专利名称：一种具有低电磁辐射的平面高温超导微带谐振器的制作方法
技术领域：
本发明属于微波工程领域，具体的说，本发明涉及一种平面高温超导微带谐振器。
背景技术：
微波工程中，超导微带谐振器可以组成不同阶数的平面超导滤波器(一种无源器件)，使用在各种微波装置(如雷达、移动电话基站、微波通讯装置、射电天文望远镜等)中，用来选择一定频率的信号。在各种微波接收系统的前端，常使用滤波器抑制不要的信号频率，使需要的信号频率顺利通过。高温超导滤波器是用高温超导材料制成的一种平面器件，它是由若干个平面谐振器按一定规则排列而成的。对于用普通金属制做的带通滤波器来说，通常相对带宽在5％以下就叫窄带滤波器。高温超导滤波器的相对带宽可以比这个值小很多，但相对带宽要小于0.5％也比较困难，原因在于寄生耦合的干扰。相关的理论指出谐振器之间的耦合系数应满足下列关系Mij=FBWgigjJij---(1)]]>式(1)中Mij是第i个谐振器和第j个谐振器之间的耦合系数；FBW是相对带宽，定义它为通带宽度和中心频率的比值；g是归一化电容；J是特性导纳。这一公式表明耦合系数M取决于相对带宽，也取决于谐振器自身的性质。显然，无论是归一化电容g还是特性导纳J都应和平面谐振器自身的几何形状密切相关。在滤波器中二个相邻谐振器产生的耦合叫做相邻耦合，这种耦合是必要的。但是不相邻的二个谐振器之间也存在耦合，这类耦合对滤波器的设计有可能造成有害影响，这种有害的非相邻耦合就是寄生耦合(parausitical coupling)。在进行宽带平面超导滤波器的设计时，谐振单元之间的寄生耦合可以忽略。但窄带平面超导滤波器的情况则完全不同，寄生耦合往往造成了破坏性的干扰，当带宽在0.5％附近时这一矛盾尤为突出，至今末见理想的解决办法。
传统的平面谐振器主要有二种结构形式，即直线形式和发卡形式。近年来平面超导滤波器的研究取得了长足的进步，相应的平面谐振器也演化出一系列其它的形式。一般设计者多从减少谐振器的面积或改变耦合方式等目的出发来确定谐振单元的拓扑结构，例如英国伯明翰大学设计的弯折线平面超导微带谐振器(2000 International Conference on Microwave and Millimeter Wave TechnologyProceedings文集168页)就是一例。
发明内容
本发明的目的在于，为了解决上述已有的窄带平面超导滤波器的结构，会产生的寄生耦合往往对器件造成破坏性的干扰，当带宽在0.5％附近时这一矛盾尤为突出的问题；提供一种具有高Q值，低电磁辐射，近邻耦合较小的平面高温超导微带谐振器。
为达到上述发明目的，本发明提供的平面超导微带谐振器包括一条由上、下两层高温超导薄膜和位于两层高温超导薄膜之间的人造单晶介质组成的微带线；其特征在于，所述微带线是一条连续完整的带状体，形成一个具有不封闭上环和不封闭下环的几何图形结构，所述上环和下环具有一条水平公共边，该水平公共边位于整条微带线的中段。
所述上环和下环以水平公共边的中点为对称中心呈中心对称。
所述具有不封闭上环和不封闭下环的几何图形结构，其中微带线的一端从上环的开口处沿着下环轮廓向下延伸，微带线的另一端从下环的开口处沿着上环轮廓向上延伸。
所述具有不封闭上环和不封闭下环的几何图形结构，其中微带线的一端从上环的开口处沿着下环轮廓绕行，微带线的另一端从下环的开口处沿着上环轮廓绕行。
在上述的技术方案中，所述上、下环是由直线(如图2、3a或图3b所示)、折线或曲线(如图3b或图3c所示)构成的不封闭环形结构。
所述谐振器的上、下环由直线(如图2、3a所示)构成。
所述谐振器上、下环由直线和曲线(如图3b、3c所示)构成。
与现有技术相比，本发明提供的平面高温超导微带谐振器的优点是电磁辐射较小。这是因为在本发明提供的谐振器中，电流主要集中在谐振器的中部，即谐振器的水平线段部分，它们产生的磁场沿竖直方向分布，在水平方向的磁场辐射很小。当两个以上谐振器组合形成滤波器时，较小的辐射就意味着为了满足一定的耦合关系，它们可以靠得很近，同时寄生耦合的影响大大减小。这样可以用本发明提供的谐振器设计并制做出结构紧凑，体积较小的高性能窄带高温超导带通滤波器。
二个谐振器之间的耦合系数由下述方法测出。图6是由二个谐振器组成的耦合结构及其远场耦合频率相应曲线，二个谐振器之间的距离至少大于谐振器宽度，图中的曲线是该耦合结构的传输特性，它的二个峰值分别对应的频率是f1、f2，相关理论指出，该耦合结构的耦合系数k可用下面的公式(2)计算，k=f22-f12f22+f12≈Δff0---(2)]]>式中Δf＝f2-f1，f0是形谐振器中心频率。可以看出耦合系数k与Δf成正比。
图1是微带线的截面2是本发明平面高温超导微带谐振器的一种几何结构示意3a是本发明平面高温超导微带谐振器的另一种几何结构示意3b是本发明平面高温超导微带谐振器的又一种几何结构示意3c是本发明平面高温超导微带谐振器的又一种几何结构示意4是根据给定频率f0＝1584MHz，晶体介质Al2O3的介电常数εr＝10.05，设计的一个高温超导微带谐振器图形图5是经过计算机仿真计算后得到的谐振器的频率响应曲线；其结果表明在设定的仿真条件下，计算机给出的谐振频率为1584.5MHz，无载Q≥100000图6是一种本发明超导谐振器组成的耦合结构及其耦合频率响应曲线图7是一种弯折线超导谐振器组成的耦合结构及其耦合频率响应曲线具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地描述。
实施例1参照图1、2，制作一条完整的微带线，该微带线为超导微带线，其上层微带导体3和下层地平面导体1均为高温超导薄膜，中间是介电常数为εr＝10.05的Al2O3单晶介质片。形成一个具有上、下环的几何图形，其上、下环均不封闭且相连接矩形，上环和下环具有一条水平公共边，且上环和下环以水平公共边的中点为对称中心呈中心对称，水平公共边位于整条微带线的中段。微带线的一端从上环的开口处沿着下环轮廓向下延伸，微带线的另一端从下环的开口处沿着上环轮廓向上延伸。这种结构中，谐振电流主要集中在谐振器的中部，即谐振器的水平公共边部分，因此在水平方向的磁场辐射很小。
参看图4，是本实施例一根据给定频率f0＝1584MHz，晶体介质Al2O3，其介电常数εr＝10.05，设计的一个超导微带谐振器图形，其矩形边长为10mm，边宽为5mm，微带线的线宽为0.5mm，竖直线间距为0.5mm，上、下环的高度4.25mm。
图5表明本实施例经过计算机仿真测算得到的谐振曲线，其峰值对应的谐振频率为1584.5MHz，经计算无载Q值大于10000。
二个谐振器之间的耦合系数由下述方法测出。图6是由二个本发明谐振器组成的耦合结构及其耦合频率响应曲线，图中的曲线是该耦合结构的传输特性，它的二个峰值分别对应的频率是f1、f2，相关理论指出，该耦合结构的耦合系数k可用公式(2)计算，式中Δf＝f2-f1，f0是形谐振器中心频率。可以看出耦合系数k与Δf成正比。
图7是一种弯折线谐振器组成的耦合结构及其远场耦合频率响应曲线。弯折线谐振器是英国伯明翰大学在2000年公布的一种设计形式，为了保证对比结果的可靠性，弯折线谐振器的频率应调整到1584MHz，二个谐振器间的间隔与图6一致。由公式(2)算出该结构的耦合系数，可以看出，图7中的耦合结构的频率差Δf是图6中的谐振器耦合结构频率差的4倍，从而证明本发明谐振器具有较弱的耦合特性。
上述比较耦合系数的方法也可用于本发明谐振器的其它不同设计方案，从而可以从中挑选出耦合特性较优的设计方案。
实施例2利用一条完整的高温超导微带线，形成一个具有上，下环的几何图形，其上、下环均不封闭且相连接。上，下环由直线(如图3a所示)构成。上环和下环具有一条水平公共边，且上环和下环以水平公共边的中点为对称中心呈中心对称，水平公共边位于整条微带线的中段。微带线的一端从上环的开口处沿着下环轮廓绕行，形成一个“L形”，微带线的另一端从下环的开口处沿着上环轮廓绕行，也形成一个“L形”。这种结构中，谐振电流主要集中在谐振器的中部，即谐振器的水平公共边部分，因此在水平方向的磁场辐射很小。由于微带线的长度与一定的谐振频率相对应，在微带线长度一定的情况下，采用本实施例中的结构可以缩小谐振器的面积。
本实施例矩形边长为11mm，边宽为5mm，微带线的线宽为0.5mm，绕行线与上、下环轮廓线间的间距为0.5mm，上、下环的高度3.75mm。
利用计算机仿真技术比较谐振器弱辐射特性，判断本实施例是否符合要求。其原理、方法与实施例1相同，不再赘述。
实施例3用一条完整的高温超导微带线，形成一个具有上，下环的几何图形，其上、下环均不封闭且相连接。上，下环由直线和曲线共同(如图3b所示)构成。上环和下环具有一条水平公共边，且上环和下环以水平公共边的中点为对称中心呈中心对称，水平公共边位于整条微带线的中段。微带线的一端从上环的开口处沿着下环轮廓绕行，微带线的另一端从下环的开口处沿着上环轮廓绕行。这种结构中，谐振电流主要集中在谐振器的中部，即谐振器的水平公共边部分，因此在水平方向的磁场辐射很小。
本实施例上、下环内半径均为1.5mm，微带线的线宽为0.5mm，水平直线长为2.5mm。
利用计算机仿真技术比较谐振器弱辐射特性，判断本实施例是否符合要求。其原理、方法与实施例1相同，不再赘述。
实施例4用一条完整的高温超导微带线，形成一个具有上，下环的几何图形，其上、下环均不封闭且相连接。上，下环由直线和曲线共同(如图3c所示)构成，上环和下环具有一条水平公共边，且上环和下环以水平公共边的中点为对称中心呈中心对称，水平公共边位于整条微带线的中段。微带线的一端从上环的开口处沿着下环轮廓绕行，微带线的另一端从下环的开口处沿着上环轮廓绕行这种结构中，谐振电流主要集中在谐振器的中部，即谐振器的水平公共边部分，因此在水平方向的磁场辐射很小。
本实施例上、下内环内半径均为1.5mm，外环内半径均为2.5mm，微带线的线宽为0.5mm，水平直线长为2.5mm。
利用计算机仿真技术比较谐振器弱辐射特性，判断本实施例是否符合要求。其原理、方法与实施例1相同，不再赘述。
本发明中涉及的制作微带线的技术是一种现有技术。图1是微带线的截面图。图中上层是微带导体3，中间是介质2，下层是地平面导体1。本发明中的微带线均为超导微带线，其上层微带导体3和下层地平面导体1均为高温超导薄膜，中间是介电常数为εr的单晶介质片。本发明中提到的微带线几何结构指的是上层微带导体3构成的几何结构。在设计微带谐振器时，介质厚度h，介电常数εr均为已知，谐振频率f0为给定值。
本发明中设计工作是利用微波仿真软件(如sonnet)在计算机上进行的。
本发明中的高温超导微带谐振器是按常用工艺制作的，即按光刻、干法(或湿)刻蚀、切割、组装等工艺步骤制作，属于本领域技术人员的公知技术。
权利要求
1.一种具有低电磁辐射的平面高温超导微带谐振器，包括一条由上、下两层高温超导薄膜和位于两层高温超导薄膜之间的人造单晶介质组成的微带线；其特征在于，所述微带线是一条连续完整的带状体，形成一个具有不封闭上环和不封闭下环的几何图形结构，所述上环和下环具有一条水平公共边，该水平公共边位于整条微带线的中段。
2.按权利要求1所述的具有低电磁辐射的平面高温超导微带谐振器，所述具有不封闭上环和不封闭下环的几何图形结构，其上环和下环以水平公共边的中点为对称中心呈中心对称。
3.按权利要求2所述的具有低电磁辐射的平面高温超导微带谐振器，所述具有不封闭上环和不封闭下环的几何图形结构，其中微带线的一端从上环的开口处沿着下环轮廓向下延伸，微带线的另一端从下环的开口处沿着上环轮廓向上延伸。
4.按权利要求2所述的具有低电磁辐射的平面高温超导微带谐振器，所述具有不封闭上环和不封闭下环的几何图形结构，其中微带线的一端从上环的开口处沿着下环轮廓绕行，微带线的另一端从下环的开口处沿着上环轮廓绕行。
5.按权利要求3或4所述的具有低电磁辐射的平面高温超导微带谐振器，在上述的技术方案中，所述上、下环是由直线、折线或曲线构成的不封闭环形结构。
6.按权利要求2所述的具有低电磁辐射的平面高温超导微带谐振器，其特征在于，所述谐振器的上、下两层超导薄膜为高温超导薄膜。
7.按权利要求2、3或4所述的具有低电磁辐射的平面高温超导微带谐振器，其特征在于，所述谐振器的上、下环由直线构成。
8.按权利要求2或4所述的具有低电磁辐射的平面高温超导微带谐振器，其特征在于，所述谐振器上、下环由直线和曲线构成。
9.按权利要求4所述的具有低电磁辐射的平面高温超导微带谐振器，其特征在于，所述谐振器的矩形边长为10mm，边宽为5mm，微带线的线宽为0.5mm，竖直线间距为0.5mm，上、下环的高度4.25mm。
全文摘要
本发明涉及一种平面高温超导微带谐振器，包括一条由上、下两层高温超导薄膜和位于两层高温超导薄膜间的人造单晶介质组成的微带线；其特征在于，所述微带线是一条连续完整的带状体，形成一个具有不封闭上环和不封闭下环的几何图形。本发明的优点是寄生耦合大大减弱，结构更加紧凑。当本发明提供的这种谐振器组合在一起时它们的之间的耦合相对较弱，为了满足一定的耦合关系，它们必须靠得更近，这样就使整体结构更紧密；更重要的是当三个或三个以上的谐振器组合在一起形成滤波器时，远场较弱的耦合就意味着寄生耦合的影响大大减小，基于这一点利用本发明提供的谐振器设计并制作出高性能的窄带高温超导带通滤波器。
文档编号H01P7/08GK1901275SQ200510084350
公开日2007年1月24日 申请日期2005年7月19日 优先权日2005年7月19日
发明者张雪强, 李春光, 孟庆端, 李翡, 何豫生, 李顺洲, 何艾生, 黎红 申请人:中国科学院物理研究所