有关微波设备的装置和方法

专利名称：有关微波设备的装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于把电磁波耦合到包括至少一个介质谐振器的微波设备和/或从该微波设备中耦合出电磁波的装置。介质谐振器包括具有高介电常数的非线性介质基片，以及耦合是通过耦合环提供的。
再者，本发明涉及把电磁波耦合到包括至少一个具有高介电常数的非线性介质基片的介质谐振器的微波设备和/或从该微波设备中耦合出电磁波的方法。
技术状态通过使用任何形状介质盘(例如，圆盘)的用于微波频率的介质平行板谐振器与滤波器是熟知的，例如，参考Vendik等的论文，El.Lett.，vol.31，p.654，1995，该论文在此引用，以供参考。包括具有极高的介电常数的非线性介质材料(例如，铁电材料或非铁电材料)的平行板谐振器具有很小的尺寸，它可被用来提供在0.5-3.0GHz频段的非常小型的滤波器，该频段是今天最先进的微波通信系统运行的频段。这样的非线性介质材料，例如，可以是STO(钛酸锶)，它在液氮的温度下具有大约2000的介电常数以及在室温下大约300K的介电常数。例如，圆盘形STO平行板谐振器(具有10mm的直径和0.5mm的厚度)的谐振频率处在0.2-2.0GHz的范围，取决于温度和所施加的直流偏压。在这些频率下，微波信号的波长是大约150-15cm，它比谐振器本身的尺寸大得多。
如何通过简单的探针和环来激励平行板介质谐振器是众所周知。在大多数情况下，平行板谐振器的厚度比波长小得多，以使得谐振器只支持最低阶TM模以及为了保持对于具有非线性介质填充的谐振器的电调谐所需要的DC电压尽可能地低。这是在Gevorgian等的“Low Order Modes of YBCO/STO/YBCO Circular Disk Resonators(YBCO/STO/YBCO圆盘谐振器的低阶模式)”IEEE Trans.MicrowaveTheory and Techniques(微波理论与技术)，Vol.44，No.10，Oct.1996的论文中讨论的。该论文也在此引用，以供参考。
然而，某些微波设备，例如带通滤波器，常常需要强的(例如接近临界或过临界)输入/输出耦合。为了在谐振器或在基于薄的平行板谐振器的设备中，特别是例如STO的具有极高的介电常数的情况下，达到这样的强耦合，实际上不可能使用诸如环或探针耦合器那样的已知的耦合装置，例如，在Kajfez，GuillonDielectricresonators(介质谐振器)，1990，第8章和p.282，第6.6章中所讨论的。
探针耦合主要是耦合电场，它不是有效的，因为几乎所有的微波功率都从谐振器壁反射。因为例如STO的极高的介电常数，谐振器壁起到接近理想磁壁的作用，反射系数接近于1，它由以下的简单关系式得出Γ＝(√ε-1)/(√ε+1)Γ是反射系数以及ε是介电常数。
而且，已知的环耦合(耦合到磁场)也不是有效的。在只有TM模的薄的平行板谐振器中，磁力线平行于谐振器平板。因为谐振器的小的厚度，只有外部传统耦合环的磁力线的一小部分与谐振器内部磁力线匹配，而且把耦合环区域做得更大也不能增加匹配。
T.Hayashi等的“用于超导盘形谐振器的耦合结构”，El.Letters，Vol.30，No.17，pp.1424-1425，1994，建议增强的电容耦合装置以实现在基于微带平行板谐振器的滤波器中的强的输入/输出耦合。然而，这种装置只对于其中介质具有低的大约在10-20之间的介电常数的介质谐振器是有效的。这样的谐振器对于许多应用是太大了。再者，它只对于基波TM 110-模式是有效的。
K.Bethe，“Uber Das Mikrowellenverhalten NichtlinearerDielektrika(非线性介质的微波性能)”，Philips Res.Reports，Suppl.1970，No.2，P.44显示了用于对于例如STO的高介电常数平行板谐振器的TM 110-模式输入/输出耦合的矩形波导。然而，耦合装置是笨重的，完全不适合于小尺寸应用。需要附加的DC-偏置装置，这是不利的，因为它把电抗引入到微波电路，这导致品质因数和总的性能的的恶化和降低。
Vendik等，Electronic Letters，Vol.31，p.654，1995公开了了用于对于包括具有高介电常数的基片的谐振器的TM 020-模式输入/输出耦合的同轴波导。该耦合然后通过同轴线的中心导体被加上。为了调谐的目的，使用了外部偏置T接头。这个设备的耦合装置是笨重的，它一般也不适合于小的谐振器或小的设备。而且，偏置装置也把电抗引入到微波电路中，导致性能恶化。
例如，包括STO介质的高介电常数平行板谐振器具有高模式的密度。这使得对传统的探针和环耦合装置的使用是不利的，因为它们对于所有模式提供大致相同的耦合。在多数情况下，应当只激励一种模式。在例如窄带滤波器的情况下，只有一种模式是想要的，而其它模式在抑制频带中产生寄生传输，所以恶化了滤波器的总的性能。为了避免这个问题，需要模式选择输入/输出耦合装置。
已知的装置的另一个缺点是，基于非线性介质(例如STO)的电调谐平行板谐振器需要外部DC偏置(以与谐振器的金属板的欧姆接触的形式)，以便控制谐振频率。按照由同一个申请人的瑞典专利申请，9502138-2和9502137-4，通过把附加装置引入到谐振器设计中，而提供DC偏置。然而，这样的装置影响谐振频率，而且，它可能恶化谐振器的品质因数(Q)。
最后，基于铁磁谐振的多种谐振器是熟知的。谐振频率然后通过所使用的材料的微观特性，例如铁磁谐振、反铁磁谐振、电子顺磁谐振等被确定(以及谐振器的尺寸不是由微波信号的波长的频率给定的)。在这样的谐振器中，最低谐振频率被材料特性限制，谐振器中所使用的材料的尺寸通常被做成任意小并与微波信号的波长无关。对于这样的谐振器所使用的磁耦合环被设计来提供在铁氧体中的均匀的磁场分布。然后模式选择是不可能的。例如，在US-A-4 197 517中显示了带有相关的耦合装置的这样的滤波器的例子。US-A-4 945324显示了对于这样的磁滤波器的例子。
发明概要所以，所需要的是用于把电磁波，特别是微波，耦合到具有小尺寸的微波设备和/或从该微波设备中耦合出电磁波的装置，它可以被使用于大多数先进的微波通信系统运行的频段，以及具有高的性能。具体地，需要一种其中能够以有效的和可靠的方式进行模式选择的装置和设备。
具体地，需要一种装置，通过它，可以选择和激励一种模式，而不恶化装置的总的性能，以及通过它，可以得到想要的耦合强度。具体地，需要一种装置，它包括用于具有极高介电常数材料的基片的薄的平行板(或共平面)谐振器的模式选择输入/输出耦合装置。
更具体地，还需要一种装置，通过它，可以提供强的输入/输出耦合，再具体地，需要一种装置，通过它，可以提供借助于DC偏置的调谐而基本上不使谐振器的Q值(品质因数)恶化。
再者，需要一种方法，通过它可以以有效的方式把电磁波，具体地是微波，耦合到微波设备，例如谐振器，或从该微波设备耦合出电磁波，以及其中可以选择到一个或多个模式的耦合。
具体地，需要一种装置，它允许在大范围内控制耦合强度，以及需要一种装置，通过它可以对于一种所选择的模式(或一个以上的选择模式)提供非常强的耦合。具体地，需要一种方法，它使得能够应用DC偏置，而不使微波设备的Q值恶化，更具体地，不需要使用分开的或附加的、在负面意义上影响设备性能的调谐装置。
所以，提供了如上所述的装置，其中谐振器和耦合环的尺寸是与谐振器的谐振频率有关的，以及其中耦合环具有这样的几何形状以及相对于谐振器这样地被安置，以使得磁力线与谐振器的至少一个模式的内部场分布相匹配，这样只有所选择的模式被激励，只对这样的模式提供耦合。耦合环的线尺寸是与谐振器的尺寸可比较的或大于谐振器的尺寸。由于ε很大(或甚至非常大)，所以谐振器的尺寸很小。
具体地，提供一种装置，其中耦合环具有这样的几何形状以及这样地被安置，以使得激励水平面上的简并模式，这样谐振器工作在多模式状态下。具体地，谐振器包括薄的平行板谐振器。在有利的实施例中，非线性介质材料包括具有极高的介电常数的介质，例如，一种铁磁性/反铁磁性材料，甚至更具体地是STO。有利地，谐振器的谐振频率是在0.5-3GHz之间，即，在蜂窝通信系统的频率范围。
在有利的实施例中，耦合环包括同轴线，具体地是同轴电缆的中心导线。有利地，按照一个实施例，耦合环至少部分地在径向上包围谐振器。按照不同的实施例，例如，激励了TM 110-或TM 020-模式。耦合环的长度具体地比起所激励的微波在自由空间的波长短得多。在具体的实施例中，耦合环，例如同轴电缆的中心导线，围绕谐振器许多圈，其中围绕谐振器的许多圈(和与谐振器的距离)给出了耦合强度。这个耦合强度因此可被控制；简单地说，圈数越多，耦合越强。
在另一个实施例中，耦合环被安置成使得形成围绕谐振器的半圈的环。在这种情况下，耦合强度由从谐振器平面(面向环路的平面)到耦合环的垂直距离给出。因此，在这种情况下，耦合强度可由耦合环离谐振器板的距离来控制。
按照另一个实施例，谐振器是圆形、正方形、长方形、三角形等，对于每种形状的谐振器，模式具有特定的场分布，耦合环被提供来使得只耦合到所选择的模式。
在其中选择TM 110-模式的有利的实施例中，同轴线的中心导线被做成围绕谐振器(例如是圆形谐振器)的多个线圈。替换地，环包括同轴电缆的中心导线，它形成围绕圆形谐振器的一半的半圈的环路。有利地，提供了接近临界或过临界耦合。
在最有利的实施例中，耦合环的一端被连接到谐振器的一个平板，另一个谐振器平板，例如，被连接到地，以及DC偏置信号通过耦合环被加上，这样使得能够进行谐振器的电调谐。通过外部标准偏置T接头把DC偏压加到环上，T接头在图上未示出。这样，以及通过使用同一个装置，即耦合装置本身，为模式选择，DC调谐和强度控制提供了耦合装置，从而，不需要附加的连接到谐振器的DC偏置装置，这是极其有利的。
在一个具体的实施例中，耦合环在作出围绕谐振器的多个圈从而激励TM 110-模式以后被连接到圆形平行板谐振器的一个平板的中点。提供了用于DC偏置的电路(未示出)，它被连接到同轴线。
按照另一个实施例，激励了TM 020-模式，以及谐振器包括半个盘的谐振器。耦合环然后被连接到沿着半个盘谐振器的直径的中点，以及在这个例子中DC偏置信号也可通过耦合环被加上。
按照其中激励了TM 020-模式的另一个实施例，耦合环垂直于圆形谐振器的一个谐振器平板进行延伸以及被连接，诸如同轴电缆的中心导线的长度给出了耦合强度。在这种情况下，因而也使得能进行DC偏置。在其中也选择TM 020-模式的另一个实施例中，谐振器包括半圆盘，耦合环包括被连接到一个谐振器平板的直径的中点的四分之一圈的环，在这种情况下，因而通过耦合环也使得能进行DC偏置。不管哪种模式要被激励以及从而被选择，耦合环可以以不同的方式被安置，连接到一个谐振器平板，或者不连接到谐振器平板，从而使能，或不能，通过耦合环进行DC偏置。然而，应当指出，虽然把耦合环连接到一个谐振器平板，但提供了极有利的实施例，因为它们组合了三个特性，即在很宽的范围控制耦合强度，有效的模式选择性，和DC偏置。
按照再一个实施例，耦合环包括薄膜条带，它可包括直条带或有图案的条带。图案条带例如可以被设计成激励在水平面上的简并模式，这样谐振器工作在多模式。如果使用薄膜条带，则耦合强度在某种程度上由条带宽度给定，但主要由被安置在普通的导电板顶部的介质衬垫层的高度给定。
在有利的实施例中，介质基片包括介质块状材料。
在本发明的另一个实施倒中，介质基片包括薄膜，例如，材料的薄膜。在一个这样的实施例中，谐振器是矩形的，以及包括共面波导。对于这样的谐振器的典型的选择的模是TME-模。
尤其是，可以附加地提供用于光调谐和/或温度调谐的实施例，例如，如果没有为它们，或在它们的组合中提供DC偏置，则它是应当想要的。
也提供了以上所述的方法，它包括以下步骤选择要被激励的谐振器的模式(替换地，可以有一个以上的选择模式)；安置耦合环，其长度至少是可以与谐振器尺寸相比较，这样，围绕耦合环的磁力线可以与要被激励的模式的内部磁力线相匹配；把微波信号耦合到微波设备中或从微波设备中耦合出微波信号。有利地，该方法也包括通过耦合环提供DC偏置信号到谐振器的步骤，耦合环被电连接到谐振器。
附图简述下面将参照附图以非限制方式进一步描述本发明，其中

图1示意地说明对于圆形平行板谐振器的较低阶模式的场分布，图2显示包括用于TM 110-模的耦合装置的实施例，图3显示包括使用半圈环路的用于TM 110-模的耦合装置的另一个实施例，图4是显示了对于图3的耦合装置的耦合系数对于耦合环到谐振器的距离的依赖性的图，图5显示包括带有DC偏置的用于TM 020-模的耦合装置的实施例，
图6是带有DC偏置的用于TM 020-模的耦合装置的另一个实施例，图7是没有DC偏置的用于TM 020-模的耦合装置的再一个实施例，图8显示薄膜条带耦合装置，以及图9显示用于薄膜设备的耦合装置。
发明详细描述为了图示说明，在图1上显示了对于圆形平行板谐振器的较低阶TMnmp模的场分布，即TM 010-，TM 110-，TM 210-，TM 020-，TM 310-，和TM 410-模。实线表示电流，虚线表示磁场，点划线表示电场。假定p＝0；即盘的厚度小于半个波长，以及谐振器只支持TMnm0模式。
在图2上显示了用于把微波耦合到薄的平行板微波谐振器以及从该谐振器耦合出微波的装置10。在这里薄是指它相对微波信号在自由空间中的波长λ0来说是薄的，更具体地，h＜λg/2，h是谐振器的厚度，λg是在谐振器中的波长。平行板微波谐振器包括具有高的介电常数的例如STO的介质基片11。这里介质基片11包括圆盘，以及谐振器包括所述高介电常数基片11和被放置在圆盘的任一侧的两个薄膜片13，13’，这样形成了平行板谐振器。该膜片可包括普通金属，例如金、银等。在有利的实施例中，如图2所示，在介质基片11与薄膜片13，13’之间放置超导层12，12’。具体地，超导膜12，12’包括高温超导材料，例如YBCO。然而，超导层不一定需要用于本发明的功能，但它们仅仅涉及有利的实施例。因为介质基片11，例如STO的极高的介电常数，工作在0.5-2.0GHz之间的频段的谐振器的尺寸是很小的。这样的圆盘谐振器的在谐振频率f时的半径r由以下关系式给出r＝c0knm/2πf√εc0是自由空间中的光速，knm是n阶贝塞尔函数的导数的第m个零点，以及ε是介电常数。对于如图2所示的工作在100K以下的STO圆盘谐振器，其半径典型地小于1cm，它比在这个频率下的微波信号的自由空间波长小得多，该波长可以是约为60-15cm。
与迄今已知的耦合装置相对照，本发明的耦合装置利用在自由空间波长与谐振器尺寸之间的所述大的差别，更具体地，耦合环的线尺寸是可与谐振器本身尺寸比较，或大于该尺寸。正如可从上述的公式中得出的，对于高(非常高)的ε，r为非常小。在大约0.5-3.0GHz的频率下，谐振器的尺寸，例如半径，比λ0小得多，具体地，耦合环的长度小于λ0/(8-10)。这假定耦合环是集总元件，如电感。因为ε非常大，所以λ0比谐振器尺寸大得多。环的长度比λ0小得多。而且，因为ε很大，对于谐振器内部的场，谐振器是分布电路或元件。谐振器内的λg正比于λ0/√ε。因此λg是可以与谐振器的尺寸相比较的，以及谐振器显得很长，或是分布的。
在已知的装置中，其中使用包括具有低介电常数的介质基片的谐振器，环路比λ0小得多，以及环路比谐振器尺寸小得多。
在图2的实施例中，耦合装置包括耦合环14，它包括同轴电缆15的中心导线。耦合环，即同轴电缆15的中心导线，形成围绕平行板谐振器的环路，以便提供接近临界或过临界耦合。通过耦合环相对于圆形平行板谐振器被安置的几何形状和方式，激励了TM 110-模。在这种情况下，耦合环14比所激励的微波的自由空间波长短得多，在图2所示的实施例中，耦合环14被绕在谐振器上，并被做成绕在其上的两圈的环。耦合环14起到从外部微波电路，即从同轴输入线15，看到的集总电感的作用。耦合环14的末端16被电连接到(或以欧姆接触到)谐振器的一个板13’的中点。也假定同轴线14的外部线被连接到地以及另一个谐振器板13，或它们被电连接。因为围绕耦合环14(即同轴线15的中心导线)的磁力线具有与平行板谐振器的基阶TM 110-模的磁力线相同的图案，正如可从图1看到的。这个模式在谐振器中被选择地激励，正如已在上面描述的，耦合强度，包括高度过耦合的情况，这里由耦合环14围绕谐振器的圈数以及由该环离谐振器板的距离来确定；参照下一个实施例。简略地，圈数越多，耦合强度越高。这样，耦合强度可通过改变围绕谐振器的圈数而被控制或调整。如果想要给定幅度的耦合强度，则可找到适当的圈数，以及耦合环被安排成与此一致。图1上所公开的装置10在把DC偏置用于具有非线性介质基片的平行板谐振器的电调谐时特别有用。在这种情况下，DC偏置通过耦合环的末端16被加到谐振器。这意味着DC偏置可被提供而不必要使用附加DC偏置装置。在图2上，显示了耦合环和平行板谐振器的磁力线。DC偏置是通过外部供电源经过被连接到输入线15的标准偏置T接头(未示出)而被加上的。
在图3上，显示了另一个装置20，其中通过使用半圈耦合环24提供了TM 110-模式的耦合。另外，在这种情况下，薄平行板谐振器包括具有高介电常数的介质基片21，例如STO，在它的每一侧放置薄膜片23，23’。在介质基片21与薄膜片(例如金、银等)之间，可以安放超导薄膜22，22’。正如在前面所述的情况那样，后者对于本发明的功能不一定必要的。然而，在具体的有利的实施例中，它们可包括高温超导膜。耦合环24由同轴线25分中心导线形成。然而，在这种情况下，耦合环形成半圈的环，围绕中心导线24的磁力线具有与围绕谐振器的磁力线相同的图案。因为它们具有与图2相同的图案，所以在该图中不再画出它们。
在图3中，耦合环不被连接到谐振器而被连接到可以是超导的片27上，在其上安放谐振器。同轴线25的外部线被连接到地以及其上安放谐振器的超导片27，或它们被电连接。如上所述，在这种情况下，也激励TM 110模式。在谐振器与耦合环24之间的耦合强度在这里由谐振器(或具体地是与耦合环24相邻的谐振器片)与耦合环24之间的距离H20给出，因此耦合强度可通过改变在耦合环24与上导电板23’(在这种情况下)之间的距离而被控制。然而，在图3的实施例中，没有通过耦合环提供DC偏置的可能性。而有可能通过光调谐或温度调谐来提供调谐。可替换地，当然可能提供附加的DC偏置装置。
在图4上，在77K时，显示了耦合强度对于在耦合环与谐振器之间的距离(例如图3的H30，以毫米计)的依赖关系。
在图5上，显示了其中对于激励选择TM 020-模式的一个实施例。平行板谐振器包括由STO组成的高介电常数的介质基片31的圆盘，在其每一侧安放薄膜片33，33’，例如，它可以是普通的导电材料。在有利的实施例中，超导薄膜，具体地高温超导膜，32，32’被安放在介质基片31与薄膜33，33’之间。然而，在这种情况下，所述超导膜对于本发明的功能也不一定必要的。平行板谐振器被安放在优选的超导片37上。耦合环34在这里包括同轴线35的中心导线，它以垂直的方式被连接在平行板谐振器的上板33’的中点36，以使得提供在同轴线34的中心导线34与谐振器的TM 020-模式的磁力线之间的完全的匹配。因此，达到紧密的和选择的耦合。在0.2-6.0GHz之间的频段中，用这样的装置只激励TM 020-模式。在这个实施例中，耦合强度由图上的距离H30给出，它表示耦合环34的长度。因为耦合环34还被电连接到谐振器，即上谐振器片33’，通过耦合环34本身使能进行DC偏置，因此不需要附加的调谐装置。
在图6上，显示了再一个用于选择耦合TM 020-模式的装置。平行板谐振器在这里包括半圆形平行板谐振器，它包括介质基片41，在其每一侧安放薄膜片43，43’，和前面的实施例一样，它可包括普通的导电材料，例如金，银等。在这种情况下，超导膜42，42’也被安放在普通的导电膜43，43’与介质基片之间，虽然这些对于本发明的功能是不一定必要的，而仅仅显示具体的有利的实施倒。耦合环包括四分之一环44，在这里也是同轴线45的中心导线。平行板谐振器被安放在优选的超导片47上，该超导片被连接到地，同轴线45同样也被连接到地。同轴线45的中心导线，即耦合环45，被连接到半圆盘谐振器的直径上的中点。因为它被连接到谐振器的一个片上，所以能够进行DC偏置。在图6上，围绕同轴线45的中心导线44的磁力线具有与也被显示的谐振器的磁力线相同的图案，它导致TM 020-模的激励。耦合强度在这里由距离D40，即耦合环从连接点伸出的距离，或从谐振器到耦合环的距离给出。
在图7上，显示了再一个装置50，其中选择地激励TM 020-模式。谐振器包括半圆盘，其中提供了例如STO的基片51，在其每一侧上安放薄膜片53，53’，该薄膜片例如包括普通的导电材料。薄的超导膜52，52’被安放在介质基片51与普通的导电膜片53，53’之间，虽然在这种情况下，超导膜对于本发明的功能也不是必不可少的。耦合环54包括同轴线55的中心导线54，其中同轴线的外部导线被连接到地。平行板谐振器被安放在连接到地的优选的超导片57上。
耦合环54在这里包括半圈的环，它在接近平行板谐振器自身直径的中点的点上连接到普通的导电片57。因为耦合环54没有被连接到平行板谐振器本身，所以对于图5和6的情况不能提供DC偏置。然而，可以以任何想要的方式，例如通过分开的DC偏置装置或通过本身是熟知的光调谐或温度调谐，来提供调谐，或在前面由本申请人提交的专利申请中提到的瑞典专利申请中描述的，它在此引用，以供参考。耦合强度在这里由从耦合环54到相邻的谐振器片53’的垂直距离H50和从耦合环到谐振器的平面端的垂直距离D50给出。
在图8上，显示了一个装置60，其中谐振器包括圆盘。介质基片61包括具有高介电常数的例如STO的材料。薄的超导膜(例如HTS膜)被安放在薄的普通导电片63，63’之间，虽然在这种情况下，超导膜对于本发明的功能不一定是必须的。平行板谐振器被安放在连接到地的优选的超导片67上。附加的介质薄膜69被安放在接触层63’上。在这个介质层69的顶部，例如通过光刻或通过任何其它的已知的方法，至少确定一个薄膜耦合条带68。薄膜耦合条带68被安排成沿着其直径交叉穿过圆形平行板谐振器，以及薄膜耦合条带61被连接到同轴线65的中心导线64，外部导线被连接到地。例如，薄膜耦合条带68的直径上的相反端，即，与其中被连接到同轴电缆的中心线的点相反的一端，被连接到超导片67。通过这个装置，提供了特别高的耦合系数，它与通过图2、3、5-7所显示的实施例中公开的同轴线环相比，是更精确地空间地(和几何地)确定的。在具体的有利的实施例中，耦合条带被做成图案，以提供特别高的选择性和较高(或较低)的耦合强度。对于TM 110-模的耦合选择性和耦合强度主要由附加的薄介质膜层69(它也被表示为衬垫层)的厚度给定，以及在某种程度上由耦合条带68的宽度给定。为了避免激励任何可能的简并模式，耦合装置的对称性是重要的，对于其中这是主要关心的情况，耦合条带的光刻图案是特别有利的。
在替换的实施例中，耦合条带可被设计成使得具体地激励在水平面上的简并模式。因此，它被这样地设计，以使得谐振器工作在多模式区域，例如双模式或三模式中。
用于本发明的耦合装置的原理可被应用到笨重的平行板谐振器以及铁电薄膜设备中。
在图9上，显示了一种装置，其中在铁电膜片/基片73上提供了共面波导谐振器。共面波导谐振器包括中心条带71和另一个条带72，这两个优选地具有超导材料，在具体的有利的实施例中是HTS材料。在图9上，1是谐振器长度的一半，因此给出了谐振器的谐振频率。谐振器被由同轴线75的中心导线构成的耦合环74激励，其外部导线被连接到地。片72(普通导电或超导)，即外部接触层，也被连接到地。耦合环74被连接到中心的普通导电或超导片(条带)或接触层71。在图上的H70给出耦合强度，因此它可被控制。因为耦合环74被连接到一个接触层，所以通过耦合环本身可使得能够进行偏置。对于共面波导，典型地激励(准)TME模式。
虽然在图2-9上只明晰地显示有限数目的实施例，应当看到，不仅可以以这种方式选择和激励TM 110-模式和TM 020-模式，而且可通过选择适当的谐振器和适合于特定模式的耦合装置来选择任何模式用于激励。
平行板谐振器的形状不一定必须是图上明显地显示的任何一种形状，而它们也可以是其它的形状，例如矩形，三角形等。
而且，如果使用温度调谐谐振频率，即通过改变介电常数的温度和/或改变可被安放在介质基片与接触层(例如普通的导电片)之间的超导膜片的表面阻抗，按照本发明的装置也可被使用。再者，例如通过超导膜的光照射，可以使用谐振频率的光感应调谐。
除此以外，在前面本申请中提到的瑞典专利申请中也讨论了这一点，该专利申请在本申请中被引用。本发明也不限于超导膜的使用。
另外，在许多其它方面，本发明可以以多种方式被改变，而不背离权利要求的范围。
本发明的优点在于，除了使得能进行有效的模式选择以外，耦合环可被用来控制耦合强度。在具体的实施例中，也可通过耦合环加上DC偏置，这是极其有利的。按照本发明的耦合装置提供最有效的小尺寸、高性能的设备。
权利要求
1.用于把电磁波，特别是微波，耦合到包括至少一个介质谐振器的微波设备和/或从该微波设备中耦合出电磁波的装置(10；20；30；40；50；60；70)，介质谐振器包括具有高介电常数的非线性介质基片(11；21；31；41；51；61；73)，所述装置包括耦合环(14；24；34；44；54；64；74)，其特征在于，谐振器的尺寸和耦合环(14；24；34；44；54；64；74)是与谐振器的谐振频率相关的，以及耦合环(14；24；34；44；54；64；74)具有这样的几何形状以及以及相对于谐振器这样地被安置，以使得围绕耦合环(14；24；34；44；54；64；74)的磁力线与谐振器的至少一个模式的内部场分布相匹配，这样只有所述至少一个模式被激励，和只对这样的模式提供耦合，以及耦合环(14；24；34；44；54；64；74)的长度是与谐振器的尺寸可比较的或大于谐振器的尺寸。
2.按照权利要求1的装置，其特征在于，耦合环(14；24；34；44；54；64；74)被这样地安置，以使得激励水平面上的简并模式，以及谐振器工作在多个模式上。
3.按照权利要求1或2的装置，其特征在于，非线性介质材料包括铁电/反铁电材料，例如STO。
4.按照前面权利要求中的任一项的装置，其特征在于，谐振器的谐振频率是在0.5-3.0GHz之间，优选地在0.2-2.0GHz之间。
5.按照权利要求4的装置，其特征在于，耦合环长度小于大约λ0/8-λ0/10，λ0是微波在自由空间的波长。
6.按照前面权利要求中的任一项的装置(10；20；40；50；60；70)，其特征在于，耦合环(14；24；44；54；64；74)至少部分地环绕谐振器。
7.按照前面权利要求中的任一项的装置(10；20；30；40；50；70)，其特征在于，耦合环(14；24；34；44；54；74)包括同轴线。
8.按照权利要求7的装置，其特征在于，耦合环(14；24；34；44；54；74)包括同轴线的中心导线，以及耦合环的长度比起所激励的微波在自由空间的波长短得多。
9.按照权利要求6、7、或8的装置，其特征在于，耦合环(14；24；44；54；64；74)形成在径向上围绕谐振器的多个圈。
10.按照权利要求8或9的装置，其特征在于，围绕谐振器的圈数和/或耦合环到谐振器的距离决定了耦合强度，以及因此耦合强度可通过安排围绕谐振器的适当的圈数和/或改变在耦合环与谐振器之间的距离而被控制。
11.按照权利要求7-9中任一项的装置(20；50)，其特征在于，耦合环(24；54；)形成围绕谐振器的半圈环，以及耦合强度由谐振器板到耦合环的距离给出。
12.按照权利要求7-11中任一项的装置，其特征在于，谐振器的TM 110-模式被激励，从而被选择。
13.按照前面权利要求的任一项的装置，其特征在于，提供了接近临界、或过临界耦合。
14.按照前面权利要求的任一项的装置(10；30；40；60；70)，其特征在于，耦合环的一端被连接到谐振器的一个板上，另一个谐振器板，例如，被连接到地，以及DC偏置通过耦合环被加上，从而提供用于谐振器的电调谐。
15.按照权利要求14的装置(10)，其特征在于，耦合环(14)形成围绕谐振器的至少一圈，它被连接到例如圆形谐振器片的中点，以及TM 110-模式被激励。
16.按照权利要求11的装置，其特征在于，TM 020-模式被激励，以及谐振器包括半圆盘谐振器。
17.按照权利要求16的装置，其特征在于，耦合环被连接到沿着谐振器的直径的中点，以及DC偏置信号通过耦合环被加上。
18.按照权利要求1-5中任一项的装置，其特征在于，耦合环延伸(34)，并被垂直地连接到圆形谐振器的一个谐振器片，以及耦合环的长度(H30)决定了耦合强度。
19.按照权利要求18的装置，其特征在于，TM 020-模式被激励，以及DC偏置信号通过耦合环(34)被加上。
20.按照权利要求1-9中任一项的装置(60)，其特征在于，耦合环包括，例如，直的薄膜条带(68)。
21.按照权利要求20的装置，其特征在于，条带(68)包括有图案的条带。
22.按照权利要求21的装置，其特征在于，条带(68)被设计来激励水平面上的简并模式，从而谐振器工作在多个模式。
23.按照权利要求19-22中任一项的装置，其特征在于，耦合强度由条带宽度的厚度决定。
24.按照前面权利要求的任一项的装置(10；20；30；40；50；60；70)，其特征在于，介质基片包括介质块状材料。
25.按照权利要求1-24中任一项的装置，其特征在于，介质基片包括例如铁电材料的薄膜。
26.按照前面权利要求的任一项的装置(10；20；30；40；50；60；70)，其特征在于，谐振器是薄的平行板谐振器。
27.按照权利要求26的装置，其特征在于，超导薄膜，例如HFS薄膜，(12，12’；22，22’；...)被安放在介质基片与导电片(13，13’；23，23’；...)之间。
28.按照权利要求25的装置，其特征在于，谐振器是共面谐振器。
29.把微波信号耦合到包括至少一个具有高介电常数的非线性介质基片的介质谐振器的微波设备和/或从该微波设备中耦合出微波信号的方法，包括以下步骤-选择要被激励的谐振器模式，-安排耦合环，其长度是可以与谐振器的尺寸比较的或大于谐振器尺寸，以使得围绕耦合环的磁力线与要被激励的所选择的模式的内部场分布相匹配，-把微波信号耦合到谐振器或从谐振器耦合出微波信号。
30.按照权利要求29的方法，其特征在于，还包括以下步骤-把耦合环电连接到谐振器，-通过耦合环提供用于谐振器的电调谐的电信号。
全文摘要
本发明涉及用于把电磁波,特别是微波,耦合到包括介质谐振器的设备和/或从该设备中耦合出电磁波的装置,介质谐振器包括具有高介电常数的非线性介质基片和耦合环(14)。谐振器的尺寸和耦合环(14)是与谐振器的谐振频率有关的,以及耦合环(14)相对于谐振器这样地被安排,以使得围绕耦合环的磁力线与已经选择被激励的至少一个模式的内部场分布相匹配,这样只有所述的至少一个模式被激励。只对这样的模式提供耦合。耦合环(14)的尺寸是与谐振器的寸可比较的或大于谐振器的尺寸。
文档编号H01P7/10GK1260911SQ9880631
公开日2000年7月19日 申请日期1998年4月15日 优先权日1997年4月18日
发明者E·维克波格, E·卡尔松, S·格沃吉安 申请人:艾利森电话股份有限公司