可調鐵電共振器裝置的制作方法

專利名稱：可調鐵電共振器裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括共振器裝置的可調共振裝置。電磁能通過輸入/輸出耦合裝置耦合進/耦合出該共振器裝置，用于調諧該共振器裝置，有一個調諧裝置用于將偏置/調諧電壓(電場)施加到該共振器裝置。本發明還涉及這樣一種共振器裝置、可調濾波器裝置及調諧共振裝置的方法。
背景技術：
電可調共振器對于靈便的雷達和移動無線通信系統是很有吸引力的元件。已知有不同類型的共振器。利用任何形狀，如圓形，的絕緣盤的用于微波頻率的絕緣平行板共振器和濾波器可以通過例如在此引入參考的Vendik等人所著Electronics Letters vol.31，p.654，1995得以了解。
包括由具有極高介電常數的非線性絕緣材料，如鐵電材料或反鐵電材料，制成的襯底的平行板共振器尺寸很小，且它們可以用于例如提供先進微波通信系統所用頻段中的小型濾波器。這種非線性絕緣材料可以是例如液氮溫度下介電常數大約為2000及室溫下介電常數大約為300的STO(SrTiO3)。
絕緣平行板共振器可以由簡單的探測器或回路來激發。對于大多數實際的實現，平行板共振器的厚度比共振器中微波信號的波長要小得多，才能使共振器僅支持最低階的TM模式及保持DC-電壓盡可能低，DC-電壓是電調諧包括絕緣襯底的共振器所必需的，其中在絕緣襯底兩側都排列有電極。對于這種共振器，電調諧是通過施加外部DC-偏壓來實現的，其中外部DC-偏壓通過與充當共振器極板的電極的歐姆接觸來提供。基于薄膜襯底的可調共振器及基于絕緣大塊襯底的可調共振器是已知的。如果其厚度小于共振器中微波信號波長的一半從而沿盤的軸線不存在駐波，則從電性能方面該共振器被認為是薄的。近來發現基于環形鐵電盤的電可調共振器是很有吸引力的，而且引起了例如微波通信系統及移動無線通信系統中可調濾波器應用的關注。
這些設備在例如本文引入參考的專利申請號為9502137-4的瑞典專利申請“Tunable Microwave Devices ”和專利申請號為9502138-2的瑞典專利申請“Arrangement and method relating to tunabledevices”中進行了描述。
由于各種原因，共振器和濾波器中包括鐵電材料的襯底是人們所感興趣的。除了其它特性外，鐵電材料還能夠處理高峰值功率，它們具有低切換時間，且襯底的介電常數隨所施加的偏壓而變化，這使得設備的阻抗隨所施加的偏置電場而變化。例如US-A-5908811，“HighTc Superconducting Ferroelectric Tunable Filters”，示出了這種濾波器的一種實例，它通過使用單一的晶體鐵電材料來獲得低損耗。利用鐵電薄膜襯底。但是，這種設備及其它基于鐵電材料的共振器和濾波器都有當施加偏壓時鐵電襯底或元件的品質因子(Q-值)隨所施加的電壓顯著下降的缺點。最近，由A.Tagantsev在AppliedPhysics Letters中Vol.76，No.9，p.1182-84的“DC-Electric-Field-induced microwave loss in ferroelectrics and intrinsiclimitation for the quality factor of a tunable component”中，確定這是鐵電材料中由所施加偏壓電場感應出的基本損耗機理(稱為quasi-Debye效應)的緣故。但是迄今為止，對于可調鐵電共振器中與感應損耗相關的問題還沒有找到令人滿意的解決辦法。
發明概述因此，需要一種可調共振裝置，更具體而言是用于微波或毫米波的可調共振裝置，它尺寸小并可用于不同類型的先進微波通信系統和移動無線通信系統。還需要一種具有高性能或至少滿足要求的性能且容易制造的可調共振器裝置。尤其需要一種可調共振裝置，通過該裝置有可能在施加用于調諧的電場/電壓時對鐵電襯底中的損耗進行補償。特別需要一種具有高功率處理能力的裝置。更特別需要一種裝置，通過該裝置基本上可以在不損害共振器品質因子(Q-值)的情況下通過施加DC-偏壓來提供調諧。
還需要一種裝置，它尺寸小從而可用于不同類型的元件中，它可以被高效調諧而不需要大量的電能，且它能夠可靠的工作。此外還需要一種裝置，它是健壯的，具有令人滿意的調諧選擇性和調諧靈敏性，而且通過該裝置可以使插入損耗低或者能夠對其進行補償。
還需要一種可調濾波器裝置，包括一個或多個共振器裝置并滿足上面提到的一種或多種目的。此外還需要一種調諧共振器裝置的方法，通過該方法可以實現上面提到的目的，尤其是一種通過電調諧對鐵電共振器中的感應損耗進行補償的方法。
因此，提供一種可調共振裝置，包括共振器裝置、將電磁能耦合進/耦合出該共振器裝置的輸入/輸出耦合裝置、及將偏壓/電場施加到該共振器裝置的調諧設備。該共振器裝置包括第一共振器和第二共振器。第一共振器是一個不可調諧的高質量共振器(即，具有高Q-因子)，而第二共振器是一個包括鐵電襯底的可調共振器。第一和第二共振器是由接地平面隔開的，但該接地平面對所述第一和第二共振器是共用的，即共享的，還提供了耦合裝置用于在第一和第二共振器之間提供耦合。為了調諧該共振器裝置，向第二共振器施加調諧電壓/電場。有利地，第一共振器是一個圓盤共振器或平行板共振器，而第二共振器是另一個圓盤共振器或平行板共振器。有利地，第一共振器包括絕緣襯底，其介電常數不，或基本不，隨所施加的電壓變化，該絕緣襯底位于第一和第二電極板之間，第二電極構成接地平面。
第二共振器優選地包括可調鐵電襯底及第一和第二電極板。第二電極板構成公共接地平面，因此與第一共振器的第二電極是共用的，或相同的，這意味著兩個共振器共享一個構成用于所述兩個共振器的接地平面的電極板。
第一共振器的絕緣襯底可以包括例如LaAlO3、MgO、NdGaO3、Al2O3、藍寶石或具有相似屬性的材料。特別地，第一共振器的品質因子(Q-值)可以超過大約105-5·105。
第二共振器的襯底可以包括例如SrTiO3、KTaO3、BaSTO3或任何其它具有相似屬性的材料。
在一種實現中，每個共振器的第一和第二電極，在此是指第一電極和公共接地平面，包括普通導電金屬，如金、銀、銅。在另一種實現中，第一和第二電極，即第一電極和公共接地平面，包括超導材料。更特別地，第一和第二電極，即第一電極和公共接地平面，包括高溫超導材料(HTS)，如YBCO(釔-鋇-銅-氧)。其它的可選方案是TBCCO和BSCCO。在一種特定的實現中，使用可以被如金、銀、銅或相似金屬制成的非超導高導電薄膜覆蓋的超導體或超導薄膜(HTS)。這種設備在本文引入參考的“Tunable Microwave Devices”中也作了討論。特別地，第一和第二共振器是TM020模式共振器。但是，也可以選用其它模式，如在本文引入參考的申請號為9901190-0的瑞典專利申請“Microwave Devices and Method Relating Thereto”中所討論的實例，該申請還說明了可以選擇多么不同的模式，為了示例還給出了可以選擇哪種模式的實例。
通過向所述第二共振器施加調諧(偏置)電壓，電磁能將被分配到第一共振器，特別地，由于兩個共振器是耦合在一起的，因此隨著偏置電壓的增加，越來越多的電磁能將分配或傳輸到第一共振器。這意味著第一和第二共振器之間電磁能的分配依賴于偏置(調諧)電壓或電場，當然還依賴于耦合裝置。第二共振器中的共振頻率隨所施加偏置電壓的增加而升高。當偏置電壓增加時，第二鐵電共振器的損耗角正切也將增加，同時其中的電磁能將減少。因此自動地對第二共振器中增加的損耗角正切進行補償，從而對包括第一和第二共振器的耦合共振器裝置的影響將減小。
特別地，第一和第二共振器包括基于絕緣/鐵電大塊材料的圓盤共振器。但是，它們也可以包括薄膜襯底。但是，通過使用可調諧圓盤共振器，可以實現比由可調諧薄膜制成的共振器具有更高功率控制能力的共振裝置，尤其是濾波器。
特別地，共振裝置包括至少兩個共振器裝置，而公共接地平面對于構成可調濾波器的該至少兩個共振器裝置是共用(或共享)的。
根據本發明，為了使第一和第二共振器彼此耦合，對于每個共振器裝置，耦合裝置都可以包括公共接地平面中的一個槽或孔。共振器基本上可以是任何合適的形狀，它們可以是例如圓形、方形、矩形或橢圓形等。第一共振器的形狀還可以與第二共振器的形狀不同。共振器裝置還可以是雙模共振器裝置。那么每個共振器都包括模式耦合裝置，如突起、斷流器或任何其它能夠用于雙模工作的裝置。在本文引入作為參考的專利申請中提供了關于雙模共振器裝置的實例。根據本發明，可以說可調諧性和損耗是在共振器裝置的兩個共振器之間交換或分配的，從而降低了由電調諧引起的增加感應損耗的影響。
因此，根據本發明，提供了一種包括第一共振器和第二共振器的可調共振器裝置，其中所述第一共振器是不可調諧的，而所述第二共振器是可調諧和鐵電體的，即包括鐵電襯底，所述第一和第二共振器是由接地平面隔開的，該接地平面對所述第一和第二共振器是共用的。提供耦合裝置用于在所述第一和第二共振器之間提供耦合及用于調諧該共振器裝置，調諧電壓施加到第二共振器。特別地，第一和第二共振器包括圓盤共振器或平行板共振器，而公共接地平面是由與第二共振器第二電極板共用的第一共振器第二電極板構成的。特別地，耦合裝置包括公共接地平面中的一個槽或孔或相似物，通過其電磁能可以從一個共振器傳輸到另一個。
本發明還公開了一種調諧共振器裝置的方法，包括以下步驟提供第一不可調共振器；提供第二可調共振器，第一和第二共振器由公共接地平面隔開；在所述公共接地平面中提供耦合裝置，從而第一和第二共振器可以耦合以便在第一和第二共振器之間傳輸電磁能；通過向所述第二共振器施加偏置/調諧電壓/電場改變其共振頻率，既增加了第二共振器的共振頻率、損耗角正切，又重新向第一共振器分配電磁能；優化偏置電壓/電場的施加，從而第二共振器中增加的損耗角正切對耦合共振器裝置的影響可以通過向第一共振器傳輸更多電磁能來補償。特別地，該共振器裝置公開了上面提到的一種或多種特征。
附圖簡述下面將以非限制方式參考附圖對本發明進行進一步的描述，其中

圖1A-1F為了說明示出了圓形、平行板共振器的多個不同TM模式的電流線(場分布)，圖2特別說明了具有圖1A所示場分布的現有技術共振器的一種狀態，圖3示出了圖2所示共振器的測量微波性能，圖4說明了根據本發明共振器裝置的第一種實施方案的剖面圖，圖5說明了圖4所示共振器裝置的兩個耦合共振器的等效電路，圖6A是說明共振器電容作為偏壓函數對偏壓依賴性的圖表，圖6B是說明作為偏壓函數的損耗因子的圖表，圖7A-7C示出了等效電路輸入阻抗對偏壓依賴性的模擬結果，圖8A示意性地說明了可以用于圖4共振器裝置的第一共振器的一種實例，圖8B示意性地說明了可以用作圖4共振器裝置中第二共振器的一種共振器實例，圖9A示出了根據本發明共振器裝置的第一共振器的一種可選實現，圖9B說明了在根據本發明共振器裝置中可以與圖9A第一共振器一起使用的第二共振器的一種實例，圖10非常示意性地說明了可以用于根據本發明共振器裝置的雙模共振器的一種實例，圖11示意性地說明了基于根據本發明共振裝置的兩極濾波器，圖12說明了圖11兩極濾波器的等效電路，圖13A、B對圖11的可調兩極濾波器說明了對于不同偏壓，作為頻率函數的插入損耗和回波損耗的模擬結果。
發明詳述圖1A-1F為了說明公開了圓形平行板共振器的低階TMnmp場分布，即TM010、TM110、TM210、TM020、TM310、TM410-模式。實線表示電流，虛線表示磁場，而點和十字表示電場。假設p＝0，即襯底的厚度小于共振器中波長的一半，且該共振器只支持TMnm0模式。通過耦合裝置(如耦合回路、耦合探測器或另一共振器)，空間中的場/電流分布是固定的。
已經發現如絕緣圓盤或絕緣襯底上圓片形式的平行板共振器有幾種不同的微波應用。如果其厚度(d)小于共振器中微波波長(λg)的一半，d＜λg/2，從而沿盤的軸線不存在駐波，則從電性能方面該共振器被認為是薄的。已經對基于鐵電體圓盤的電可調共振器在可調濾波器中的應用進行了大量的調查。對平行板共振器一種簡化電力學分析對共振頻率提出以下的簡單公式fnm0=c0knm2πrϵ]]>其中c0＝3.108m/s是真空中的光速，ε是圓盤/襯底的相對介電常數，r是導電板的半徑，而knm是模式下標為n和m的貝塞耳函數的根。對于從電性能方面被認為是薄的平行板共振器，第三下標為0。當考慮彌散場時，可以對以上公式進行修正。
對濾波器應用特別有吸引力的是例如只在徑向具有板流的軸對稱模式。這些模式的特征在于它們沿導電板的邊緣沒有任何表面電流，因而有更高的品質因子(Q)。
在本發明一種特別有利的實現中，為共振器選定的模式是TM020模式。但是本發明不限于任何特定模式，而是基本上任何模式都可以選用。在本申請前面討論過的專利申請號為9901190-0的“MicrowaveDevice and Method Relating Thereto”中尤其對模式選擇做了討論。
圖2示意性地說明了一種基于具有極高介電常數的非線性絕緣襯底30，如液氮(N)溫度下介電常數大于2000及室溫下介電常數大約為300的STO(SrTiO3)，的電子可調諧共振器100。在襯底兩側都提供了如由YBCO制成的高溫超導體101、102，在這種實施方案中，高溫超導體又被如由金制成的非超導高導電薄膜201、202所覆蓋。作為一種實例，依賴于溫度和所施加的DC偏壓，直徑為10mm、厚度為0.5mm的平行板圓盤共振器的共振頻率在0.2-2.0GHz之間。這種共振器可以由作為輸入/輸出耦合裝置的簡單探測器或回路來激發。在大多數實際情況下，為了只支持最低階TM-模式并為了保持DC-電壓，平行板共振器的厚度比微波信號的波長小得多，DC-電壓是電調諧具有非線性絕緣襯底的共振器所必需的，要盡可能低。這在本文引入參考的IEEETrans.Microwave Theory and Techniques vol.44，No.10，Oct.1996由Gevorgian等人所著的“Low order modes ofYBCO/STO/YBCO circular disk resonators”中做了討論。在上面的圖1A中示出了TM010模式下這種共振器的場分布，圖1D是TM020模式。
圖3示意性地說明了顯示兩個共振器測量微波性能的圖表。圖中對使用普通導電，即非超導，電極板的共振器，對應Q11，及使用YBCO的HTS電極的共振器，對應于Q1，說明了作為偏壓函數的空載品質因子Q。相應地，對銅電極和YBCO電極說明了作為所施加偏壓函數的共振頻率，分別對應于F1、F11。可以看到，在高偏壓下，不管使用YBCO電極還是使用普通導電(即非超導)電極，都沒有太大的區別。
有利地，這種共振器的共振頻率應當在0.5-3GHz之間，這是蜂窩通信系統的頻率范圍。因此，關于上述鐵電元件或非線性絕緣材料Q-值隨所施加電場顯著降低的問題，根據本發明是通過如圖4所述包括兩個耦合共振器的共振器裝置提供所謂損耗補償來解決的。
這樣，在圖4中說明了本發明的第一種實施方案。它示出了一種共振器布置10，包括具有第一共振器1和第二共振器2的共振器裝置，這兩個共振器彼此耦合。第一共振器包括不可調諧的具有第一電極板12和帶高品質因子(Q)的線性襯底11的圓盤共振器。襯底材料可以包括例如藍寶石、LaAlO3或任何本申請前面提到的其它材料。第一共振器1包括另一個位于線性襯底另一側的電極板13。電極12、13可以包括“普通”導電(即，非超導，但優選地高導電)金屬，如金、銀、銅，但是也可以包括超導材料。在一種特別有利的實現中，電極板12、13包括高溫超導材料，例如YBCO。
共振器裝置10還包括第二共振器2，它是可調諧的并包括由例如鐵電材料，如SrTiO3、KTaO3或任何本申請前面提到的其它材料，制成的襯底材料21，如上面參考圖3所討論的，該襯底具有不斷增長的損耗因子，即品質因子隨所施加的電壓降低。第二共振器2也是具有第一電極板22和與第一共振器1第二電極為同一電極板的第二電極板13的圓盤共振器。
因此，公共電極13為第一和第二共振器1、2構成了公共接地平面。第一和第二共振器1、2通過耦合裝置5彼此耦合，在這里耦合裝置5包括公共接地平面13中的一個槽或孔，以便在施加偏壓時允許兩個共振器之間的電磁能分配。關于所述偏壓的施加，提供了偏壓裝置3，包括一個連接到接地平面13和第二共振器2第一電極板21的可變電源，從而為了調諧共振器裝置，將偏壓施加到第二共振器2。當施加偏壓VB并增加電壓時，第二共振器2的共振頻率將增加。電磁能將重新分配到第一共振器1，這意味著第二共振器增加的損耗角正切對共振器裝置有較小的影響，其中如上面所討論的，該損耗角正切隨所施加偏壓的增加而增加。因此，當偏壓增加時，越來越多的電磁能將傳輸或重新分配到第一共振器1。以這種方式，可調第二共振器2中增加的損耗將得以補償。
優選地，耦合槽是圓形的；其形狀應當依賴于所選定的模式。通常電流線(比較圖1A-1F)不應當中斷。通常它以圓形槽對所有模式起作用。它還可以是橢圓形的。對于矩形共振器，它可以是矩形的。
第一和第二共振器還可以有相同或不同的其它形狀。接地平面也可以有同第一共振器相同的大小(和形狀)或其它形狀，只要不小于第一共振器就可以。
圖中，天線形式的輸入耦合裝置4示為向微波設備輸入微波信號，用于激發相關模式。從原理上講，任何輸入/輸出耦合裝置都可以使用，天線只是為了說明而采用的一種輸入耦合裝置實例。不同類型的輸入/輸出耦合裝置在于1997年4月18日提交的申請號為9701450-0的瑞典專利申請“Arrangement and Method Relating to MicrowaveDevices”中做了討論，本文引入參考了該專利內容。在該文獻中，尤其說明了耦合裝置如何用于偏壓的施加。它還說明了同時還需要獨立偏壓裝置及多個現有技術設備狀態的可用耦合裝置實例。本發明不限于將微波能量耦合進/耦合出設備的任何特定方式，最主要的是偏壓施加到可調諧并耦合到另一不可調諧共振器的第二共振器，這兩個共振器彼此耦合，從而使得可以重新分配電磁能。
圖3公開了可以用于根據本發明共振器裝置的第二共振器的一種實例。第二共振器2還可以是薄平行板微波共振器，薄在這里的意思是比共振器中的波長λg小，更確切說是d＜λg，其中d是共振器2的厚度，而λg是共振器中的波長。(如前面所討論的，盡管大塊襯底設備是優選的，但通常該裝置可以是薄膜設備。)圖5說明了圖4兩個耦合共振器1、2的等效電路。Zin表示裝置的輸入阻抗。R1、C1表示第一不可調共振器1的電阻和電容。R2、C2表示第二共振器2的可調諧部分，而C05是將第一和第二共振器彼此耦合的耦合電容器。
參考圖6A、6B、7A、7B、7C，接著是對圖5等效電路輸入阻抗模擬的說明和解釋。在此假定d1是第一共振器線性絕緣襯底的損耗因子，而d2(U)是第二共振器非線性鐵電襯底的損耗因子，它們都是偏壓的函數。給定偏壓V的單位為伏特，L(電感)的單位為nH。U0和k是鐵電材料的現象特性。模擬是對三個不同的偏壓進行的，分別是V＝0，100，200V及U0＝200V。進一步假定C1＝2.5pF，C20＝120pF，及C0＝200pF。L＝1.59×10-9，m＝0.115，L2＝0.0517×10-9H，d20＝3×10-4及k＝30，L0＝L×m和L00＝L×(1-m)。
C2(U)＝C20/(1+(U/U0)2)，而d2(U)＝d20(1+k·(U/U0)2)。
圖6A說明了C2(U)對所施加電壓U的依賴性，而圖6B說明了d2(U)對所施加偏壓的依賴性。第一共振器的輸入阻抗由下式給出
Z1(f)=iω(f)·L00+1012iω(f)·C1(1+i·d1)]]>而第二共振器的輸入阻抗由下式給出Z2(f,U)=i·ω(f)·L2+1012iω(f)·C2(U)(1+i·d2(U))]]>因此，等效電路的輸入阻抗就是Z(f,U)=[1iω(f)L0+1Z1(f)+[iω(f)·C10-12+Z2(f,U)(-1)]-1]-1]]>圖7A說明了施加0電壓時輸入阻抗的實部和虛部。相應地，圖7B、7C分別說明了施加100V和200V偏壓時該阻抗的實部和虛部。如從圖中可以看到的，對于0偏壓共振頻率是大約2459.4MHz，對于100V偏壓是大約2509.3MHz，而對于200V偏壓是大約2530.9MHz。100V和200V偏壓的頻率偏移ΔF分別是49.9MHz和71.5MHz。在給定的施壓范圍內，鐵電可調諧襯底材料的損耗因子將改變大約30倍。但是，總的品質因子變化不會大于大約±30％。如果共振器的頻段是大約0.5MHz，則共振器的品質因子將是ΔF/Δf≈71.5/0.5≈140。但是應當清楚，包括圖6A、6B、7A、7B、7C只是為了說明和示意。
圖8A示出了如圖4所示包括一圓盤共振器的第一共振器1A的一種特定實例。它包括一個不可調諧的高質量線性襯底11A、可以是例如超導甚至高溫超導的第一導電電極12A、及例如大于襯底11A和第一電極12A的第二電極13A。它也可以與第一電極12A有相同的尺寸。第二電極板13A為圖8B中的第一共振器1A和第二共振器2A充當公共接地平面。公共接地平面13A包括將第一共振器1A和第二共振器2A彼此耦合的耦合裝置5A。
第二共振器2A包括位于由例如STO制成的鐵電襯底上的第一電極22A，該共振器是非線性的且具有(非常)高的介電常數。包括具有連接導線的可變電源V03的偏壓裝置連接到公共接地平面13A及第二共振器2A的第一電極板22A。優選地，TM020模式是通過輸入耦合裝置(該圖中未示出)來激發的。耦合裝置5A可以包括一個圓形或橢圓形的槽，根據施加到第二共振器2A的偏壓，電磁能可以通過該槽從第二共振器2A重新分配到第一共振器1A。
圖9A、9B以與圖8A、8B相似的方式說明了一起構成另一種共振器裝置的第一共振器1B(圖9A)和第二共振器2B(圖9B)，其中第一和第二共振器1B、2B是方形的。與前面的實施方案相似，第一共振器1B包括不可調諧，如由LaAlO3制成的，高質量線性材料，而第二共振器2B包括由例如STO制成的可調諧鐵電材料。第一共振器1B包括可于圖8A該電極板類似的第一電極板12B，區別在于它是方形的，但是如圖所示，它還可以包括一非常薄(薄是為了不影響表面阻抗)的超導層12B1，在襯底另一側該超導層被例如金、銀、銅或用于保護的相似材料制成的超導高導電薄膜12B2所覆蓋。特別地，該超導薄膜是高溫超導的，例如由YBCO制成。
以一種對應的方式，第二共振器2B包括具有被非超導金屬層22B2覆蓋的(高溫)超導層22B1的第一電極板22B。與前面的實施方案相似，第一和第二共振器1B、2B包括公共接地平面，該公共接地平面構成兩個共振器的第二電極板13B，在該特定的實現中，第二電極板13B包括在另一側被非常薄的非超導金屬層13B2、13B3覆蓋的(高溫)超導層13B1。可選地，接地平面只包括超導層。偏壓施加到第二共振器2B的第一和第二電極22B、13B之間，然后電磁能就可以通過耦合裝置5B重新分配到第一共振器1B，在這里耦合裝置5B包括一個矩形槽。應當清楚，耦合裝置不一定必須是矩形槽，只要對所關心模式考慮到了電磁能的傳輸，它可以是任何能夠給出期望屬性的孔。例如，它也可以是圓形或橢圓形的。此外，電極可以只包括普通金屬。
此發明概念也適用于雙模工作的共振器、振蕩器、濾波器，由此以不同方式提供如在本文引用參考的專利申請“Tunable MicrowaveDevices”中公開的雙模操作。
圖10為了說明示出了一種雙模共振器裝置非常簡化的頂視圖，該裝置包括輸入4Cin、輸出4Cout耦合裝置和提供耦合使能雙模操作的突起部分6。雙模操作共振器裝置還可以矩形共振器或以其它適當方式提供。用于在第一和第二共振器之間耦合的耦合槽用虛線圈來說明。
參看圖11，在一種實現中，該發明概念擴展到可調濾波器100。假定提供了兩個共振器裝置10D、10E，分別包括第一共振器1D、1E和第二共振器2D、2E，第一共振器和第二共振器共用公共接地平面13F。在該實施方案中，第一共振器1D、1E包括公共襯底11C。可選地也可以是獨立襯底。共振器裝置之間的距離給出了濾波器的耦合強度。例如可以假定共振器裝置包括如圖4-8中所描述的圓盤共振器或任何其它可選類型的共振器，最主要的是在此所討論的兩個共振器裝置是用來提供可調兩極濾波器的。每個共振器裝置共振器之間的耦合是通過耦合裝置5D、5E來提供的。通過使用可調圓盤共振器，功率控制能力將比使用薄膜共振器的要高。輸入、輸出耦合裝置在此圖中未做說明。
圖12說明了圖11中由傳輸線段連接的兩極濾波器100的等效電路。圖中說明第一共振器裝置10D具有對應于第一不可調共振器1D的電阻R1D和電容C1D，而可調共振器2D包括電阻R2D和電容C2D，這兩個共振器是通過由電容器C04表示的耦合裝置耦合的。圖中對共振器電感L04、L004；L05、L005的說明參考前面對圖6A、6B、7A、7B的解釋。連接到第一共振器裝置的是包括第一共振器1E、第二共振器2E和對應于耦合裝置5E的耦合電容器C05的第二共振器裝置10E，第一共振器1E和第二共振器2E分別具有不可調諧和可調諧的元件電阻R1E、C1E和R2E、C2E。假定兩極濾波器是由傳輸線段連接的。在示意圖中，外部線的特征阻抗Z0＝50Ω，耦合線的特征阻抗Z01＝45Ω，耦合線在中心頻率處的電長度是80°。
圖13A、13B示出了圖10可調兩極濾波器的模擬線。單位為dB的插入損耗和回波損耗對應于偏壓傳輸率T和反射。對于三個不同值的偏置電壓V給出Γ。在圖13A中，T1對應于0偏壓處作為頻率函數的傳輸率，T2對應于100V偏壓處作為單位為GHz的頻率函數的傳輸率，而T3是200V偏壓處作為頻率函數的傳輸率。相應地，圖13B中示出0V、100V、200V偏壓時的反射率Γ1、Γ2、Γ3。可以看到，即使在較高的偏壓下，插入損耗和回波損耗也可以維持。平均帶寬是15MHz，而可調諧范圍是大約70MHz，其插入損耗≈0.5dB。第二共振器鐵電材料顯著增加的損耗因子在很大程度上通過應用本發明的概念得到了補償。
應當清楚，在不背離附加權利要求范圍的前提下，該發明概念可以很多種不同的方式變化。特別地，共振器可以是其它的不同形狀，它們可以包括前面討論過的不同襯底材料，它們可以包括非超導或尤其是(高溫)超導電極等。它們還可以單模工作或雙模工作，而且任何適當類型的耦合裝置都可以用于電磁能的耦合來激發期望的模式，即所選定的模式，尤其是TM020模式。但是，也可以適當的方式選擇任何其它模式。
還可以使用該概念建立不同類型的濾波器，帶通濾波器及帶阻濾波器等。
權利要求
1.一種可調共振裝置，包括共振器裝置(10；100)、用于將電磁能耦合進/耦合出該共振器裝置的輸入/輸出耦合裝置(4；4Cin，4Cout)、及將偏壓/電場施加到該共振器裝置的調諧裝置(3)，特征在于該共振器裝置包括第一共振器(1；1A；1B；1C；1D；1E)和第二共振器(2；2A；2B；2D；2E)，所述第一共振器是不可調諧的，而所述第二共振器是可調諧的且包括鐵電襯底(21)，所述第一和第二共振器是由該第一和第二共振器共用的接地平面(13；13A；13B；13F)隔開的，提供耦合裝置(5；5A；5B；5C；5D；5E)來提供所述第一和第二共振器之間的耦合，特征還在于為了調諧該共振器裝置，偏壓/電場施加到第二共振器(2；2A；2B；2D；2E)。
2.根據權利要求1的可調共振裝置，特征在于第一共振器(1；1A；1B；1C；1D；1E)是圓盤共振器或平行板共振器。
3.根據權利要求1或2的可調共振裝置，特征在于第二共振器(2；2A；2B；2D；2E)是圓盤共振器或平行板共振器。
4.根據權利要求2或3的可調共振裝置，特征在于第一共振器包括絕緣襯底(11；11A；11B；11C)，其介電常數基本上不會隨所施加的偏壓變化，該襯底位于第一和第二電極之間，還在于第一共振器的第二電極構成接地平面。
5.根據權利要求4的可調共振裝置，特征在于第一共振器的絕緣襯底(11；11A；11B；11C)包括LaAlO3、MgO、NdGaO3、Al2O3、藍寶石或具有相似屬性的材料。
6.根據權利要求4或5的可調共振裝置，特征在于第一共振器(1；1A；1B；1C；1D；1E)具有高品質因子(Q)，例如105-5·105。
7.根據權利要求4-6任何一項的可調共振裝置，特征在于第二共振器(2；2A；2B；2D；2E)包括可調鐵電襯底和第一(22；22A；22B)及第二電極(13；13A；13B；13F)，還在于第二共振器的第二電極構成公共接地平面，從而與第一共振器的第二電極是共同的。
8.根據權利要求7的可調共振裝置，特征在于第二共振器的鐵電襯底(21；21A；21B)包括SrTiO3、KTaO3、BaSTO3或具有相似屬性的材料。
9.根據權利要求4-8任何一項的可調共振裝置，特征在于第一和第二電極，即第一電極和公共接地平面，包括普通非超導金屬，例如金、銀、銅。
10.根據權利要求4-8任何一項的可調共振裝置，特征在于第一和第二電極，即第一電極和公共接地平面，包括超導材料。
11.根據權利要求4-8或10任何一項的可調共振裝置，特征在于第一和第二電極，即第一電極和公共接地平面，包括高溫超導材料(HTS)，例如YBCO。
12.根據前面任何一項權利要求的可調共振裝置，特征在于當調諧(偏置)電壓施加到所述第二共振器(2；2A；2B；2D；2E)時，電磁能(EM)將通過耦合裝置(5；5A；5B；5C；5D；5E)重新在第二和第一共振器之間分配。
13.根據權利要求12的可調共振裝置，特征在于電磁能的分配依賴于偏壓。
14.根據權利要求13的可調共振裝置，特征在于從第二共振器到第一共振器的電磁能傳輸隨偏壓的增加而增加。
15.根據權利要求10、13或14的可調共振裝置，特征在于第二共振器的共振頻率和損耗角正切隨所施加偏壓的增加而增加，還在于從第二共振器到第一共振器的電磁能傳輸也增加，自動對第二共振器增加的損耗角正切進行補償，從而減小其對耦合共振器裝置的影響。
16.根據權利要求1的可調共振裝置，特征在于第一和第二共振器包括薄膜襯底。
17.根據前面任何一項權利要求的可調共振裝置，特征在于它包括至少兩個共振器裝置，還在于公共接地平面(13；13A；13B；13F)對構成可調濾波器(100)的至少兩個共振器裝置是共用的。
18.根據前面任何一項權利要求的可調共振裝置，特征在于對于每個共振器裝置，耦合裝置都包括公共接地平面中的一個槽或孔(5；5A；5B；5C；5D；5E)。
19.根據前面任何一項權利要求的可調共振裝置，特征在于每個共振器都是圓形、方形、矩形或橢圓形的。
20.根據權利要求19的可調共振裝置，特征在于它包括一個雙模共振器裝置，還在于每個共振器都包括一個支持雙模操作的突起(6)、斷流器或pertubation。
21.一種可調共振器裝置，特征在于它包括第一共振器和第二共振器，所述第一共振器是不可調諧的，而所述第二共振器是可調諧鐵電共振器，所述第一和第二共振器是由該第一和第二共振器共用的接地平面隔開的，提供耦合裝置來提供所述第一和第二共振器之間的耦合，還在于為了調諧該共振器裝置，一個偏壓施加到第二共振器。
22.根據權利要求21的可調共振器裝置，特征在于第一共振器和第二共振器包括平行板共振器，公共接地平面是由第一共振器的第二電極板和第二共振器的第二電極板構成的，還在于耦合裝置包括公共接地平面中的一個槽或孔。
23.根據權利要求22的可調共振器裝置，特征在于第一共振器包括由LaAlO3、MgO、NdGaO3、Al2O3、藍寶石或具有相似屬性材料制成的大塊或薄膜襯底，還在于第二共振器包括由SrTiO3、KTaO3或具有相似屬性材料制成的大塊或薄膜襯底，所述電極板包括普通金屬或(高溫)超導體。
24.一種調諧共振器裝置的方法，特征在于它包括以下步驟-提供第一不可調共振器，-提供第二可調共振器，從而第一和第二共振器由公共接地平面隔開并共享該公共接地平面，-在所述公共接地平面中提供耦合裝置，使第一和第二共振器相耦合，以允許第一和第二共振器之間的電磁能傳輸，-向所述第二共振器施加偏置/調諧電壓，增加第二共振器的共振頻率、損耗角正切，及向第一共振器的電磁能傳輸，-優化偏壓的施加，使可以通過增加向第一共振器的電磁能傳輸來補償第一共振器中增加的損耗角正切對耦合共振器裝置的影響。
25.權利要求24的方法，特征在于第一共振器和第二共振器包括圓盤或平行板共振器，公共接地平面是由第一共振器的第二電極板和第二共振器的第二電極板構成的，還在于耦合裝置包括公共接地平面中的一個槽或孔。
26.權利要求24-25任何一項中的方法，特征在于第一共振器包括由LaAlO3、MgO、NdGaO3、Al2O3、藍寶石或具有相似屬性材料制成的大塊或薄膜襯底，還在于第二共振器包括由SrTiO3、KTaO3或具有相似屬性材料制成的大塊或薄膜襯底，所述電極板包括普通金屬或(高溫)超導體。
27.權利要求24-26任何一項中的方法，特征在于它包括步驟-將兩個或多個共振器裝置耦合，從而提供一個濾波器，-優化對應第一和第二共振器之間的耦合，從而可以降低鐵電襯底中由于增加偏壓而產生的增加的損耗因子。
全文摘要
本發明涉及一種可調共振裝置，包括共振器裝置(10)、用于將電磁能耦合進/耦合出該共振器裝置的輸入/輸出耦合裝置(4)、及將偏壓/電場施加到該共振器裝置的調諧設備(3)。該共振器裝置包括第一共振器(1)和第二共振器(2)。所述第一共振器是不可調諧的，而所述第二共振器是可調諧的并包括鐵電襯底(21)。所述第一和第二共振器是由該第一和第二共振器共用的接地平面(13)隔開的，提供耦合裝置來提供所述第一和第二共振器之間的耦合。為了調諧該共振器裝置，將偏壓/電場施加到第二共振器(2)。
文檔編號H01P1/20GK1545747SQ02816279
公開日2004年11月10日 申請日期2002年8月16日 優先權日2001年8月22日
發明者S·格沃爾吉安, A·德倫尼夫, O·文蒂克, E·科爾貝里, E·維克博里, S 格沃爾吉安, 倏, 啄岱, 瞬├, 蠢 申請人:艾利森電話股份有限公司