Переключаемый планарный высокочастотный резонатор (варианты) и фильтр

 

Предложен планарный резонатор из сверхпроводников, эффективные боковые размеры которого изменяются за счет того, что часть сверхпроводника может быть переключена в нормальнопроводящее состояние. Технический результат заключается в том, что переключаемые таким образом фильтры могут быть реализованы с очень низкими конструктивными затратами. Поскольку в пространстве действия поля не требуются помеховые тела, изобретение относится к переключаемым фильтрам с низкими высокочастотными потерями. 3 с. и 4 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к переключаемому планарному высокочастотному резонатору и к планарному высокочастотному фильтру на его основе.

Из WO 93/00720 уже известен планарный высокочастотный резонатор, выполненный в виде состоящей из высокотемпературного сверхпроводника на подложке микроструктуры, на которую наклеена пластинка из арсенида галлия. При облучении светом проводимость арсенида галлия повышается на несколько порядков, в результате чего можно изменять эффективную диэлектрическую функцию окружения резонатора, и тем самым его резонансные свойства. При смещении собственной частоты резонатора за пределы падающего высокочастотного спектра или при ее чрезмерном демпфировании фильтр с таким резонатором выключается.

В WO 94/28592 описан настраиваемый полосовой фильтр, выполненный на основе микрополосковых линий. При этом несколько изготовленных из высокотемпературного сверхпроводника резонаторов вместе с входным и выходным проводниками размещены в комплексной многослойной подложке. Эта многослойная подложка включает в себя основу и сегнетоэлектрический или антисегнетоэлектрический слой, а также несколько необходимых буферных слоев. К сегнетоэлектрическому или антисегнетоэлектрическому слою прикладывают электрическое поле, которое изменяет диэлектрическую функцию этого сегнетоэлектрического или антисегнетоэлектрического слоя, в результате чего изменяется также эффективная диэлектрическая функция окружения. За счет изменения реальной доли эффективной диэлектрической функции собственная частота всех резонаторов в фильтре смещается приблизительно равномерно; выполненный с помощью этих резонаторов фильтр является, таким образом, настраиваемым или также переключаемым, если диапазон настройки выбран достаточно широким.

Другой метод рассогласования резонаторов описан в отчетах Союза немецких инженеров (VDI - Fortschrittsberichten), серия 9, стр. 189, 1994 г. При этом помеховые тела с самыми разными диэлектрическими свойствами помещают посредством механических устройств перемещения в пространство действия поля над резонатором. За счет изменения места помеховых тел, неизменных по своим диэлектрическим свойствам, достигается также незначительное изменение эффективной диэлектрической функции окружения полосковой линии. Этот метод применяется чаще для подстройки или калибровки фильтрующих элементов, чем для нанамической регулировки или в качестве выключателя.

В US N 5496795 описан переключаемый планарный высокочастотный резонатор, содержащий нанесенную на подложку сверхпроводящую микроструктуру, геометрия которой определяет резонансные свойства резонатора, в частности положение и ширину резонанса, а также средства, выполненные с возможностью приведения заданной части резонатора в нормальнопроводящее состояние. В этом патенте раскрыт также планарный высокочастотный фильтр, в котором на подложке расположены по меньшей мере один вход, по меньшей мере один выход и по меньшей мере один переключаемый планарный высокочастотный резонатор на основе сверхпроводящей структуры.

В основе изобретения лежит задача создать резонатор, который имеет по сравнению с известным то преимущество, что его можно оптимизировать до более высоких значений качества, поскольку он выполнен с возможностью переключения без повышающих потери помеховых тел. Еще одной задачей изобретения является возможность его изготовления с небольшими конструктивными затратами и небольшим числом операций, которые, кроме того, полностью совместимы с методами создания стандартных микроструктур.

Поставленные задачи решаются согласно изобретению при создании переключаемого планарного высокочастотного резонатора, содержащего нанесенную на подложку сверхпроводящую микроструктуру, геометрия которой определяет резонансные свойства резонатора, в частности положение и ширину резонанса, и средства, выполненные с возможностью приведения заданной части резонатора в нормальнопроводящее состояние, при этом для части, приводимой в нормальнопроводящее состояние, в сверхпроводящей микроструктуре примерно перпендикулярно ее краю размещен по меньшей мере один контакт Джозефсона, причем контакт Джозефсона закрывает локальную нарушенную зону кристаллической структуры подложки.

Целесообразно сверхпроводящую микроструктуру выполнить из купрата.

Целесообразно также в предложенном резонаторе предусмотреть электрический проводник, отделенный от контакта Джозефсона изолирующим слоем, чтобы за счет протекания тока через проводник создать магнитное поле с составляющей, параллельной контакту Джозефсона.

В одном из предпочтительных вариантов выполнения переключаемый планарный высокочастотный резонатор содержит нанесенную на подложку сверхпроводящую микроструктуру, геометрия которой определяет резонансные свойства резонатора, в частности, положение и ширину резонанса, и средства, выполненные с возможностью приведения заданной части резонатора в нормальнопроводящее состояние, при этом сверхпроводящая микроструктура состоит по меньшей мере из двух зон с разными критическими температурами и предусмотрено устройство для изменения температуры резонатора.

В этом примере выполнения резонатора зоны могут быть реализованы за счет разной кристаллографической неупорядоченности.

В другом примере выполнения резонатора зоны могут быть реализованы за счет изменений в стехиометрии, в частности изменений в локальном содержании кислорода.

Поставленные задачи решаются также с помощью предложенного планарного высокочастотного фильтра, на подложке которого в соответствии с изобретением расположены по меньшей мере один вход, по меньшей мере один выход и по меньшей мере один резонатор вышеописанного типа.

Особенно предпочтительно использование в качестве сверхпроводящего материала купрата, поскольку эти материалы обеспечивают очень простое регулирование критической температуры за счет изменения кислородной стехиометрии.

Оснащение резонатора на краю контактами Джозефсона, расположенными перпендикулярно высокочастотному электрическому току, особенно предпочтительно, поскольку эти переключатели в значительной степени невосприимчивы к космическому излучению. В качестве другого преимущества следует усматривать то, что при последовательном включении контактов Джозефсона отдельный дефектный контакт остается без последствий. Это повышает надежность к отказам при работе и уменьшает процент брака в производстве.

Выполняя контакты Джозефсона посредством целенаправленно записанного на подложку нарушения, требуется лишь одна-единственная дополнительная операция, что является дополнительным преимуществом предложенного резонатора.

Помимо этого предпочтительно нанести на сверхпроводящий слой диэлектрический слой и создающий магнитное поле проводник, поскольку диэлектрический слой может служить одновременно защитным слоем для сверхпроводника.

Кроме того, предпочтительно выполнить в резонансной структуре зоны разной критической температуры, поскольку с их помощью резонатор может быть точно настроен, а также включен.

Преимущество предложенного резонатора еще заключается в том, что реализовать эти зоны разной критической температуры в резонансной структуре можно за счет кристаллографической неупорядоченности в сверхпроводящей пленке, поскольку с помощью сверхпроводящей микроструктуры в качестве исходного материала можно изготовить серию различных резонаторов.

Наконец, еще одним преимуществом предложенного резонатора является возможность реализовать различные критические температуры в сверхпроводящей микроструктуре за счет изменения содержания кислорода в сверхпроводящей пленке, поскольку этот метод позволяет точно контролировать температуры перехода на измененных участках и в то же время поддерживать на низком уровне высокочастотные потери.

Далее изобретение поясняется описанием примеров выполнения и чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 - планарный полосовой фильтр, выполненный техникой микрополосковых линий и состоящий из пяти резонаторов; на фиг. 2a - вид сверху на резонатор с контактами Джозефсона; на фиг. 2b - вид сбоку резонатора в разрезе, на фиг. 3 - резонатор с зонами разной критической температуры на виде сверху; на фиг. 4, a - вид сбоку резонатора на фиг. 3 в разрезе с дополнительно выполненным резистивным нагревом; на фиг. 4, b - вид сбоку резонатора на фиг. 3 в разрезе с дополнительно нанесенной на него микроструктурой для изотермализации и нагрева резонатора; на фиг. 4, c - вид сбоку резонатора на фиг. 3 в разрезе с двумя дополнительно нанесенными на него микроструктурами для охлаждения Пельтье и нагрева; на фиг. 5 - фильтр, смонтированный в корпусе с регулированием температуры.

На фиг. 1 изображен планарный полосовой фильтр. Для наглядности его корпус не показан. На нижней стороне диэлектрической подложки 20 находится неструктурированный тонкий слой высокотемпературного сверхпроводника, служащий проводником 30 заземления. На верхней стороне подложки 20 находятся пять косо расположенных рядом друг с другом прямоугольных сверхпроводниковых микроструктур, образующих резонаторы 11, подробно изображенные на следующих фигурах. Также на верхней стороне подложки 20 рядом с резонаторами 11 предусмотрены вход 13 с емкостной связью и выход 14 с емкостной связью из высокотемпературного сверхпроводника.

Для обеспечения эпитаксиального роста высокотемпературных сверхпроводящих пленок, из которых изготовляют сверхпроводящие микроструктуры, и поддержания на низком уровне высокочастотных потерь предпочтительно использовать монокристаллическую подложку 20. Толщина высокотемпературных сверхпроводящих пленок ограничена согласно уровню техники приблизительно однако для показанного здесь применения она некритическая.

В данном контексте слово "сверхпроводящий" является синонимом выражения "находящийся в сверхпроводящем состоянии", причем выражение "сверхпроводящее состояние" однозначно охарактеризовано для специалиста эффектом Мейснера и исчезающим омическим сопротивлением. В противоположность этому слово "сверхпроводник" обозначает материал, который при достаточном охлаждении может стать сверхпроводящим, даже если он находится в нормальнопроводящем (не сверхпроводящем) состоянии.

Поступающий микроволновый или миллиметровый сигнал 12 отражается резонаторами 11, если его частота не совпадает с их резонансной частотой. В противном случае он передается, причем большая часть распространения волн происходит в диэлектрической подложке 20. Резонансная частота отдельного резонатора определяется, в первую очередь, его боковыми размерами и эффективной диэлектрической функцией окружающей резонатор среды. Отфильтрованный сигнал 15 попадает на выход 14 с емкостной связью.

Отдельный резонатор 11 согласно изобретению на диэлектрической подложке 20 изображен на фиг. 2a на виде сверху, причем те же ссылочные позиции, что и на фиг. 1, обозначают те же или функционально одинаковые компоненты. Приблизительно перпендикулярно наружным кромкам резонатора 11 в нем находятся несколько контактов 50 Джозефсона, схематично обозначенных здесь штрихами. В данном примере каждый контакт 50 Джозефсона проходит приблизительно по трети длины резонатора 11. В зоне контактов 50 Джозефсона на резонаторе 11 приблизительно параллельно его наружным кромкам расположен управляющий проводник 70, на концах которого находятся достаточно удаленные от резонаторов 11 контактные дорожки 80. Между резонатором 11 и управляющим проводником 70 нанесен тонкий изолирующий слой 60 для электрической изоляции резонатора от управляющего проводника. Штрихпунктирная линия на фиг. 2a обозначает линию разреза.

На фиг. 2b в разрезе изображен вид сбоку резонатора из фиг. 2a вдоль показанной на фиг. 2a линии разреза. Те же ссылочные позиции обозначают, как и на предыдущих фигурах, те же или функционально одинаковые компоненты. На подложке 20 расположен резонатор 11, в котором приблизительно перпендикулярно его краю находятся контакты 50 Джозефсона. Под ними в подложке расположены линейные структуры с повышенной неупорядочностью (кристаллографически нарушенные участки), называемые ниже из-за своей формы при виде сверху также линейными нарушениями 90 в подложке 20. На резонаторе 11 находится отделенный от него изолирующим слоем 60 управляющий проводник 70.

Если через управляющий проводник 70 протекает ток, то он окружен магнитным полем, обозначенным на фиг. 2b силовыми линиями 100. При подходяще выбранном магнитном поле контакты 50 Джозефсона блокированы для сверхпроводящего носителя заряда, и размеры сверхпроводящего резонатора, тем самым, уменьшены. В данном примере резонатор укорачивается примерно на коэффициент 3 так, что его собственная частота утраивается. Это сильное рассогласование подобно отключению, если новая резонансная частота лежит вне спектра входного сигнала. Благодаря по разному рассчитанным контактам Джозефсона можно таким образом реализовать многопозиционный переключатель, переключающийся между несколькими резонансными частотами.

Способ изготовления названных выше контактов Джозефсона в купратах состоит в том, чтобы линейные нарушения 90 в подложке, например, записанные фокусированным ионным лучом, выполнять до нанесения сверхпроводящего слоя. Выращенная на такой подложке сверхпроводящая пленка имеет тонкую непроводящую стенку из сильно нарушенного сверхпроводящего материала, действующую в качестве контакта Джозефсона. Следует обратить внимание на то, что у сверхпроводников, имеющих большую длину когерентности, для получения контакта Джозефсона необходимо также создание нарушения большей площади.

Другой пример выполнения изобретения изображен при виде сверху на фиг. 3, где резонатор 11 разделен на три зоны с разной критической температурой. В данном примере резонатор 11 изготовлен из иттрий-бариевого купрата. Критическая температура составляет 90 К в зоне 111, 85 К в зоне 112 и 80 К в зоне 113.

На фиг. 4, a изображено сечение резонатора вдоль штрихпунктирной линии на фиг. 3. Те же или функционально одинаковые компоненты обозначены теми же ссылочными позициями. На нижней стороне подложки 20 находится слой 30 из иттрий-бариевого купрата, на который нанесены тонкий изолирующий слой 200 и проводящий слой 201. Изолирующий слой 200 должен быть совместим со сверхпроводником и может состоять, например, из оксида циркония, а проводящий слой 201 должен состоять из несверхпроводящего металла. На подложке 20 находится изображенный на фиг. 3 резонатор 11 с тремя, зонами 111, 112, 113 разной температуры перехода. Средняя зона называется также "сердцевинная зона", а обе внешние зоны называются общим понятием "краевые зоны".

Резонатор с такими свойствами может быть изготовлен по меньшей мере двумя путями. При первом способе за счет ионной бомбардировки сверхпроводящей пленки до или после микроструктурирования повышают неупорядоченность в сверхпроводнике, здесь иттрий-бариевом купрате. Этим способом можно установить любую нужную температуру перехода. Очень низкие температуры перехода связаны, однако, с высокими потерями и поэтому нежелательны для фильтров с высоким значением ρ. Другой способ состоит в уменьшении содержания материала, за счет чего также можно установить любую критическую температуру без повышения потерь. Пространственно ограниченное уменьшение содержания кислорода достигается, например, за счет локального нагрева лазерным лучом в восстановительной атмосфере (обычно в аргоне или вакууме).

Резонансные свойства резонатора на фиг. 3 могут за счет изменения температуры переключаться трехступенчато. При работе фильтра при 77 К (температура кипения азота) весь резонатор активный. На фиг. 4, a-с позицией 201 обозначен проводник, служащий резистивным нагревателем. При приложении напряжения к проводнику 201 через него протекает ток, нагревающий фильтр. При повышении рабочей температуры до 89 К его резонансная частота удваивается, поскольку длина сверхпроводящего сегмента уменьшается наполовину.

Если в качестве базовой рабочей температуры предусмотрено 77 К, то достаточно резистивного нагрева. Следует, однако, принять во внимание, что краевые зоны 113 и 112 должны быть нормальнопроводящими, прежде чем проводник 30 заземления и сердцевинная зона 111 резонатора 11 станут нормальнопроводящими. Поэтому подложка 20 должна быть либо достаточно хорошо теплопроводящей, либо достаточно тонкой.

Другая возможность реализации резистивного нагрева изображена на фиг. 4, b, где проводник 201, электрически изолированный тонким изолирующим слоем 200, нанесен на верхнюю сторону резонатора.

Также можно было бы снабдить нагревом только зоны 113 и 114 для уменьшения теплоемкости фильтра и поддержания на низком уровне его высокочастотных потерь, как это изображено на фиг. 4, c. В любом случае следует учесть, что изолирующий слой 200 имеет достаточно высокую теплопроводность и что сердцевинная зона 111 не становится нормальнопроводящей прежде краевых зон 113 и 112. Такая изотермализация достигается, как правило, уже за счет теплопроводности через металлический слой 201.

Если базовая рабочая температура выше самой низкой критической температуры в конструктивном элементе, то нагрева для установки температуры недостаточно и необходимо предусмотреть дополнительное охлаждение. Оно может часто функционировать по принципу Пельтье так, что резистивный нагрев на описанных выше фигурах необходимо лишь заменить двумя разными, накладывающимися друг на друга слоями. Наконец, другая возможность решения состоит в том, чтобы снабдить нагревом и/или охлаждением корпус для такого фильтра. Пример такого регулирования изображен на фиг. 5. Планарный фильтр, состоящий из резонатора 11, выхода 14 и входа (не показан) на подложке 20, а также проводника 30 заземления, находится в изображенном в разрезе корпусе 300. Для упрощения изображения здесь в качестве корпуса представлен прямоугольный параллелепипед, у которого все конструктивные элементы отсутствуют. Резонаторы выполнены по образцу фиг. 3. В корпусе размещен нагреватель 301 Пельтье, который может нагревать и охлаждать, а тем самым включать и выключать весь фильтр. Другие возможности регулирования температуры являются очевидными для специалиста.

Формула изобретения

1. Переключаемый планарный высокочастотный резонатор, содержащий нанесенную на подложку сверхпроводящую микроструктуру, геометрия которой определяет резонансные свойства резонатора, в частности положение и ширину резонанса, и средства, выполненные с возможностью приведения заданной части резонатора в нормальнопроводящее состояние, при этом для части, приводимой в нормальнопроводящее состояние, в сверхпроводящей микроструктуре примерно перпендикулярно ее краю размещен по меньшей мере один контакт Джозефсона, причем контакт Джозефсона закрывает локальную нарушенную зону кристаллической структуры подложки.

2. Резонатор по п. 1, отличающийся тем, что сверхпроводящая микроструктура выполнена из купрата.

3. Резонатор по одному из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что предусмотрен электрический проводник, отделенный от контакта Джозефсона изолирующим слоем, при этом за счет протекания тока через проводник создается магнитное поле с составляющей, параллельной контакту Джозефсона.

4. Переключаемый планарный высокочастотный резонатор, содержащий нанесенную на подложку сверхпроводящую микроструктуру, геометрия которой определяет резонансные свойства резонатора, в частности, положение и ширину резонанса, и средства, выполненные с возможностью приведения заданной части резонатора в нормальнопроводящее состояние, при этом сверхпроводящая микроструктура состоит по меньшей мере из двух зон с разными критическими температурами, причем предусмотрено устройство для изменения температуры резонатора.

5. Резонатор по п. 4, отличающийся тем, что зоны реализованы за счет разной кристаллографической неупорядоченности.

6. Резонатор по п. 4, отличающийся тем, что зоны реализованы за счет изменений в стехиометрии, в частности изменений в локальном содержании кислорода.

7. Планарный высокочастотный фильтр, отличающийся тем, что на подложке расположены по меньшей мере один вход, по меньшей мере один выход и по меньшей мере один резонатор по одному из предыдущих пунктов.

РИСУНКИ

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