Высокодобротный контур высокочастотного диапазона

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться при конструировании высокодобротных фильтров и резонаторов. Техническим результатом является создание высокодобротного перестраиваемого контура на основе высокотемпературных сверхпроводящих проводников (ВТСП), обеспечивающего работу в ВЧ диапазоне. Устройство содержит две диэлектрические пластины, на поверхности которых, обращенные одна к другой, нанесены плоские спирали и емкостные площадки, выполненные из ВТСП, входной и выходной элементы связи, индуктивно связанные с плоскими спиралями, которые выполнены идентичными и имеют противоположное по отношению друг к другу направление закрутки. Диэлектрические пластины установлены с возможностью изменения их взаимного положения. Входной и выходной элементы связи выполнены в виде индуктивных петель, установленных с возможностью продольного и поперечного перемещения относительно плоских спиралей. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться при конструировании высокодобротных фильтров и резонаторов.

Известна конструкция высокодобротного контура на сосредоточенных элементах, выполненных из высокотемпературного сверхпроводящего материала. Контур состоит из диэлектрической подложки, на которой размещена катушка индуктивности, конденсаторов, подключенных к концам катушки индуктивности. Такой контур обеспечивает работу в частотной области порядка 1 гГц и имеет добротность 10³ и выше [1].

Однако данная конструкция не позволяет создавать контуры с добротностью до 10⁵ в более низкочастотной области, в частности в высокочастотном диапазоне (ВЧ), из-за технологических трудностей, связанных с необходимостью создания катушек с индуктивностью в сотни микрогенри и более, минимизацией сопротивлений соединительных контактов и потерь в диэлектрике. Данная конструкция также, не обеспечивает возможность перестройки в широкой полосе частот ВЧ диапазона при сохранении высокой добротности во всей полосе перестройки.

Известна также конструкция высокодобротного контура, обеспечивающего работу в высокочастотном диапазоне, содержащего две диэлектрические пластины, на поверхностях которых, обращенных одна к другой, нанесены плоские спирали из высокотемпературного сверхпроводника и емкостные площадки, подсоединенные соответственно к концам плоских спиралей, а также входной и выходной элементы связи, индуктивно связанные с плоскими спиралями, при этом между диэлектрическими пластинами размещена разделительная диэлектрическая пластина [2].

Недостатками такого контура являются невозможность перестройки, а также наличие дополнительных потерь в разделительной диэлектрической пластине.

Технической задачей данного изобретения является создание высокодобротного контура на основе высокотемпературных сверхпроводящих проводников (ВТСП), обеспечивающего работу в высокочастотном диапазоне, перестраиваемого по частоте и с перестраиваемой полосой частот при сохранении высокой добротности во всей полосе перестройки.

Поставленная задача решается тем, что в высокодобротном контуре ВЧ диапазона, содержащем две диэлектрические пластины, на поверхностях которых, обращенных одна к другой, нанесены плоские спирали и емкостные площадки, подсоединенные соответственно к концам плоских спиралей, входной и выходной элементы связи, индуктивно связанные с плоскими спиралями, при этом плоские спирали и емкостные площадки выполнены из высокотемпературного сверхпроводника, согласно изобретению плоские спирали выполнены идентичными и имеют противоположное по отношению друг к другу направление закрутки.

Диэлектрические пластины установлены с возможностью изменения расстояния между ними.

Кроме того, плоские спирали могут быть размещены соосно друг с другом, при этом диэлектрические пластины с плоскими спиралями установлены с возможностью взаимного вращения вокруг общей оси плоских спиралей.

Диэлектрические пластины могут быть также установлены с возможностью изменения угла между их плоскостями.

Входной и выходной элементы связи могут быть выполнены в виде индуктивных петель, образованных центральными проводниками соответствующих отрезков коаксиальных линий.

При этом индуктивные петли могут быть установлены с возможностью вращения вокруг оси центрального проводника коаксиальной линии, а также с возможностью продольного и поперечного перемещения относительно плоских спиралей.

К внешним сторонам диэлектрических пластин прикреплены соответствующие диэлектрические штанги.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена конструкция высокодобротного контура ВЧ диапазона; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез по Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - эквивалентная схема высокодобротного контура ВЧ диапазона; на фиг. 5, 6 - приведены экспериментальные зависимости, поясняющие работу устройства.

Высокодобротный контур ВЧ диапазона содержит две диэлектрические пластины 1, 2, на поверхностях 3, 4 которых, обращенных одна к другой, нанесены соответственно плоские спирали 5, 6 и емкостные площадки 7, 8, 9, 10, подсоединенные соответственно к концам плоских спиралей 5, 6, входной и выходной элементы связи, индуктивно связанные с плоскими спиралями 5, 6, при этом плоские спирали 5, 6 и емкостные площадки 7, 8, 9, 10 выполнены из высокотемпературного сверхпроводника, плоские спирали 5, 6 выполнены идентичными и имеют противоположное по отношению друг к другу направление закрутки. Диэлектрические пластины 1, 2 могут быть установлены с возможностью изменения расстояния между ними и с возможностью изменения угла между их плоскостями. Кроме того, плоские спирали 5 и 6 могут быть размещены соосно друг с другом, при этом диэлектрические пластины с плоскими спиралями установлены с возможностью взаимного вращения вокруг общей оси 11 плоских спиралей. Входной и выходной элементы связи выполнены в виде индуктивных петель 12, 13, образованных центральными проводниками соответствующих отрезков коаксиальных линий 14, 15. Каждая из индуктивных петель 12, 13 установлена с возможностью вращения вокруг оси центрального проводника соответствующего отрезка коаксиальной линии, а также с возможностью продольного и поперечного перемещения относительно плоских спиралей 5 и 6.

К внешним сторонам диэлектрических пластин 1, 2 прикреплены соответствующие диэлектрические штанги 16, 17, с помощью которых можно осуществлять изменение расстояние между диэлектрическими пластинами и взаимное вращение пластин вокруг оси, перпендикулярной плоскости диэлектрических пластин.

Устройство работает следующим образом.

Эквивалентная схема устройства приведена на фиг. 4, где L₁ и L₂ индуктивности плоских спиралей 5, 6 соответственно, a C₁ и C₂ - емкости емкостных площадок 7, 9 и 8, 10 соответственно. Если изменять расстояние d между диэлектрическими пластинами 1 и 2, то будут изменяться и емкости C₁ и C₂ высокодобротного контура, что приведет к изменению его резонансной частоты от f₁ до f₂, где f₂ - частота контура, образованного одной из плоских спиралей 5 (или 6) и емкостными площадками 7, 8 (или 9, 10), a f₁ - частота контура, образованного двумя плоскими спиралями 5 и 6 и емкостными площадками 7, 8, 9 и 10, при расстоянии d между диэлектрическими пластинами 1 и 2, равном нулю. При этом необходимо отметить, что из-за свойств кристаллической структуры ВТСП проводимость в направлении, перпендикулярном поверхности диэлектрических пластин 1 и 2, практически равна нулю.

Диапазон перестройки данного устройства составляет: f₂/f₁ = 5-6. На фиг. 5 показана экспериментальная зависимость резонансной частоты высокодобротного контура от расстояния d между диэлектрическими пластинами. Отсутствие дополнительного диэлектрика в пространстве между диэлектрическими пластинами 1 и 2 приводит к существенному уменьшению диэлектрических потерь в устройстве, так как электрическое поле в такой структуре сконцентрировано, в основном, в пространстве между диэлектрическими пластинами 1 и 2.

Поэтому возможно получение высокой добротности контура и сохранение высокой добротности в большой полосе перестройки резонансной частоты контура. На фиг. 6 показана экспериментально измеренная зависимость добротности Q в полосе перестройки контура при изменении расстояния d.

Изменяя взаимное положение диэлектрических пластин 1 и 2 за счет вращения одной пластины относительно другой, или меняя угол между осями спиралей, можно изменять резонансную частоту контура, причем при изменении угла между осями спиралей - более плавно, чем при изменении расстояния d.

Входные и выходные цепи контура (на чертеже не показаны) связаны с плоскими спиралями с индуктивностями L₁ и L₂ через индуктивные петли 12 и 13 с индуктивностями L св.1 и L св.2, что также исключает дополнительные потери на контактных сопротивлениях при непосредственной (контактной) связи с контуром. Изменение связи можно осуществлять как за счет перемещения индуктивных петель 12 и 13 в двух взаимно перпендикулярных направлениях, так и за счет вращения отрезков коаксиальной линии вокруг своих осей. Изменение связи используется для изменения добротности контура.

Контур изготавливается следующим образом. На диэлектрические пластины наносятся ВТСП пленки в виде идентичных плоских спиралей и емкостных площадок. Затем пластины соединяются путем наложения одна на другую сторонами, на которые нанесены плоские спирали и емкостные площадки, таким образом, что емкостная площадка 7 накладывается на емкостную площадку 9, а емкостная площадка 8 накладывается на емкостную площадку 10. Суммарная индуктивность контура при близком расположении пластин и при преложенном направлении намоток спиралей увеличивается примерно в четыре раза из-за взаимоиндуктивности между двумя плоскими спиралями по сравнению с индуктивностью одной плоской спирали. Соответственно резонансная частота контура уменьшается примерно в два раза по сравнению с резонансной частотой контура с одной плоской спиралью.

Источники информации 1. Пат. США N 561877, кл. H 03 H 7/01, опубл. 1997 г.

2. IEEE Transactions on applied superconductivity, v. 3, N 1, March 1993, p. 2450-2453. (прототип).

Формула изобретения

1. Высокодобротный контур ВЧ диапазона, содержащий две диэлектрические пластины, на поверхности которых, обращенные одна к другой, нанесены плоские спирали и емкостные площадки, подсоединенные соответственно к концам плоских спиралей, входной и выходной элементы связи, индуктивно связанные с плоскими спиралями, при этом плоские спирали и емкостные площадки выполнены из высокотемпературного сверхпроводника, отличающийся тем, что плоские спирали выполнены идентичными, имеют противоположное по отношению друг к другу направление закрутки, а диэлектрические пластины установлены с возможностью изменения их взаимного положения.

2. Высокодобротный контур ВЧ диапазона по п.1, отличающийся тем, что диэлектрические пластины установлены с возможностью изменения расстояния между ними.

3. Высокодобротный контур ВЧ диапазона по п.1 или 2, отличающийся тем, что плоские спирали размещены соосно друг с другом, при этом диэлектрические пластины установлены с возможностью взаимного вращения вокруг оси плоских спиралей.

4. Высокодобротный контур ВЧ диапазона по п.1, отличающийся тем, что диэлектрические пластины установлены с возможностью изменения угла между их плоскостями.

5. Высокодобротный контур ВЧ диапазона по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что входной и выходной элементы связи выполнены в виде индуктивных петель, образованных центральными проводниками соответствующих отрезков коаксиальных линий.

6. Высокодобротный контур ВЧ диапазона по п.5, отличающийся тем, что индуктивные петли установлены с возможностью вращения вокруг оси центрального проводника отрезка коаксиальной линии и продольного и поперечного перемещения относительно плоских спиралей.

7. Высокодобротный контур ВЧ диапазона по п.2, или 3, или 4, отличающийся тем, что к внешним сторонам диэлектрических пластин прикреплены соответствующие диэлектрические штанги.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6