微波装置和涉及开关的方法 【发明领域】
本发明涉及微波的开关装置，它包含有一在其电介质基片上安置有电极的器件。本发明还涉及使微波器件在第一态和第二态之间切换的方法。技术状态
各种用于微波的开关人们都是很熟知的。一般来说它们分属两种不同的类型，即机械的或以pin二极管或晶体三极管为基础的两种类型。在Kunes M.A.，和Conner G.G.的论文：“a Digitally ControlledTunable High Power Output Filter for Space Applications”，Proc.European Microwave Conference，pp.681-686，1989，中所公开的就是一个机械类型开关器件的例子。但是机械开关却具有体积大和动作慢的缺点。基于pin二极管的开关尤其具有pin二极管的消耗的控制电流较大的缺点。
在Helszajn J.，的论文“Passive and Active MicrowaveCircuits”(J.Wiley，1978)中图示出了无源和有源的微波电路。人们熟悉的微波器件都是以铁电基片为基础地，请参看论文：Lancaster M.，Powell J.，and Porch A，“Thin Film FerroelectricMicrowave Device”，Supercondt.Sci.Tecnol.，Vol11，pp.1323-1334，1998。这样的器件的优点是：它们的尺寸可做得很小，可提供较大的调节能力，和具有很小的控制功耗。在微波频率上该铁电材料的介电常数可连续调节，以铁电材料为基础的模拟开关，移相器和其它部件都是人们所熟悉的。但是以该已知的介电常数的电压依赖关系为基础的开关却具有下述缺点：由于该介电常数本身是与温度和电压有关的而会显示出较大的温度和电压敏感性。
此外，在微波频率上没观察到众所周知的以铁电畴的低速重新取向为基础的切换机制，因而可用来制造微波开关。
在US-A-5329261中公开了一种以铁电材料的非线性性质为基础的限幅器/开关。给出了一种以众所周知的铁电材料性能为基础的新的器件设计。但是仅在高微波功率时才出现该非线性，而且它还不具有任何双稳定性的特征。该器件的工作基础是该电介质材料(dielectricum)的介电常数对于施加的DC和微波场的单调依赖关系。还有一不利之处是微波功率必须很高。
在Gevorgian等的论文：“Tunable microwave device based onbulk and thin film ferroelectrics”，Integrated Ferroelectrics1998，Vol.22，No.1-4，pp.245-257中公开了双滞后回线，也就是电介质状态切换的现象。但是，因为已被证实，对于模拟的可调节滤波器的应用来说该产生的切换将是不利的，这是由于它在该滤波器的中心频率的电控方面会引起不确定性，因而就格外地认为实际的实施是不现实的。此外，在STO晶体中的微波损耗将随施加的DC电场强度而急剧增大，这对于STO在模拟的电可调滤波器上的实际使用是一严重缺陷，这种滤波器要求电压与该滤波器的中心频率的调节无关。发明概述
因而所需要的就是这样的微波开关装置：能做得很小，具有很低的DC功耗(控制功率)，能运行在高微波功率上，以及具有很高的品质因素(Q-因素)。更进一步说，还需要微波开关装置快速运行。还需要装置是廉价和容易制造的。还需要一能实现上述目的的开关微波器件的方法。
因而本发明将提供一微波装置，它包含一这样的器件，该器件具有：一电介质基片、安置在该电介质基片上的电极、以及用来将微波耦合进和耦合出所述装置的微波传输装置。所述基片包括SrTiO3晶体，特别是单晶体，或具有相同或类似性质的电介质材料。该开关装置是按数字方式开关的。将第一和第二连接装置连接到每个电极上，而且还提供有一温度调节装置来冷却该器件，通过适当施加一电压或外部电脉冲的方法该基片的介电常数就可在第一稳定态和一第二稳定态之间切换，这样就提供了双稳态特性。品质因数(Q-因数)是很高的，而且对于两种状态，即“接通(on)”-态和“断开(off)”-态来说，该品质因数基本上是相等的。
在一个实施例中，将所述连接装置这样安排，使得所述电极被短路或与之等效。当该DC电压源是接通的但不施加电压时，该温度调节装置就可用来冷却该器件。这与电极短路来冷却的方法等效。
在一具体的实施例中，该连接装置是与一DC电压源相连的。在冷却到低于80K之后，就施加一DC电场，以便使该STO晶体经受一顺电相到反铁电相的相转变，其电场的阈值为
Ethr＝0.35×[1+(T/10)1.35][kV/cm]。
在另一实施例中，如果在冷却晶体时将电极开路，也就是不短路，则就可再施加一高于给定阈值的DC电压来使STO晶体经受向反铁电态的相转变，如上所述。具体地说，上述电极是一些特别安排来形成谐振器的电极板。在特别有利的实施例中，这些谐振器板都被安排来形成一平行板谐振器，这种平行板谐振器可以是圆形的、矩形的、正方形的，或任何其它适当的规则及不规则的形状。
在另一实施例中，上述电极被安排来形成一平行板电容器。上述电极也可安排来形成传输线的一部分。特别是，该温度调节装置包括用来将该器件基本冷却到80K或更低的温度上的冷却装置。在一具体的实施例中，当施加一高于给定阈值的DC电压时，将该器件冷却到77K或更低的温度，也就是液氮(N)的温度上，即77K。
也可将该器件冷却到大约60-62K或更低的温度上。
所述介电常数的第一态与第一谐振频率对应，而该介电常数的第二态与第二谐振频率对应，它们分别与“接通(on)”-频率和“断开(off)”-频率相对应。对于圆形平行板谐振器来说，fon与成比例，而foff则与成比例。
为了提供切换，可按给定方式利用该介电常数的双滞后回线来改变外加电压，以便在所说的第一态和第二态之间发生切换。也可按适当方式施加外部电脉冲来提供这种切换。具体地说，就是将该施加的电压叠加在一偏置电压上。
在具体的实施例中，所述电极包括YBCO。该电极可以是超导体、高温超导体或通常的导体。特别是，该发生切换的电压由该STO单晶基片的厚度和工作温度给定。在该工作温度上施加一恒定的DC偏置电压(切换电压或电脉冲就叠加在其上)。在最有利的实施例中，温度被降到77K或类似的，而且将该温度保持在100K以下，这样就可使晶体保持在能进行切换的反铁电态上。
具体地说，该装置包括一数字微波开关。在另一实施例中，它包括一数字移相器。更进一步说，它还可包括一数字开关滤波器，如带阻滤波器或带通滤波器。该装置在无线通信系统中找到了一种有益的用途。
因而本发明还公开了使微波器件在第一态和第二态之间切换的方法，该器件包括上面安置有多个电极的一电介质基片。该电介质基片包括SrTiO3单晶，而该方法则包括将该器件冷却到大约77K或更低温度，并按给定方式施加一电压或外部电脉冲以便使该基片材料的介电常数在第一态和第二态之间切换的一些步骤。该器件是数字式的。
作为一种选择，该方法还包括一些用来启动DC电源装置而不施加电压地将该器件冷却到大约80K或更低的温度上，并按给定方式施加一电压或外部电脉冲，以便使该基片材料的介电常数在第一态和第二态之间切换的步骤。
在一个实施例中，在冷却到大约80K或更低的温度之前先将该电极短路。在另一实施例中，电极是开路的，为了激励相转变，使其从不能进行切换的顺电态转变到能进行切换的反铁电态，仅需冷却到77K(或更低)和施加一电压即可。
本发明的优点是，可在一很宽的电压范围内获得几乎恒定并与电压无关的介电常数(εon和εoff)。这就使得在实际的器件中偏置电压值的选择不太重要。还有一个优点是，在两种状态上产生的介电损耗(1/Q0；Q0是该谐振器的空载品质因数)基本上相同的。本发明的另一优点是，在两种状态中漏电流实际上为零。再一优点则是上述切换出现在低于80K，或具体地说，低于77K的温度上。
按照本发明，第一步是施加一DC电场E＞Ethr，以便使电介质基片具有反铁电性，也就是使其产生上述的双滞后回线。这可用开路或短路电极冷却法来实现。第二步是当产生反铁电相(双滞后回线)时，这就可用来通过施加(叠加)一些控制电压(或脉冲)可开关地操作，例如，滤波器。附图简介
图1是说明本发明的一个装置的工作原理的示意图，它示出了一体块STO谐振器的两个状态，
图2示出了一单极带阻滤波器的频率响应的实验数据，
图3示出了按照本发明的一个实施例施加外部电脉冲来使一器件状态发生切换，
图4A表示一以可开关的谐振器为基础的可开关的带通滤波器，
图4B表示图4A所示滤波器的等效电路，
图5A表示一以可开关的谐振器为基础的可开关的带阻滤波器，
图5B示意地图示出图5A所示滤波器的等效电路，
图6表示一包括传输线路的数字移相器，
图7表示数字移相器的另一实施例，它包括另一传输线路，
图8A示意地图示出一集总电容器，
图8B表示图8A所示的电容器的等效电路，
图9A表示在传输线路中的第一种耦合实施例，
图9B表示在传输线路中的第二种耦合实施例，
图10A图示出由短路电极所得到的谐振频率，
图10B图示出由开路电极所得到的谐振频率，及
图11图示出一用作平行板谐振器的STO晶体。发明详述
本发明的最一般的器件可以说就是一数字开关。这种开关功能可用在谐振器、电容器、传输线路、多种滤波器等等上面。为了简化，因而其工作情况只相对于数字开关来作说明。该开关的工作是以在微波频率，如大约在1GHz或1.5GHz上所检测到的介电常数的双滞后回线为基础的。这样的开关的工作原理可借助图1所示的实验关系曲线来说明。该示出的实验结果是用一平行板谐振器来获得的，运已被公开于由同一申请者提出的瑞典专利申请SE 9502137-4：“TunableMicrowave Devices”中，现已结合在本申请内作为参考。该示出的谐振器包括一镀有YBCO的STO(SrTiO3)基片。为了获得按照第一实施例所述的开关功能，用处于“接通(on)”状态的DC电源和使V＝0方法来使该谐振器冷却。或者，在冷却时将电极或电极板短路。这是一提供相同结果的等效方法。由于介电常数的具有明显不同的两个状态，因而就会发生介电常数的切换，εon，εoff分别与谐振频率fon和foff相应，这里，fon和foff分别与Corϵon]]>和Corϵoff]]>成比例，其中，r是圆板谐振器的半径(在该谐振器是圆形时)，Co是真空中的光速。在该图中箭头A图示出了当施加的电压最初增大然后又减小时所发生的情况。如上面所提及的那样，foff是处于断开(off)状态时该开关的谐振频率，而且可看出该谐振频率的依赖关系。在达到最大值后，该电压又被减小并到达另一基本稳定的状态，与该“on”频率fon相对应。当施加负电压时则会出现如图中箭头B所示的相应情形。空载Q(品质)因数被图示于该图的右边，而以kV/cm表示的电场强度则图示在该图的顶上。
按照本发明，通过用特别短路的DC板或用相似产生其等效物将该开关装置，具体说，就是该电介质基片(铁电)进行冷却处理，将其冷却到80K以下，特别是，冷却到77K或77K以下，因而对于该DC电场的一定范围来说就会产生该介电常数的两个稳定状态。在这个电场范围内，该铁电基片对于同一DC电场来说就具有不同的介电常数。这与达到双稳定性，也就是两个稳定态的机制有关。或者，如在下面的进一步讨论的那样，在冷却该装置时，该电极可以是开路的，也就是不需要短路。在两种情形(短路的或开路的电极)在80(77)K或低于它都可实现双稳定性。
在图2中，图示出了测得的单极带阻滤波器的频率响应，它是由在施加电压为70V时处于两不同状态上的该单极滤波器测量的。如看见的那样，在与近似1.034GHz相应的第一频率fon处存在有以dB表示的反射功率PR方面的第一下降尖峰，而在与大约1.06GHz相应的第二谐振频率foff处存在有反射功率方面的第二个下降尖峰。于是这个图就表示出了按照本发明的一单极的可开关的STO滤波器的性能，该滤波器是作为一反射型滤波器运作的，它在接通(on)和断开(off)态分别具有谐振频率。为了实现开关运行特性，该装置有利地施加一DC偏压，如图1所示。
在一很宽的电压范围内都可获得几乎恒定的(与电压无关的)介电常数、fon、foff。这就使得在实际器件中偏压值的选择不很重要。两种状态的介电损耗(1/Q0，Q0为该谐振器的空载品质因数)几乎都是相同的。此外，实际上在两种状态上电流都为零，而且在温度低于60K或具体说低于70K时(或更具体地说是在大约77K，这将在下面讨论)就可发生上述状态的切换。
如上面所提及的那样，很显然，虽然上面提及的主要指的是谐振器，但在平行板电容器中也可实现相似的状态切换。在两种情形中该主切换电压将由STO晶体的厚度和工作温度给定。
图3是一用来表示施加外部电脉冲来开关上述器件，如谐振器、电容器、或一般的开关的一个实施例的示意图。该水平轴表示施加的电压，而正的竖轴表示的是频率，负的竖轴表示时间。如上所述，这里假设了该装置是在接通DC电源并在电压为零的条件下被冷却到60K(70K)以下的工作温度的。在该工作温度上施加一恒定的DC偏压VDC。将该接通和断开脉冲叠加在VDC上，而且对于同一电压来说还可获得该接通和断开频率。对于接通来说，假定，在t＝t1时将脉冲叠加在VDC上，以便提供一总电压V＝VDC+Vmax。在t＝t2时，撤去脉冲，因而该电压V＝VDC。当断开时，在t＝t2时施加一负脉冲。那时该总的电压V就是VDC--Vpulse＝0。在t＝t3时将该负脉冲撤去，因而总的电压变成V＝VDC。
图4a示意地示出了可开关的带通滤波器100，该带通滤波器是以可开关的谐振器10、20为基础的，每个谐振器都包括一电介质基片(例如STO)1、1’，在该基片的两侧还设有电极板2、3；2’、3’。该耦合电容器Cc 4表示在平行排列的谐振器之间。图4B是图4A所示滤波器100的等效电路100A。
在图5A中图示出了一可开关的带阻滤波器200，而其等效电路200A则图示在图5B中。该带阻滤波器200包括一平行板的STO谐振器30，这谐振器包含一基片1”，而在该基片1”的两侧又安排有电极板2”，3”。这种滤波器的特性就图示在上面的图2中。
图6示出了传输线路的第一实施例300，它包括一STO基片5，在该基片上安置有两条传输线6、7。将偏置电压VDC施加于该传输线带6、7上，而且该图还分别图示出了微波的输入和输出。
图7示出了传输线路400的第二实施例，其中有一STO的基片5’，一传输线带6”就敷设在这基片上。在该图中图示出了在传输线带6’和地线平面之间的偏置电压的施加情形，图中还分别标示出了微波的输入和输出。图6和图7所示器件的长度1大于或基本等于λg，λg是在该基片中微波的波长。
图8A是一集总电容器的一例子，也就是，Dmax＜＜λg。图8A所示的集总电容器500的等效电路500A图示在图8B中，图中相应地表出了电容Con和Coff。
图示在图9A中的第一实施例仅示意地表示耦合/连接进一传输线路的情形，而耦合或连接进一传输线路的第二种方案则图示在图9B中。
如图6-8所示的元件都是用于本发明的不同种类的数字移相器上的一些例子。
现在来讨论实现开关功能的另一途径。这些都以下述观侧结果为根据：对于单晶STO谐振器来说，在大约77K的温度和在大约1.5GHz的频率上有一双滞后回线。如上面的一些实施例的讨论那样，在用短路电极冷却的退火STO器件中，一与电场有关的介电常数的双滞后回线出现在例如62K或以下的温度上。利用厚度大约为0.5mm并具有图11所示的圆盘形的STO(100)单晶作了实验。该板两表面被抛光到外延级，而板的圆柱面抛光到光学级的水平。通过磁控管溅射、激光切除术(laser ablation)、或共同蒸发(co-evaporation)技术，在该盘的两面上沉积超导体YBCO的薄膜(大约0.3μm)。金膜(1.0μm)提供与该YBCO膜欧姆接触并使它们免受环境的可能影响。在外延生长YBCO电极的过程中，使该STO晶体在氧气氛围(大约0.6mbar)中，在大约700-800℃的温度上加热0.3-3小时。在沉积完成后，晶体已在氧气氛围(大约1.0大气压)中以10-20℃/min的速度被冷却到室温。在最终的平行板结构中的STO晶体是透明的，无任何可见的颜色，这表示在电极制作过程中没有引入带电缺陷。
已在一很宽的温度范围(20-300K)进行了I-V测量，以便检测漏电的水平、及其对噪音产生的影响。最大的施加电场强度为E＝V/d＝40/0.05＝800V/cm。该谐振器被放置于真空低温冷却器内的一铜盒(cooper box) (谐振器外壳)中。在低于220K的温度上，该电流小于1pA，因而对于该测量装置来说是不可分辨的。微波测量是通过将该谐振器(在一铜外壳中的平行板STO盘)浸没在液氮(77K)中的方法来进行的。该晶体已用开路和短路电极进行了冷却。该实际的测量是在温度稳定后开始的。在该谐振器上不施加外部的机械应力。利用一图11所示的外偏压的T形接头来施加DC电压。复反射系数S11被用来估算取决于该DC偏压的该谐振器的固有谐振频率和品质因数。
图10A，图10B描绘出了在77K时STO谐振器的频率关系曲线，图10A是与用短路电极板冷却所对应的曲线，图10B是与用开路电极板冷却所对应的曲线。在两种情形中，对于施加的DC电压小于300V的情形来说，该施加的DC电场反向并不会导致双滞后回线。在关联的电压(allied voltage)开始超过300V后的位置该谐振频率达到饱和，并开始显著减小，然后在超过大约400V后又开始增大。进一步的电压循环(包括极性反转，参看早先提及的Gevorgian等人的文献“Tunable….”)将导致谐振频率方面的双滞后回线，fnm返回不到该fnm-V曲线的出发分支。这样，在施加大约300-400V电压时，相变从顺电相的曲线P1开始转变到反铁电相，而且一旦该转变发生，如果再将电压下降，则它将仍然保持在反铁电状态的曲线A1上，而如果又将电压增大，则它会沿曲线A2(也是反铁电相)等等运行，也就是它将回不到曲线P1，除非增高温度。如果该温度增高到，例如室温，则它就会回到P1(顺电相)。至少，如果将该温度保持在十分低的温度上，例如100K，则它就会仍然处在能够进行切换的反铁电态上。这与在介电常数具有双滞后回线等效，这是由于简单的下述关系所致：fmn=coknm2πrϵ]]>其中，co＝3×108m/s，是真空中的光速，ε’是STO晶体的相对介电常数的实数部分，r是导电电极板的半径。knm是带有众数指数n和m的Bessel函数的一阶导数的根。在将该谐振器加热到室温时就会回复该到原来状态，也就是fnm-V曲线的出发分支上。如所看见的那样，不管初始的冷却条件如何，也就是，不管是用短路电极或是用开路电极的方法冷却，该谐振器的fo-V和tanδ-V特性都是相同的。
在图10A，10B中，图示出了两个不同实施例的冷却谐振频率，也就是，利用短路电极的频率和另一不需短路电极的频率，与施加的DC电压的关系。在第一次包住300V的电压之后，跟随在图10A，图10B中电压小于300V的原来的顺电特性之后的是稳定的可重复的滞后回线，这表示在STO中出现了一激发由顺电到反铁电相变的电场。
那种能在液氮的温度(77K)获得的切换是极端有利的，而且在实际上不需将该电极短路。这样，按照本发明就提出了大量的数字微波开关器件，而且如果施加的电压(DC)充分地高，以致能产生电驱动的相转变，则就可以通过电极短路或开路的方法使其冷却到低于大约80 K的温度来提供这些器件。所有这些具体述及的实施例，如可开关的数字滤波器、移相器等都可用这种或那种方法来制备。该电场强度E＝V/d，其中V是施加的电压，d是电介质基片(dielectricsubstrate)，例如，STO的厚度。该阈值
Ethr＝0，35·[1+(T/10)1.35][kV/cm]，其中T是以开尔文表示的温度。
该电场诱发的顺电-反铁电的相转变可能是与该促进晶格对称性和极化整体减小的电场相关联的。它与在大约60K的可能相转变无关。该整体相转变可伴随有导致扩散型相变的一些局部相变。如果产生上述那样的相变很有利，则该频率移动对于电场和温度的不稳定性就不大敏感。
不管冷却条件如何(使电极短路或开路)在该给定温度上的切换都可通过施加一超过某一阈值的DC电场来实现。在这阈值之下，该初始的晶体(刚冷却到希望温度后)是处于顺电态而不具有可开关的特性。在这电压之上时，该晶体就会经历向以高电压的滞后回线(即切换)为其特征的反铁电态的相转变，而且在不超过，例如100K时会一直保持这种物相。
本发明的优点是可构成一些小的开关，而且在这些开关中该DC功耗是很低的，它能构造各种微波器件，如象用于高微波功率水平(例如大于20dBm)的数字移相器，数字开关的带通和带阻滤波器等等。其它的优点已在本申请中早就讨论过了。还将应明白，本发明并不限于上述明显示出的实施例，而应明白，本发明是可在附录的 范围内进行很多方面的改变的。该冷却部件没被明显图示在附图中是因为它们可以是任何一种冷却部件和可按任何适当方式布置。