可调谐微波器件 【发明领域】
本发明涉及微波器件和元件，它们由介质基片和超导膜构成的导体组成。这些器件的可调谐性可以通过改变介质材料的介电常数来获得。在器件方面的例子有可调谐振器、可调谐滤波器、可调谐腔体等。在诸如微波通信、雷达系统和蜂窝通信系统中微波器件和元件是重要的。当然还有若干其它应用领域。
技术状态
微波器件在技术上的应用是众所周知的。在Z-Y shen，ArtechHouse 1994年发表的“高温超导微波电路”一文中，讨论了基于TEMOL模式的介质谐振器。一种介质谐振器被夹在薄的沉积在各自基片上的高温超导膜(HTS)之间，而不是直接在介质上。这类谐振器在1～2GHz上满足了作为蜂窝通信损耗和功率处理的要求。不便之处在于：在1～2GHz的频率上高温超导膜和介质基片尺寸很大，并且器件制造费很昂贵。此外，它们仅能机械调谐，使器件(即滤波器)做得庞大，并引起了与振动和颤噪声有关的复杂问题。WO 94/13028示出了铁电体和高温超导膜的集成器件。薄的外延铁电体膜被使用。这种薄膜具有较小的介电常数，调谐范围有限，微波损耗高。并且，在薄的高温超导薄膜共平面波导和微带上存在高的非线性电流密度。这导致了微带边沿处高的电流密度(D.M.Sheen等，IEEE Trans，on Appl.Superc.1991，Vol.1，No.2，pp.108-115)。这种集成高温超导/铁电体薄膜器件可应用性受到限制，例如它们不适于用作低损耗、窄频带调谐滤波器。
如前面所讨论的微波通信和雷达系统中，可调谐滤波器通常是重要的元件。例如，对于蜂窝系统，可以工作在1-2GHz的滤波器占据了基台体积的很大一部分，甚至常常成为基台的最大部分。而且，滤波器导致了基台中的高功率消耗和大量的损耗。具高功率处理能力的低损耗可调谐滤波器是十分期望的。对将来的宽带蜂窝系统而言，它们亦是十分诱人的。如今使用的机械调谐滤波器。它们有大量介质加载的谐振腔，其介电常数约为30-40。即使能找到高介电常数和低损耗的材料能改善这类器件，但它们仍然太大、太慢和有太高的损耗。对于未来的高速蜂窝通信系统而言，它们离所希望的仍有很大距离。
在US-A-5 179 074中示出了腔体的一部分或全部都是用超导材料制造的波导腔。带有介质谐振器的腔体具有高Q值(品质因数)亦有高功率处理能力。它们被广泛地应用，例如在移动通信系统的基台里。上述US专利中揭示的腔体，其尺寸已被减小，而且损耗亦有所减低。然而，它们是机械调谐的，并且尺寸和损耗都仍然太大。WO94/13028也示出了若干带有高温超导膜的可调谐微波器件。然而，在这里，使用了如前面已经讨论过的薄的铁电体膜，其尺寸不是象所需要的那样小，损耗也很高，调谐范围有限。
O.G.Vendik等，发表在Electronics Letters，Vol.31，No.8，April1995上的“在块状单晶钛酸锶(SrTiO
3)上电镀(YBaCuO)膜的1GHz可调谐振器”一文示出了一个在块状单晶钛酸锶(SrTiO
3)上电镀(YBCO)膜的可调谐振器。然而这种器件受限于不能在高于超导临界温度Tc上使用的缺点。例如，假如温度在Tc以上，意味着信号将不能通过，在一些场合可能会产生严重的后果。如果不在超导状态，这种器件不能使用。
此外，超导膜非常灵敏，从前没有方法保护它们，这亦可能产生严重后果。通常，在技术领域，仅用过介质例如光敏抗蚀剂保护过超导膜。
发明概况
需要这样的可调谐微波器件，它有小的尺寸，高速，没有高的损耗。器件也需要在宽范围内可调谐，而不要用机械调谐。器件特别需要在低温下有高的介电常数，器件还特别需要在1-2GHz频段满足上述要求，当然也需要在其他频带内满足上述要求。还有更进一步的需要：器件能工作在超导状态也能工作在非超导状态。器件也需要其中的超导薄膜较少暴露。特别是器件需要可以被电调谐和在微波功率高电平下减小尺寸。
因此，所提供的器件包括一个具有可变介电常数的介质材料的基片。至少一个超导膜被安置在介质基片的一部分上，该基片由块状非线性介质材料组成。基片包括块状单晶材料和由高温超导膜构成的一片超导膜或多片超导膜。常规的导电层被放置在超导膜的每一个面上，超导膜正对着介质基体。调谐是通过改变介质材料的介电常数来实现的，这可以通过外部手段来达到，例如，利用介电常数的电气相关性进行电压控制；也可利用介电常数的温度相关性达到控制目的。特别地是一个外部直流偏压被加到超导膜上。换一种方式是将一个电流馈送电薄膜，可以用加热装置连到超导薄膜上，用这种方法可以改变介质材料的介电常数。块状单晶介质特别是块状铁电体晶体具有高的介电常数，例如在温度低于100K时能高于2000。对于低于跃迁温度Tc的高温超导膜地情况，低于Tc材料便是超导的。Krupka等在IEEE MTT，1994，Vol.42，No.10，P.1886中指出：诸如钛酸锶(SrTiO
3)块状单晶铁电体具有小的介质损耗，例如在77K和2GHz时为2.6×10
-4，在低温时有非常高的介电常数。
然而，根据WO 94/13028和C.M.Jacobson等在Microwave JournalVol.5，No 4，Dec.1992 pp72-78发表的“高温超导相移器”所述，为了改变块状材料的介电常数，电气变化是很小的，因而远远不满意。加之微波集成电路器件独有地用薄膜介质制造，根据众所周知的文献，薄膜介质是必要的。
本发明的器件的尺寸可以非常小，例如在1-2GHz频率上可小于1cm，而且总的损耗也小。然而这仅仅是个例子，本发明当然不限于此。
超导膜组件和介质基片被独特地安置，使之构成谐振器，超导膜可被安置在介质基片的至少两个表面上。根据不同的实施例，超导膜可被直接地安置在介质基片上或者一个薄的缓冲层可被安置在超导膜和介质基片之间。本发明的一个方面涉及到平行板谐振器的形式，其中介质基片可以构成一个谐振器圆盘。较为独特的是至少一个超导膜(其上安置一个普通的导电膜)可以有一个较小的面积，它稍微小于介质基片的相应面积，在基片上安放它以提供简并模之间的耦合，这样便提供了一个双模工作谐振器。更为独特的是在本发明的一个部分中，提供了一个双极可调谐带通滤波器(或多极可调谐滤波器)。机构可供作控制两个或多个简并模之间的耦合。
根据本发明的另一部分，其目的在于提供一个可调谐腔体。一个或多个谐振器被封装在一个由超导材料或非超导材料构成的腔体中。对于非超导材料情况，在其内壁可以特殊地用薄的超导膜覆盖。更为特别的是该腔体构成了一个低于截止频率的波导。器件包括有耦合机构，以耦合微波信号进出器件。在本发明的详细描述中，这些可以是不同的类型将被进一步描述。
此外，在本发明的一个具体实施例中，第二个调谐机构可以供作谐振腔介质基片的谐振频率的细调或校准。这些机构可以构成机械调节构件，例如也能构成热调节机构等。
在一个具体的实施例中，上述的谐振腔可包括两个或多个分开的谐振腔，其中每个至少包括一个谐振器。这些谐振器通过内部连接机构相互连接，并形成双模或多模谐振器。
介质基片的一个例子是一种钛酸锶(SrTiO
3)组成的材料，超导膜可被称为YBCO膜(YBaCu)。本发明可用于若干种不同的器件，诸如可调谐微波谐振器、滤波器、腔体等。具体的实施例涉及到可调谐带通滤波器、两极、三极或四极可调谐滤波器等。其它的器件有相移器、延时线、振荡器、天线、匹配网络等。
尚未经审查的专利申请“可调谐器件有关的构造和方法”中叙述了可调谐微波集成电路，该专利同时被同一申请人所提出，在此编入以供参考。
附图简述
下面参考附图不受限制地对本发明作进一步的说明：
图1a说明圆柱形电调谐平行极谐振器；
图1b说明矩形电调谐平行板谐振器；
图2示出在两个电压下单晶块状材料的介电常数与温度关系的实测曲线；
图3图解说明在一组不同温度下(SrTiO
3)的介电常数与其上所加直流调谐电压的关系；
图4说明在两个不同电压下介电常数比值如何随温度变化，
图5说明图1a中具有(YBCO)和铜(Cu)电极的圆形谐振器谐振频率与其上所加的直流调谐电压的关系；
图6说明如图5中加上直流调谐电压时圆形谐振器的有载Q值的实测关系；
图7a说明圆形双模平行板块状谐振器；
图7b说明矩形双模平行板块状谐振器；
图8a说明封装在由低于截止频率并带有探针耦合器的波导构成的腔体内的平行板谐振器的横截面；
图8b说明封装在由低于截止频率并带有环形耦合器的波导构成的腔体内的平行板谐振器的横截面；
图9说明带有平行板谐振器缩小尺寸的腔体的横截面；
图10a说明腔体中带有频率调节螺钉的平行板谐振器的横截面；
图10b说明类似于图10a的实施例，但调节螺钉放置不同；
图11a说明在超导腔体外壳中四极电调谐滤波器的横侧截面；
图11b说明图11a所示滤波器的顶视图；和
图12说明带有耦合圆平行波谐振器的三极电调谐滤波器的横截面。
本发明详细说明
图1a说明了第一个实施例，其中，具有高介电常数的非线性块状介质基片被两层超导膜102、102所覆盖。低损耗非线性介质基片101和两层超导膜102、102(低于它们的临界温度)构成了一个具有高品质因数(Q值)的微波平行板谐振器10A。调谐电压通过可调直流电压源加入。在优选实施例中超导膜102、102由高温超导膜HTS构成。这些高温超导膜(HTS)被非超导高导电膜或普通导电膜103、103覆盖，诸如金、银或类似物质。这些保护膜103、103也能在高于临界温度Tc时用于提供高Q值的目的，并用作馈入直流调谐电压的欧姆接触点。此外这些薄膜还用作提供长期的化学保护目的，并同样地在高温超导膜102、102的其它方面提供保护。一个可变直流电压源供作调谐电压去偏置薄膜。电压通过引线或导线4馈入，当偏置电压馈入时，非线性介质基片101的介电常数发生变化。用这种方法使得谐振器的谐振频率(和Q值)发生变化。在图1a中用插图示明了圆形谐振器10A。图1b对矩形谐振器10B作图示说明。这些是两种最简单的谐振器形式，对它们进行分析是十分简单的，其谐振频率可用精密的方法予以确定。矩形和圆形的形状具有不同的模式和典型的场分布，根据典型的场分布，在微波器件诸如滤波器等的领域中基本上可以给出这些形状的应用。
作为一个例子，介质基片101由块状单晶钛酸锶(SrTiO
3)构成。超导膜102可以是薄的超导膜，保护层103可以包括如前面提到的普通金属膜。参考标号4表明了直流偏置电压电流的引线，该参考标号在全部的附图中都是相同的，不论它以不同的方式安排，它本身是已知的，不必在此明确表示。
在图1a和图1b的实施例中，外部直流偏置电压被馈入。当然也可以利用非线性介质块状材料的介电常数的温度相关性来代替电压相关性。在被说明的实施例中，高温超导(HTS)膜被沉积于柱形或矩形介质谐振器盘的表面。然而，如前面所述，形状可以任意地选择，薄膜至少被沉积在两个表面上。通常，器件的低的总损耗是因为块状介质单晶的低介质损耗，(例如，铁电体晶体)和超导膜中的低损耗，特别是高温超导膜。在后面将要详细说明的一些实施例中，一个或多个谐振器，被封装在一个腔体中，特别是在一个超导腔体中，在腔体壁上(低于Tc)的损耗也是低的。在块状单晶介质中，由于例如直流偏置(调谐性)，其非线性变化大于从目前技术水平所能知道的铁电体薄膜中的非线性变化。此外，调谐性可以通过沉积具有高的逸出功的超导膜来改善，使载流子直接朝向介质或铁电体谐振器的表面。这样防止了电荷注入到铁电体，因而也防止了与边界上交变极化的冻结同时发生的“驻极体效应”。如上所述，在平行板谐振器中，高温超导(HTS)膜被非超导膜即普通金属所覆盖，通过使用这些膜103，器件可在高于高温超导(HTS)膜的Tc温度时使用。否则在高于Tc时高温超导(HTS)膜(即YBCO)将如同不良导体。因此，通过使用膜103，即使高于Tc器件仍可像谐振器一样工作。这意味着器件在超导和非超导两种状态下均能工作。有利的是，高温超导膜的厚度每个都超过London穿透深度，在这个深度下电流和磁场都能穿透。在优选实施例中，高温超导膜的厚度可约为0.3μm。当然这仅仅是作为例子给出的，本发明不限于此。如果超导膜厚度超过了London穿透深度λ
L，超导场不能达到或穿透到普通导体这会导致增加微波损耗。当温度超过Tc时，λ
L就不存在了。因而，普通导体的镀层起到了谐振器镀层的作用。如果温度低于Tc，λ
L便小于超导膜的厚度。普通金属镀层即金、银的厚度很容易超过趋肤深度。当直流偏置馈入时，通过普通导体镀层便能提供良好的欧姆接触。这样减少和防止了焦耳热的产生，焦耳热会降低高温超导材料的超导特性。普通导体还用作电压或电流直流偏置的接点并作为保护层。普通金属可以是金或银或者是任何其它方便的金属。这种保护膜的进一步优点在于：即使在作为维持足够低温的冷却系统失效的情况下，损耗被保持在低的水平并且器件仍能工作。
在优选实施例中(图中没有说明)，在超导膜和介质基片之间安置薄的缓冲层是可能的，例如铁电体基片，以此改善在沉积层上超导薄膜的质量，并且用控制超导膜和介质基片之间的化学反应(即氧交换)来稳定超导膜-介质系统。有利的是超导膜的厚度高于上述London穿透深度。而且构成欧姆接触的普通金属保护层103的厚度大于趋肤深度，即使在高于上述超导膜临界温度Tc的温度上，也能适当地给出高的Q值。虽然非超导膜没有在图7a-12有关的实施例中明确示出，它们还是在这些实施例中被优选提供。
图2示出了实测的单晶块状材料的介电常数对温度的关系，在本例中，材料为钛酸锶(SrTiO
3)，频率为1KHz，块状材料的厚度为0.5mm。两条曲线分别对应于0V和500V。对于同样的谐振器(例如图1a中所示)和同样的频率以及同样厚度，如图2所示，对于不同的温度，介电常数随直流调谐电压的变化在图3中示出。图4示出了频率为1KHz，在0V和500V时，钛酸锶(SrTiO
3)的介质常数之比值与温度的关系。
图5和图6示出了对于图1所示圆形谐振器的谐振频率和有截Q值分别对所加直流调谐电压的实测关系。上面的曲线表示仅仅使用超导膜时的损耗，下面的曲线表示仅仅使用铜(Cu)膜时(没有超导体时)的损耗。
图7a和图7b是双模平行板块状谐振器20A、20B的两个不同的实施例。每个相应实施例的超导膜702a、702b中，至少二个具有小于介质材料基片701的尺寸。图7a中的谐振器20A是圆形的，而图7b中的谐振器20b是矩形的。因为超导膜的尺寸特别是高温超导膜的尺寸被减小，故辐射损耗也减小。因为超导膜小于介质，使块状平行板介质谐振器能双模工作，在这种情况中，至少两个简并模之间的耦合是可能的。谐振器20A、20B的两个简并模之间的耦合可通过控制机构705a、705b来控制。图7a中控制机构包括了一个凸出物705a或者一条超导膜带，它能控制两个或多个简并模之间的耦合。图7b中将超导膜片705b切除一角以构成控制机构。进和出指的是微波分别地耦合进和耦合出。如果耦合机构705a、705b被提供，双极可调谐带通滤波器是能获得的。
如上所述，参考图1a、1b的实施例，非超导层可方便地被安置在超导膜上。耦合机构705a、705b可以单独形成或者由与图1a和1b中带有普通导电镀层(图中示为103)的超导材料组合来形成(没有表示在图7a、7b中)。此外超导膜和介质基片之间的薄缓冲层能被提供或者不提供。
为了提供多模器件，利用在超导体上的非超导薄膜，可以方便地将若干个介质和超导膜相互交错的层安置在彼此的上面，它们具有不同的与图7a和图7b的实施例相一致的尺寸。
下面将讨论若干个实施例，在这里一个或多个谐振器被封装在腔体中。特别是它们被封装在低于截止频率的波导腔中。这种腔体可以用块状超导材料制造，或者用覆盖超导膜的普通金属制造，特别是在内侧用高温超导膜，以减小它们的微波损耗和减小它们的尺寸。通过腔体壁上的孔，电感或电容耦合器用作耦合微波信号进和出平行板谐振器。如果直流电压用作调谐(如上所述，温度调谐也可应用)，调谐电压用细导线4通过腔壁上的绝缘孔9馈入。在图8a中，调谐电压用细导线4通过腔体外壳806a壁上的绝缘孔9馈入。谐振器包括了介质基片801，其上至少有两面被超导膜802覆盖。如上所述，非超导导电层被安置在其上面。连接器807a、808a分别提供微波信号的输入和输出。探针10用作耦合微波信号进和出谐振器。这个实施例示出了耦合器的例子。
图8b中谐振器30B用图8a中同样的标号来表示，腔体外壳表示为806b。在此，连接器807b、808b安装在腔806b的正对的侧壁上。环11提供耦合，使微波信号进和出谐振器30B，这是环耦合的例子。这些实施例示出了电感耦合。低于截止频率的波导用块状超导材料制造，或者用其内侧面上有高温超导膜的普通金属制造，该波导被用于封装平行板谐振器，以此来屏蔽外界场，达到低损耗，便于电压调谐的应用(或者任何其它方便的调谐方法)以及减小谐振器的尺寸。
图9示出了一个器件40，其中谐振器41被封装在超导腔906中，直流调谐电压通过引线4馈入，引线4通过一个用介质构成的绝缘孔9而进入腔体906。谐振器41被安置在腔体906中，它包括了一个介质基片901和被薄的超导膜902、902′覆盖的两个面，而进入腔体906其中超导膜902′(和方便地安置的导电板)的尺寸或面积小于介质基片901的尺寸或面积。连接器907、908分别用作微波信号的输入端和输出端，连接器包括了探针14，用作微波信号进和出谐振器的电容耦合。
图10a-10c示出了类似于图9所示的实施例50A；50B；50C，但在这里，为了补偿材料和器件参数的离散提供机构能微调或校准谐振频率。其参考标号与图9相应。在图10a和10b器件50A、50B中分别安放了介质或金属螺钉12、15以提供谐振频率的调节。图10a中可调螺钉12被安放在腔体的顶部，而图10b中螺钉15被安放在腔体的底部。图10c中，通过热调节机构谐振频率可热调节。这里热调节机构包括了一个电热螺线圈13。当然，其它合适的加热机构可被使用，它们可以用不同的方法被安放。图10c仅仅是一个如何安放热调节机构13的例子。当然图10a和10b中的螺钉也可以用其它方式安放，它不必是螺钉而是其它可使用的合适的机构，并且它们可以用许多不同的方式安放。在另外的一个实施例中(没有示出)，腔体壁之一或者壁的部分，或者一个分开的壁是可移动的，使能实现细调或校准。
然而通过图10a中的螺钉12可以细调谐振频率，而通过图10b中的螺钉15可以作谐振器腔体更大的机械调节，以达到例如改变它的中心频率，一个信道的重新配置等。
图11a、11b和12示出了带有双模谐振器之间耦合的实施例，构成了小尺寸可调谐低损耗带通滤波器。图11a示出了四极电调谐和可调节滤波器60的横侧截面，它置于用低于截止频率的波导构成的超导腔外壳之中，图11b示出了图11a四极滤波器60的顶视图。两个双模谐振器111a、111b被放置在超导膜111中。双模谐振器可以做成如同图7a、7b所示谐振器的形式。直流偏置电压经引线4馈入，如同上述实施例一样通过绝缘孔9进入腔中。连接器117、118供作微波信号的输入端和输出端，连接器同探针114提供微波信号的电容耦合。两个谐振器111a、111b通过耦合针16，穿过内腔壁上的开口进行耦合。
图12为带有被耦合圆形平行板谐振器的电调谐三极滤波器70的横截面。在本实施例中示出了两个耦合环127、128，用来耦合微波信号进和出谐振器。三个圆形谐振器121a、121b、121c之间的耦合由耦合槽129提供。
当然本发明的原理可用于许多其它器件，作为说明的目的，仅示出了极少部分。而且许多种不同的材料可被使用，在每个实施例中仅有一种调谐方法被明确表示，显然电压调谐或温度调谐可用于任何的实施例中。谐振器或超导膜，以及非超导膜和介质的形状可被任意选择，而且多模器件也可以用任何需要的方式构成。