden verwendet, um Übertragungsleitungs-Netzwerke zu bilden, welche als Filter-Schaltkreis angeordnet sind. Gewöhnlich ist die Länge der Stangen und Stäbe ¼ oder ½ der Wellenlänge der Mittenfrequenz des Filters. Demgemäß werden die Stangen und Stäbe ziemlich groß, häufig sind sie einige Zoll lang, was zu Filtern mit einer Länge von mehr als einem Fuß führt. Drittens wurden gedruckte verteilte Schaltelement-Filter verwendet. Im Allgemeinen weisen diese eine einzelne Schicht von Metall-Linien auf, welche auf ein isolierendes Substrat gedruckt wurden, mit einer Erdungsplatte an der Rückseite des Substrates. Die Linien sind als Übertragungsleitungs-Netzwerke angeordnet, so dass sie einen Filter bilden. Wiederum können diese Filter ziemlich groß werden. Die Strukturen leiden auch unter vielfältigen Antworten bei Vielfachen der Mittenfrequenz.
  • Vielfältige Dünnfilm-konzentrierte-Schaltelement-Strukturen wurden vorgeschlagen. Swanson U.S. Patent Nr. 4,881,050 herausgegeben am 14. November 1989, offenbart ein Dünnfilm- Mikrowellen-Filter, welches konzentrierte Schaltelemente verwendet. Im Besonderen ist ein Kondensator π-Netzwerk, welches Spiralinduktoren und Kondensatoren verwendet, offenbart. Im Allgemeinen wird eine Vielschicht-Struktur verwendet, ein dielektrisches Substrat, welches eine Erdungsplatte an einer Seite des Substrates aufweist und mehrere Dünnfilm-Metallschichten und Isolatoren an der anderen Seite. Filter werden ausgebildet, indem die Metall- und Isolationsschichten derart angeordnet werden, dass sie kapazitive π-Netzwerke und Spiralinduktoren bilden. Swanson U.S. Patent Nr. 5175518 mit dem Titel „Wide Percentage BandWidth Microwave Filter Network and Method of Manufacturing Same" offenbart eine konzentrierte Schaltelement-Struktur, welche auf Dünnfilm basiert. Insbesondere hat ein Tonerde-Substrat eine Erdungsplatte an einer Seite und mehrere Schichten plattenähnlicher Strukturen an der anderen Seite. Eine dielektrische Schicht aus Siliziumnitrid ist über der ersten Platte auf dem Substrat aufgebracht und eine zweite und dritte Kondensator-Platte sind auf dem Dielektrikum über der ersten Platte aufgebracht.
  • Historisch wurden solche konzentrierte Schaltelement-Schaltkreise hergestellt, indem normale, d.h. nicht supraleitende Materialien verwendet wurden. Diese Materialien haben einen inhärenten Verlust und so haben die Schaltkreise im Ergebnis verschiedene Grade an Verlusten. Für Resonanzschaltkreise, wie solche, welche verwendet werden, um schmalbandige Filter herzustellen, ist der Verlust besonders kritisch. Das Q einer konzentrierte Schaltelement-Vorrichtung ist ein Maß für ihre Leistungsdissipation oder Verluste. Konzentrierte Schaltelement-Resonanz-Schaltkreise, welche aus normalen Metallen hergestellt werden, haben bei Mikrowellenfrequenzen Q's von weniger als 1000, welche von dem Verlust des konzentrierten Induktors dominiert werden.
  • Mit der Entdeckung von Hochtemperatur-Supraleitfähigkeit im Jahre 1986 wurden Versuche unternommen, elektrische Vorrichtungen aus diesen Materialien herzustellen. Die Mikrowellen-Eigenschaften der Hochtemperatur-Supraleiter haben sich seit der Entdeckung dieser wesentlich verbessert. Epitaktische supraleitfähige Dünnfilme werden nun routinemäßig hergestellt und sind kommerziell erhältlich. Siehe z.B. R.B. Hammond et al., „Epitaxial Tl2Ca1Ba2Cu2O8 Thin Films with Low 9.6 GHz Surface Resistance at High Power and Above 77K", Appl. Phys. Lett., Bd. 57, S. 825–827, 1990. Verschiedene Filterstrukturen und Resonatoren sind ausgebildet worden. Andere diskrete Schaltkreise für Filter im Mikrowellenbereich wurden beschrieben. Siehe z.B. S.H. Talisa, et al., „Low-and High-Temperature Superconducting Microwave Filters", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Bd. 39, Nr. 9, September 1991, S. 1448–1554.
  • Der Bedarf an kompakten, verlässlichen, schmalbandigen Filter war niemals größer. Anwendungen in den Telekommunikationsbereichen sind von besonderer Bedeutung. Weil mehr Benutzer wünschen, das Mikrowellen-Band zu benutzen, wird das Verwenden von schmalbandigen Filtern die Anzahl der Nutzer in dem Spektrum anwachsen lassen. Von ganz besonderem Interesse ist der Bereich von 800 bis 2.200 MHz. In den Vereinigten Staaten wird der 800 bis 900 MHz Bereich für Mobilfunk-Kommunikationen verwendet. Die privaten Kommunikations-Dienste sind in dem 1.800 bis 2.200 MHz Bereich geplant.
  • Trotz der klaren Erwünschtheit von verbesserten elektrischen Schaltkreisen, was die bekannte Erwünschtheit des Umwandelns von Schaltkreisen zum Einschließen supraleitender Elemente einschließt, haben die Anstrengungen in allen Beziehungen weniger als zufriedenstellende Ergebnisse gezeigt. Beim Ersetzen mit Hochtemperatur-supraleitfähigen Materialien hat sich im Besonderen als schwierig herausgestellt, Schaltkreise auszubilden, ohne den intrinsischen Q-Wert des supraleitenden Films stark herabzusetzen. Diese Probleme schließen Schaltkreisstruktur, Strahlungsverlust und Abstimmung ein und blieben trotz der klaren Erwünschtheit eines verbesserten Schaltkreises bestehen.
  • Von Chaloupka H: „High-Temperature Superconductors – A Material for Miniaturized or High-Performance Microwave Components", Frequenz, Bd. 44, Nr. 5, Mai 1990, Seiten 141-144, im Besonderen 2 auf Seite 143, sind einige Schritte zum Miniaturisieren eines Mikrostreifen-Bandsperrfilters gezeigt. Der erste Schritt war a) eine Anzahl von streifenähnlichen Resonatoren von einer viertel Wellenlänge mittels Übertragungsleitungen zu koppeln, der nächste Schritt b) war die streifenähnlichen Viertel-Wellenlängen-Resonatoren mittels einer lutscherähnlichen Struktur von kürzeren Resonatoren zu ersetzen, welche den gleichen Effekt haben, und dann c) die Übertragungsleitungen zwischen den Resonatoren in eine Mäanderform zu biegen, was die lutscherförmigen Strukturen als die einzigen Resonatoren aufrechterhält, welche mittels der mäanderförmigen, nichtresonanten Übertragungsleitung gekoppelt sind. Die mäanderförmige Übertragungsleitung hat den einzigen Zweck, die lutscherförmigen Resonatoren miteinander zu koppeln, aber hat keinerlei Resonator-Funktion.
  • Von Swanson D et al.: „A 10 GHz thin Film Lumped Element High Temperature Superconductor Filter" International Microwave Symposium Digest June 1–5, 1992, Bd. 3, Seiten 1191–1993 ist eine Bandsperren-Struktur gemäß dem einleitenden Teil des Anspruches 1 bekannt. Jedoch ist der Induktor als eine Spule ausgebildet, welche eine Kreuzung aufweist. Der Strom fließt innerhalb der Windungen der Spule parallel in die gleichen Richtungen, was die Konsequenz hoher Strahlungsverluste hat.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Neue konzentrierte Schaltelement-Induktoren und -Kondensatoren sind, alleine oder in Kombination mit konventionellen Materialien, aus Hochtemperatursupraleitfähigen Materialien gebildet. In der bevorzugten Ausführungsform sind Dünnfilm-epitaktische Hochtemperatur-Supraleiter strukturiert, um konzentrierte Kondensatoren und Induktoren auf verlustarmen Substraten auszubilden. Diese schließen all jene ein, welche mit dem Ausbilden von Hochtemperatur-supraleitfähigen Filmen vereinbar sind (z.B. Lanthan-Tonerde, Saphir und Magnesiumoxid).
  • Verschiedenartige neue und vorteilhafte Strukturen werden beschrieben. Beides, Bandpass- und Bandsperren-Filter werden ausgebildet. Im Allgemeinen verwenden beide, Bandpass- und Bandsperren-Strukturen, seriell und parallel gekoppelte Kondensatoren und Induktoren. Die Leistungsfähigkeit dieser Filter wird durch den Verlust (oder Q) in dem Induktorabschnitt des Resonators dominiert.
  • In der bevorzugten Ausführungsform ist ein zick-zack-förmiger Induktor aus einem Hochtemperatur-supraleitfähigen Film ausgebildet und wird als der Induktorabschnitt des konzentrierten Schaltelements verwendet. Die Struktur ist als eine mäanderförmige oder schlangenförmige Struktur ausgebildet. Vorteilhafterweise würde diese Struktur gewöhnlich keine Kreuzung verlangen, um Kopplungen an beiden Enden des konzentrierten Schaltelements bereitzustellen. Diese Struktur hat den zusätzlichen Vorteil, dass die entgegengesetzten Ströme in benachbarten Abschnitten des Induktors jeden Verlust durch Strahlungseffekte beträchtlich verringern.
  • In der bevorzugten Ausführungsform werden Bandsperren-Strukturen, Bandpass-Strukturen und Kombinationen davon ausgebildet, indem zick-zack-förmige oder schlangenförmige ebene Induktoren für die Induktoren in dem Resonatorabschnitt des Schaltkreises verwendet werden. In der gezeigten Basisform koppelt eine Bandsperren-Struktur kapazitiv einen Leiter an einen Resonator, welcher einen ersten Kondensatoranschluss, einen in Reihe geschalteten zick-zack-förmigen oder schlangenförmigen Induktor und einen Endkondensatoranschluss aufweist. In der Basisform der Bandpass-Struktur ist ein Signal kapazitiv an einen in Reihe geschalteten Induktor gekoppelt, welcher wiederum in Reihe mit einer Ausgangs-Kondensator-Struktur geschaltet ist.
  • Ein Tschebyscheff-Bandsperren-Filter ist vorzugsweise aus einer Mehrzahl von seitlich gekoppelten, kurzen, zick-zack-förmigen Resonatorstrukturen ausgebildet, welche jeweils einen Eingangsanschluss, einen zick-zack-förmigen oder schlangenförmigen Induktor, welcher an einem Ende an den Eingangskondensatoranschluss gekoppelt ist und am anderen Ende an einen Ausgangskondensatoranschluss gekoppelt ist, aufweisen. Diese Resonatoren sind mittels Verwendens von 90 Grad konzentrierte Schaltelement-Phasenschiebern gekoppelt, welche optional aus zick-zack-förmigen Induktoren ausgebildet sein können. Weil diese Phasenschieber nicht-resonant sind, brauchen sie nicht aus den sehr verlustarmen zick-zack-förmigen Induktorstrukturen ausgebildet sein, sondern können ohne signifikante Verschlechterung in der Filterleistungsfähigkeit aus Spiral- oder anders geformten Induktoren ausgebildet sein.
  • Ein elliptischer Bandsperren-Filter ist aus einer Mehrzahl von Bandsperren-Strukturen ausgebildet, welche mittels Verwendens von Phasenschiebern (wie im Tschebyscheff-Fall) miteinander gekoppelt sind, aber mit variierenden Werten der Phasenverschiebung. Die Bandsperren-Strukturen weisen vorzugsweise einen Eingangskondensatoranschluss, einen zick-zack-förmigen oder schlangenförmigen Induktor, welcher an einem Ende an den Eingangskondensatoranschluss gekoppelt ist und einen Endkondensatoranschluss, welches mit dem Ende des Induktors gekoppelt ist, auf. In einer anderen Ausführungsform, kann der konzentrierte Schaltelement-Phasenschieber mittels einer Übertragungsleitung ersetzt werden, welche eine Impedanz und eine Phasenverschiebung hat, welche derart gewählt wird, dass die konzentrierte Schaltelement-Version simuliert wird.
  • Ein quasi-elliptischer Bandpass-Filter wird aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Bandpass-Resonatoren ausgebildet, wobei eine ebene Übersprech-Kopplung von Resonatoren ausgebildet ist.
  • Mehrschicht-Strukturen verwenden einen Hochtemperatur-Supraleiter-Film mit Kopplung an den Induktor über eine Mehrschicht-Struktur. Da die Resonator-Leistungsfähigkeit durch den Induktor dominiert wird, können die kapazitiven Koppelungsabschnitte für einige Anwendungen eher aus normalem Metall als aus Hochtemperatur-Supraleitern ausgebildet werden.
  • Hoch-Q-Strukturen können mittels der offenbarten Vorrichtungen ausgebildet werden. Resonatoren mit einem Q größer als 1.000 sind leicht erreichbar. Ferner werden bequem schmalbandige Bandpass-Filter ausgebildet.
  • Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, neue und im hohen Grade vorteilhafte Strukturen für konzentrierte Schaltelement-Induktoren und -Kondensatoren bereitzustellen.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, konzentrierte Schaltelemente bereitzustellen, welche mit oder ohne Einschluss von normalen Metallen aus Hochtemperatur-Supraleiter-Materialien ausgebildet sind.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, verbesserte Filter bereitzustellen.
  • Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, verbesserte schmalbandige Bandpass-Filter für das Verwenden in der Telekommunikation bereitzustellen.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, konzentrierte Schaltelemente bereitzustellen, welche nützlich für Hoch-Q-Schaltkreise sind.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, Strukturen bereitzustellen, welche die verlustarme Natur von Hochtemperatur-Supraleitern erhalten, jedoch wertvolle elektrische Funktionen als Induktoren und Kondensatoren verrichten.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • 1 zeigt ein Schaltkreis-Diagramm eines einfachen π-Netzwerkes.
  • 2 zeigt eine Draufsicht eines ebenen Spiralinduktors mit vielen Windungen.
  • 3 zeigt eine Draufsicht eines zick-zack-förmigen Induktors.
  • 4 zeigt eine Schaltkreis-Komponenten-Repräsentation der Struktur aus 3.
  • 5 zeigt eine Draufsicht einer parallelen Bandsperren-Struktur.
  • 6 zeigt eine vereinfachte Schaltkreis-Komponenten-Darstellung der Bandsperren-Struktur aus 5.
  • 7 zeigt eine Draufsicht eines Tschebyscheff-Bandpass-Filter-Layouts mit neun Resonatoren.
  • 8 zeigt den Einspeisungsverlust und den Rücklaufverlust als Funktion der Frequenz für den Schaltkreis aus
  • 7.
  • 9 zeigt eine Draufsicht eines konzentriertes Schaltelement elliptischen Bandsperren-Filters.
  • 10 zeigt den Einspeisungsverlust und den Rücklaufverlust als Funktion der Frequenz für den Schaltkreis aus 9.
  • 11 zeigt eine Draufsicht eines Tschebyscheff-Bandsperren-Filters.
  • 12 zeigt den Einspeisungsverlust und den Rücklaufverlust als Funktion der Frequenz für den Schaltkreis aus 11.
  • 13 zeigt eine Draufsicht eines quasi-elliptischen Bandpass-Filters.
  • 14 zeigt den Einspeisungsverlust und den Rücklaufverlust als Funktion der Frequenz für den Schaltkreis aus 13.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 1 zeigt einen elektrischen Schaltkreis für ein π-Netzwerk 10. Ein oder mehrere π-Netzwerke 10 können, wie es dem Fachmann bekannt ist, kombiniert werden. Im Allgemeinen gibt es einen Eingangsknoten 12 und einen Ausgangsknoten 14. Ein Induktor 16 koppelt den Eingangsknoten 12 mit dem Ausgangsknoten 14. Die Pluspol-Kopplung zur Erde ist mittels Kondensator 18 durchgeführt, welcher die Enden von Induktor 16 mit der Erde 20 koppelt.
  • Jede der hierin beschriebenen Strukturen kann mittels Verwendens von jedem Typ von supraleitfähigen Materialien ausgebildet sein. Vorzugsweise Hochtemperatursupraleitfähigen Materialien, d.h. solche welche bei oder oberhalb von 77K supraleitend sind. Die bevorzugten Materialien sind epitaxiale Supraleiter, mit geringem Verlust im Mikrowellen- und Radiowellen-Bereich. Bevorzugte Supraleiter schließen die Thallium-haltige Supraleiter ein, welche im Allgemeinen Thallium, Barium, Kalzium und Kupferoxid (TBCCO), Thallium, Barium und Kupferoxid (TBCO) oder die YBCO Supraleiter einschließen.
  • 2 zeigt eine Draufsicht eines ebenen Spiralinduktors mit Mehrfach-Windungen, welcher nicht beansprucht ist, aber zu Darstellungszwecken beschrieben wird. Eingangskondensator 22 koppelt an Spiralinduktor 24 und stellt eine Ausgabe für Kondensator 26 bereit. Die Kondensatoren 24 und 26 können aus Dünnfilm-Hochtemperatur-supraleitfähigen Materialien ausgebildet sein. Die Kondensatoren 22 und 24 können mittels des koppelnden Kondensators zwischen den gezeigten einfachen Anschlussstrukturen ausgebildet sein. Jedoch können sie von jeder Form sein, wie sie Fachleuten bekannt ist, wie zum Beispiel ebene, inter-digitale oder Mehrschicht-Strukturen. Benachbarte Flächen 28 definieren eine Lücke 30, welche den Raum zwischen den Kondensatorplatten bestimmt. Optional kann dielektrisches Material in der Lücke 30 platziert werden. Zwischen den Flächen 28 ist kein zusätzliches Material bereitgestellt. Der Induktor 24 kann aus einem Dünnfilm-Supraleiter ausgebildet sein. Der Induktor 24 kann mit irgendeiner Anzahl von Windungen zwischen einem Bruchteil einer Windung bis zu vielen Windungen strukturiert sein. Die Spirale kann sich optional bis zum Zentrum der Spirale hindurch fortsetzen.
  • Die Verbindung zu dem Induktor 24 kann direkt oder über eine Kreuzung 32 erfolgen. Die Kreuzung 32 stellt eine Verbindung von einem Ende des Induktors 24 zu dem Ausgangskondensator 26 bereit. Die Kreuzung 32 kann mittels jeder konventionellen Technik ausgebildet werden, wie zum Beispiel mittels Verwendens normaler Metall-Bonddrähte, Metall-Luft- oder dielektrisch unterstützter Brücken, oder Mehrschicht-Hochtemperatur-Supraleiter-Kreuzungen. Zusätzlich sind, um das Material lokal nicht supraleitfähig zu machen, alle Hochtemperatur-supraleitfähigen Kreuzungen mittels Ausbildens von Kristalldefekten in dem Supraleiter möglich.
  • Die Struktur aus 2 zeigt einen Induktor 24, welcher zweieinhalb Wicklungen hat. In einer wirklichen Vorrichtung ist die Leitungsbreite 50 μm, der Leitungsabstand ist 20 μm, was zu einer Gesamtinduktivität von etwa 18,6 nH bei 0,85 GHz führt. Der Widerstand der Hochtemperatur-Supraleiterleitung war etwa 1,2 mΩ. Die Kreuzung 32 kann mittels Verwendens eines Hochtemperatur-Supraleiters, wie zum Beispiel einer Mehrschicht-Kreuzungs-Struktur, ausgebildet sein. Wenn die Kreuzung mit normalen Metallen, wie zum Beispiel Gold oder Kupfer, ausgeführt wird, kann der zusätzliche Induktor-Verlust von der Kreuzung zusammen mit dem Widerstand des Kontaktwiderstandes zu dem Film relativ groß sein. Bei dieser Frequenz kann ein Bonddraht von etwa 0,025 mm Durchmesser extra 10 mΩ zu dem gesamten Induktor-Verlust hinzufügen. Entsprechend erscheint die Hochtemperatur-Supraleiter-Kreuzung 32 besonders vorteilhaft zu sein.
  • Die Struktur aus 2 kann an einem Substrat ausgebildet sein. Das Substrat sollte aus der Gruppe von Substraten ausgewählt werden, welche mit dem Wachstum verlustarmer, Hochtemperatur-supraleitfähiger Filme kompatibel sind, welche Lanthan-Tonerde, Saphir und Magnesiumoxid einschließen. Thallium aufweisende Supraleiter, welche auf Lanthan-Tonerde ausgebildet werden, stellen gute Resultate bereit. Filme aus Thallium auf Lanthan-Tonerde sind kommerziell erhältlich. Die Rückseite des Substrats, d.h. die Seite gegenüber der, auf welcher die Kondensatoren 22 und 26 und Induktor 24 ausgebildet wurden, kann als Erdungsplatte ausgebildet sein. Die Erdungsplatte kann eine Hochtemperatur-Supraleiter-Platte aufweisen. Optional kann, allerdings mit einiger Herabsetzung der Leistungsfähigkeit, die Erdungsplatte aus normalem Metall, wie zum Beispiel Gold oder hochqualitativem Kupfer ausgebildet sein.
  • Die Eigenresonanz-Frequenz der Struktur aus 2 ist viermal höher als ihre Betriebs-Frequenz. Demgemäß ist diese Struktur insbesondere nützlich für einfache Filter-Strukturen. Andere Filter-Strukturen, welche finite Frequenz-Übertragungspole haben, wie zum Beispiel elliptische Typen von Filtern, können das Eigenresonanz-Vermögen dieser Induktoren in dem Filterdesign verwenden. Sehr selektive Filter können, ohne Hinzufügen von zusätzlichen Elementen, konstruiert werden.
  • 3 zeigt eine Draufsicht eines zick-zack-Typ-Induktors. Der Induktor 42 ist gekoppelt an einen Kondensator 44 gezeigt. Die Kondensator-Struktur ist so wie im Zusammenhang mit 2 beschrieben und braucht hier nicht wiederholt zu werden. Der Induktor 42 kann in jeder mäanderförmigen (schlangenförmigen) oder zick-zack-förmigen Weise ausgebildet sein. Im Allgemeinen sind lange Stränge 46 des Induktors 42 parallel zueinander. Endbereiche 48 stellen den durchgehenden Pfad zwischen Strängen 46 bereit. Die Struktur der 4 würde im Allgemeinen keine Kreuzung, wie sie zum Beispiel in 2 als Kreuzung 32 gezeigt ist, benötigen. Demgemäß hat eine solche Struktur, wie in 4 gezeigt ist, wegen der mäanderförmigen Natur der Struktur und der Abwesenheit einer Kreuzungs-Kopplung ein viel höheres Q als all die anderen Strukturen. Im Allgemeinen ist diese Struktur besonders vorteilhaft für verlustarme, schmalbandige Schaltkreise, bei denen die Leistungsfähigkeit außerhalb des Bandes nicht überkritisch ist. Besondere Anwendungen schließen elliptische Filter ein, wo Eigenresonanz verwendet werden kann, um sorgfältig finite Frequenzpole sehr hohen Q's in der Filterantwort zu platzieren.
  • 4 zeigt eine Schaltkreis-Komponenten-Repräsentation der zick-zack-Induktor-Struktur aus 3. Die Eingangs- und Ausgangs-Kondensatoren 44 in 3 sind in 4 mit C1 bezeichnet. Der Induktor 42 ist in 4 mit L bezeichnet und ist in Reihe koppelnd zwischen dem Eingangs-Kondensator und dem Ausgangs-Kondensator gezeigt. Die kapazitive Kopplung über den Induktor L ist in 4 als Kondensator C2 dargestellt. Das Koppeln des Kondensators 44 und des Induktors 42 an die zweite Zuführungsleitung 49 ist als parallele Verbindungen der Kondensatoren C3 dargestellt. Die zweite Zuführungsleitung 49 ist in 3 nicht dargestellt, aber wäre eine Struktur wie zum Beispiel eine leitfähige Erdungsplatte, welche an der gegenüberliegenden Seite von einem Substrat, welches die Kondensatoren 44 und den Induktor 42 trägt, angeordnet ist.
  • Im Allgemeinen sind die strukturellen Merkmale der 3, 5, 7, 9, 11 und 13 weitgehend so wie bezogen auf 2 beschrieben und brauchen hier nicht im Detail wiederholt werden. Im Allgemeinen ist die Struktur vorzugsweise aus strukturierten Dünnfilm-Hochtemperatur-Supraleitern ausgebildet, welche auf einem Substrat ausgebildet sind. Eine Erdungsplatte ist auf der Rückseite des Substrats bereitgestellt, ausgebildet vorzugsweise aus Hochtemperatur-Supraleiter oder normalen Metallen, welche für Radiofrequenz- oder Mikrowellen-Anwendungen geeignet sind, wie zum Beispiel Gold oder hochqualitativem Kupfer.
  • 5 zeigt eine einfache Version einer Bandsperren-Filterstruktur. Eine Übertragungsleitung 50 ist im elektromagnetischen Kontakt mit der konzentrierten Schaltelement-Struktur 52. In der bevorzugten Ausführungsform weist die konzentrierte Schaltelement-Struktur 52 einen Eingangsanschluss 54 auf, welcher an den Induktor 56 gekoppelt ist, welcher optional an Anschluss 58 endet. Der zick-zack-förmige Induktor 56 hat sich als besonders vorteilhaft in solchen Bandsperren-Strukturen herausgestellt. Die Zuführungsleitung 50 kann oder kann nicht aus supraleitfähigen Materialien ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das konzentrierte Schaltelement 52 bloß aus supraleitfähigen Materialien ausgebildet. Zu den Dimensionen, die Länge des konzentrierten Elements in einer Richtung quer zu der Übertragungsleitung 50 war 4,4 mm und die Breite in einer Richtung parallel zu der Zuführungsleitung 50 war 4 mm. Der Induktor 126 hat eine Länge von etwa 3 cm.
  • 6 zeigt eine Schaltkreis-Komponenten-Darstellung der Bandsperren-Struktur aus 5. Die Übertragungsleitung 50 ist in 5 und 6 gleich benannt. Die Erdungsplatte 60 ist in 6 gezeigt, aber nicht in 5, wo der Leiter 60 eine auf der Rückseite des Substrats ausgebildete Erdungsplatte aufweisen kann, welches Substrat den Leiter 50 und das konzentrierte Schaltelement 52 trägt. Die kapazitive Kopplung zwischen der Zuführungsleitung 50 und dem Eingangsanschluss 54 ist in 6 mit C1 bezeichnet. Der Induktor 56 wird mittels des Induktors L repräsentiert. Der Kondensator, vom Eingangsanschluss 54 über den Induktor 56 hinweg zu dem Endanschluss 58, ist mit C2 benannt. Die kapazitive Kopplung zu der zweiten Zuführungsleitung 60 ist mittels der zwei parallelen Kondensatoren dargestellt, welche mit C3 bezeichnet sind.
  • 7 zeigt eine Draufsicht eines konzentrierten Schaltelement-Tschebyscheff-Bandpass-Filter-Layouts. In der bevorzugten Ausführungsform sind eine Mehrzahl von gekoppelten zick-zack-förmigen Strukturen des in 3 gezeigten Typs verwendet. In einem Tschebyscheff-Bandsperren-Filter sind alle Sperrbänder um die im Wesentlichen gleiche Frequenz zentriert. Strukturell ist in der bevorzugten Ausführungsform eine Eingangsleitung 70 je nach Wunsch als eine Leitung oder als Eingangsanschluss ausgebildet. Der Eingang 70 koppelt an eine Eingangs-Koppelstruktur 72. Eine Mehrzahl von zick-zack-förmigen Resonanzstrukturen 74 ist zueinander lateral benachbart nebeneinander platziert. In der Struktur der 7 gibt es neun zick-zack-förmige Strukturen 74. Jede zick-zack-förmige Struktur 74 weist im Allgemeinen einen Eingangsanschluss 76 auf, welcher mit dem Induktor 78 gekoppelt ist, welcher in Verbindung mit dem Ausgangsanschluss 80 endet. Der Induktor 78 kann in jeder mäanderförmigen (schlangenförmigen) oder zick-zack-förmigen Weise ausgebildet sein, obgleich die bevorzugte Ausführungsform relativ lange, im Wesentlichen parallele Leitungen verwendet, um die Strahlungsverluste zu reduzieren. Der Ausgang 80 einer ersten zick-zack-förmigen Struktur 74 ist kapazitiv mit dem Eingangsanschluss 78 der nächst benachbarten zick-zack-förmigen Struktur 74 gekoppelt. Die Eingangs-Koppelstruktur 72 koppelt mit dem ersten Koppelanschluss 76 der ersten zick-zack-förmigen Struktur 74. Die letzte (ganz rechte) zick-zack-förmige Struktur 74 ist kapazitiv mit der Ausgangs-Koppelstruktur 82 gekoppelt, welche ferner mit einer Ausgangsleitung oder einem Ausgangsanschluss 84 gekoppelt ist. Innerhalb dieses Patents wird die Verwendung solcher Ausdrücke wie Eingang und Ausgang oder rechts und links zum Vereinfachen der Beschreibung verwendet und dient nicht dazu, für die Beschreibung einschränkend zu wirken.
  • 8 zeigt einen Graphen des Einspeisungsverlusts (mit A bezeichnet) und des Rücklaufverlusts (mit B bezeichnet) als Funktion der Frequenz für das Tschebyscheff-Bandpass-Filter- Layout der 7. Die Mittenfrequenz ist 867 MHz und die Spanne ist 50 MHz.
  • 9 zeigt eine Draufsicht eines konzentrierten Schaltelement-Bandsperren-Filters. Eine Eingangsleitung oder ein Eingangsanschluss ist mit einer oder mehreren Bandsperren-Strukturen 92 gekoppelt. Jede Bandsperren-Struktur 92 hat in der bevorzugten Ausführungsform eine Struktur ähnlich der Struktur in 3. Insbesondere gibt es einen ersten Endabschnitt 94, welcher kapazitiv an ein Kopplungselement 96 gekoppelt ist. Das Endteil 94 ist elektrisch an den Induktor 98, welcher vorzugsweise in einer mäanderförmigen (schlangenförmigen) oder zick-zack-förmigen Weise ausgebildet ist, gekoppelt. Optional ist der Induktor 98 elektrisch an einen Endanschluss 100 gekoppelt. Die spezifischen Elemente der Bandsperren-Struktur 92 wurden auf einer der bezeichneten Strukturen 92 identifiziert. Die Bezeichnung würde für die anderen Strukturen dieselbe sein. Der Eingangsanschluss oder die Eingangsleitung 90 ist vorzugsweise an Reiheninduktor 102 gekoppelt. In der bevorzugten Ausführungsform wird ein spiralförmiger Induktor verwendet. Diese Struktur hat ein relativ geringes Q, aber setzt die Leistungsfähigkeit nicht herab, da die Reihenelemente für Kopplungszwecke bestimmt sind und nicht als Resonanzstrukturen vorgesehen sind. Ein Reiheninduktor 102 ist vorzugsweise in jeder der Bandsperren-Strukturen 92 zwischen jeder der Resonanz-Koppelstrukturen 96 angeordnet. Einen Ausgangsanschluss oder eine Ausgangsleitung 104 stellt eine Ausgangsverbindung für den elliptischen Bandsperren-Filter bereit.
  • 10 zeigt den Einspeisungsverlust und den Rücklaufverlust als Funktion der Frequenz für den Schaltkreis der 9. Die Frequenz ist entlang der X-Achse aufgetragen, wobei die Mittenfrequenz 912,152 MHz ist und die Skala 10 MHz je Abschnitt ist. Der Einspeisungsverlust (mit A bezeichnet) und der Rücklaufverlust (mit B bezeichnet) sind in 10 gezeigt. Die Y-Achsen-Skala ist 5 dB je Abschnitt.
  • 11 zeigt eine Draufsicht eines elliptische Tschebyscheff-Bandsperren-Filters. Einen Eingangsanschluss oder eine Eingangsleitung 110 koppelt an ein erstes Kopplungselement 112. In der bevorzugten Ausführungsform besteht das Filter 114 aus einer Mehrzahl von Bandsperren-Strukturen 116. Jede Bandsperren-Struktur 116 besteht aus einem ersten Endabschnitt 118. Der Endabschnitt 118 ist kapazitiv an Kopplungselement 112 gekoppelt. Das Endelement 118 ist elektrisch an den Induktor 120 gekoppelt, welcher in Reihe mit dem Endanschluss 122 geschaltet ist. Jede der verschiedenen Bandsperren-Strukturen 116 hat vorzugsweise einen ähnlichen Satz von Elementen und demgemäß sind die Nummern nur an einer der Bandsperren-Strukturen 116 bezeichnet. Jede der verschiedenen Bandsperren-Strukturen 116 ist mittels eines Leiters 124 gekoppelt, vorzugsweise angeordnet, um eine Serieninduktivität bereitzustellen. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Induktor 124 in einer mäanderförmigen (schlangenförmigen) oder zick-zack-förmigen Struktur ausgebildet. In der Bandsperren-Struktur der 11 werden sechs separate Bandsperren-Strukturen 116 verwendet. Induktor 124 ist zwischen jede der separaten Bandsperren-Strukturen 116 eingefügt. Eine Ausgangsleitung oder ein Ausgangsanschluss 126 ist an die letzte Koppelstruktur 128 der letzten Bandsperren-Struktur 116 gekoppelt.
  • 12 zeigt den Einspeisungsverlust und den Rücklaufverlust als Funktion der Frequenz für den Schaltkreis der 11. Die X-Achse zeigt die Frequenz, wobei die Mittenfrequenz 838,19 MHz ist und die Skala 2 MHz je Abschnitt repräsentiert. Der Einspeisungsverlust ist in 12 mit A bezeichnet und hat eine Y-Skala von 10 dB je Abschnitt. Der Rücklaufverlust ist mit B bezeichnet und hat eine Y-Unterteilungsskala von 5 dB je Abschnitt.
  • 13 zeigt eine Draufsicht eines quasi-elliptischen Bandpass-Filters. Ein Eingangsanschluss oder eine Eingangsleitung 130 endet in einer ersten Koppelstruktur 132. Die Koppelstruktur koppelt im Gegenzug an eine Mehrzahl von Resonanzstrukturen 134. Jede Resonanzstruktur 134 hat in der bevorzugten Ausführungsform eine erste Eingangs-Koppelstruktur 136 und eine Ausgangs-Koppelstruktur 138, welche mittels eines Induktors 140 gekoppelt sind. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Induktor 140 in einem mäanderförmigen (schlangenförmigen) oder zick-zack-förmigen Muster ausgebildet. Jede der verschiedenen Resonanzstrukturen 134 hat die gleiche Kombination von Elementen und ist demgemäß nur an der ersten Resonanzstruktur 134 gekennzeichnet.
  • Das quasi-elliptische Bandpass-Filter der 13 ist mittels Bereitstellens von elektrischen Kurzschluss-Verbindungen zwischen mehreren Resonanzstrukturen 134 ausgebildet. Eine erste Kurzschluss-Verbindung 142 koppelt Eingang 136' der Resonanzstruktur 134' mit der Eingangsstruktur 136" der Resonanzstruktur 134". Vorzugsweise koppelt eine zweite elektrische Kurzschluss-Verbindung 144 die Ausgangsstruktur 138' der Resonanzstruktur 134' mit der Ausgangsstruktur 138" der Resonanzstruktur 134". In der gezeigten Ausführungsform werden zwei Resonanzstrukturen 134 mittels der Kurzschluss- Verbindungen 142 und 144 aufgespannt. In der Struktur von 13 gibt es acht separate Resonanzstrukturen 134.
  • 14 zeigt den Einspeisungsverlust und den Rücklaufverlust als Funktion der Frequenz für den Schaltkreis der 13. Die X-Achse zeigt die Frequenz, wobei die Mittenfrequenz 885,0 MHz auf einer Skala von 5 MHz je Abschnitt ist. Der Rücklaufverlust ist in 14 mit A bezeichnet und der Einspeisungsverlust ist mit B bezeichnet, gezeigt bei 5 dB/Abschnitt und 0,5 dB/Abschnitt.
  • Experimentelle Ergebnisse
  • Verschiedene obig beschriebene Strukturen wurden hergestellt und getestet. Die Ergebnisse werden nachfolgend berichtet.
  • Die ebene Spiralstruktur aus 2, welche nicht beansprucht ist, aber für darstellende Zwecke erklärt wird, wurde ausgeformt, indem ein doppelseitiger Dünnfilm-Supraleiter auf Lanthan-Tonerde verwendet wurde. Die Spule war spiralförmig. Es wurden zweieinhalb Wicklungen verwendet. Das unbelastete Q des Schaltkreises war 3.215. Die Mitten-Resonanzfrequenz war 936,497 MHz.
  • Die Struktur der 3 (mit sechs langen Strängen im Gegensatz zu den sieben wie in 3 gezeigt) wurde mit einer Gold-Rückplatte hergestellt. Der Schaltkreis wurde aus Thallium-Supraleiter auf Lanthan-Tonerde hergestellt. Das unbelastete Q wurde mit 7.647 gemessen. Die Mittenfrequenz wurde mit 1.315,53 MHz gemessen. Eine ähnliche Resonanzstruktur wurde aus Thallium-Supraleiter, sowohl auf der Schaltkreisseite als auch auf der Rückseite eines Lanthan-Tonerde-Substrats, hergestellt mit einer Resonanzfrequenz von 841 MHz und einem gemessenen unbelasteten Q-Wert von 26.536, gemessen bei einer Eingangsleistung von –65 dBm. Auch wurde eine ähnliche Resonanzstruktur mit Thallium-Supraleiter, sowohl auf der Schaltkreisseite als auch auf der Rückseite eines Magnesiumoxid-Substrats, hergestellt mit einer Resonanzfrequenz von 816 MHz und einem gemessenen unbelasteten Q-Wert von 48.910, gemessen bei einer Eingangsleistung von –20 dBm. Diese zick-zack-förmige Struktur hat wiederholt unbelastete Q's im Bereich von 20.000 bis 50.000 demonstriert, wenn sie aus doppelseitigen Supraleiter hergestellt wurde, was klar allem bis jetzt unter Verwenden normaler Metall-Leiter hergestelltem überlegen ist.

Claims (22)

  1. Supraleitendes Filter, welche aufweist: ein Substrat, eine Eingangsverbindung (70) mit einer Eingangs-Koppelstruktur (72), eine Ausgangsverbindung (84) mit einer Ausgangs-Koppelstruktur (82) und eine Mehrzahl von supraleitenden Resonatorstrukturen (74), welche alle auf dem Substrat angeordnet sind, wobei die Resonatorstrukturen in Serie gekoppelt sind und zum Filterbetrieb eingerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Resonatorstruktur aufweist: eine Resonator-Eingangs-Koppelstruktur (76), eine Resonator-Ausgangs-Koppelstruktur (80) und einen die Resonator-Eingangs-Koppelstruktur mit der Resonator-Ausgangs-Koppelstruktur verbindenden, mäanderförmigen Induktor (78), wobei der mäanderförmige Induktor mindestens zwei im Wesentlichen parallele Stränge aufweist, wobei zusätzlich die Resonator-Ausgangs-Koppelstruktur jeder Resonatorstruktur mit der Resonator-Eingangs-Koppelstruktur der nächsten angrenzenden Resonatorstruktur kapazitiv gekoppelt ist, wodurch die Resonatorstrukturen seitlich kapazitiv gekoppelt sind, und wobei die Eingangs-Koppelstruktur mit der Resonator-Eingangs-Koppelstruktur einer ersten Resonatorstruktur gekoppelt ist und die Ausgangs-Koppelstruktur mit einer letzten Resonatorstruktur gekoppelt ist.
  2. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 1, wobei das Filter ein Tschebyscheff-Filter ist.
  3. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 1, wobei das Filter ein quasi-elliptisches Filter ist.
  4. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend eine ebene kreuzkoppelnde Verbindung zwischen verschiedenen Resonatorstrukturen.
  5. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 4, wobei mindestens eine ebene kreuzkoppelnde Verbindung einen Eingangsanschluss einer Resonatorstruktur der Mehrzahl von ebenen Resonatorstrukturen mit einem Eingangsanschluss einer anderen Resonatorstruktur der Mehrzahl von Resonatorstrukturen verbindet.
  6. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 4, wobei mindestens eine kreuzkoppelnde Verbindung einen Ausgangsanschluss einer Resonatorstruktur der Mehrzahl von Resonatorstrukturen mit einer Ausgangsanschluss-Struktur einer anderen Resonatorstruktur der Mehrzahl von Resonatorstrukturen verbindet.
  7. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 5, ferner aufweisend eine kreuzkoppelnde Verbindung, die einen Ausgangsanschluss einer Resonatorstruktur der Mehrzahl von Resonatorstrukturen mit einem Ausgangsanschluss einer anderen Resonatorstruktur der Mehrzahl von Resonatorstrukturen verbindet.
  8. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 4, wobei eine Eingangsanschluss-Struktur einer ersten Resonatorstruktur der Mehrzahl von Resonatorstrukturen mit einer Eingangsanschluss-Struktur einer zweiten Resonatorstruktur der Mehrzahl von Resonatorstrukturen verbunden ist und die Ausgangsanschluss-Struktur der ersten Resonatorstruktur mit der Ausgangsanschluss-Struktur der zweiten Resonatorstruktur verbunden ist.
  9. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 1, wobei die Eingangs-Koppelstruktur (72) im Wesentlichen parallel zu den Strängen des mäanderförmigen Induktors (78) des ersten Resonators ist.
  10. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 9, wobei die Eingangs-Koppelstruktur (72) mit dem ersten Resonator kapazitiv gekoppelt ist.
  11. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 9, wobei die Eingangs-Koppelstruktur (72) mit dem ersten Resonator direkt verbunden ist.
  12. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 1, wobei die supraleitenden Elemente bezüglich des Substrates epitaxial sind.
  13. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 1, wobei das Substrat ein verlustarmes Substrat ist.
  14. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 13, wobei das Substrat aus Lanthan-Tonerde ist.
  15. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 13, wobei das Substrat aus Saphir ist.
  16. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 13, wobei das Substrat aus Magnesiumoxid ist.
  17. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 1, wobei das Filter ein Bandpass-Filter ist.
  18. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 1, wobei das Filter ein Bandsperren-Filter ist.
  19. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 1, wobei das Filter ohne Überkreuzungsstrukturen hergestellt ist.
  20. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 1, wobei die Resonatoren mindestens zwei parallele Stränge haben.
  21. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 1, wobei die Resonatoren mindestens fünf parallele Stränge haben.
  22. Supraleitendes Filter gemäß Anspruch 1, wobei mindestens acht Resonatoren vorhanden sind.
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