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Gebiet der
Erfindung
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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.
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Hintergrund
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Demgemäß ist es
eine Aufgabe der Erfindung, neue und im hohen Grade vorteilhafte
Strukturen für
konzentrierte Schaltelement-Induktoren und -Kondensatoren bereitzustellen.
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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.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, verbesserte Filter
bereitzustellen.
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Es
ist eine andere Aufgabe der Erfindung, verbesserte schmalbandige
Bandpass-Filter für
das Verwenden in der Telekommunikation bereitzustellen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, konzentrierte Schaltelemente
bereitzustellen, welche nützlich
für Hoch-Q-Schaltkreise sind.
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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.
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Kurzbeschreibung
der Figuren
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1 zeigt ein Schaltkreis-Diagramm
eines einfachen π-Netzwerkes.
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2 zeigt eine Draufsicht
eines ebenen Spiralinduktors mit vielen Windungen.
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3 zeigt eine Draufsicht
eines zick-zack-förmigen
Induktors.
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4 zeigt eine Schaltkreis-Komponenten-Repräsentation
der Struktur aus 3.
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5 zeigt eine Draufsicht
einer parallelen Bandsperren-Struktur.
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6 zeigt eine vereinfachte
Schaltkreis-Komponenten-Darstellung
der Bandsperren-Struktur aus 5.
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7 zeigt eine Draufsicht
eines Tschebyscheff-Bandpass-Filter-Layouts
mit neun Resonatoren.
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8 zeigt den Einspeisungsverlust
und den Rücklaufverlust
als Funktion der Frequenz für den
Schaltkreis aus
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7.
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9 zeigt eine Draufsicht
eines konzentriertes Schaltelement elliptischen Bandsperren-Filters.
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10 zeigt den Einspeisungsverlust
und den Rücklaufverlust
als Funktion der Frequenz für den
Schaltkreis aus 9.
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11 zeigt eine Draufsicht
eines Tschebyscheff-Bandsperren-Filters.
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12 zeigt den Einspeisungsverlust
und den Rücklaufverlust
als Funktion der Frequenz für den
Schaltkreis aus 11.
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13 zeigt eine Draufsicht
eines quasi-elliptischen Bandpass-Filters.
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14 zeigt den Einspeisungsverlust
und den Rücklaufverlust
als Funktion der Frequenz für den
Schaltkreis aus 13.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Experimentelle
Ergebnisse
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Verschiedene
obig beschriebene Strukturen wurden hergestellt und getestet. Die
Ergebnisse werden nachfolgend berichtet.
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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.
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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.