ПОЛОСКОВЫЙ РЕЗОНАТОР СВЧ Российский патент 1999 года по МПК H01P7/08 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к резонаторам СВЧ.

Одной из важных задач техники СВЧ является поиск новых конструкций устройств, предназначенных для селекции сигналов заданной частоты, стабилизации частоты и снижения уровня шума в СВЧ диапазоне. Наиболее распространенным типом подобных устройств являются высокодобротные резонаторы СВЧ.

Наибольшей добротностью обладают объемные резонаторы, но из-за их больших размеров в современных интегральных устройствах в сантиметровом диапазоне длин волн применяются полосковые резонаторы.

Простейшая схема полоскового резонатора представляет собой отрезок плоского проводника, расположенного на поверхности диэлектрической подложки [1] .

Существенным недостатком такого резонатора являются большие потери в металле и на излучение и, как следствие этого, сравнительно малые величины собственной добротности резонатора.

Кроме того, резонаторы из одиночной полосковой линии имеют сравнительно большие линейные размеры, особенно в длинноволновой части СВЧ диапазона.

С целью уменьшения размеров резонатора его сворачивают в виде спирали или меандра [1]. Помимо уменьшения габаритов это приводит к снижению потерь на излучение, которые пропорциональны L⁴, где L - линейный размер резонатора.

Существенным недостатком резонаторов в виде спирали или меандра являются большие потери в металле, которые возрастают пропорционально полной длине резонатора l.

Известен полосковый резонатор СВЧ, принятый за прототип, содержащий полосковый проводник, выполненный из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП), расположенного на одной поверхности диэлектрической подложки, и проводящий экран на другой поверхности подложки [2].

Указанный полосковый проводник изготавливается методом фотолитографии из ВТСП-пленки, выращенной на поверхности диэлектрической подложки.

Преимущество такого резонатора перед резонатором с металлическими проводящими полосками состоит в том, что при температурах кипения жидкого азота высокотемпературная сверхпроводящая пленка имеет меньшие потери, чем металлическая. Эффективность резонатора на ВТСП-пленке особенно проявляется на низких частотах диапазона СВЧ, поскольку поверхностное сопротивление сверхпроводника R_s на СВЧ уменьшается с частотой как f², тогда как для металла .

Однако необходимо отметить, что низкие R_s получаются только на структурно совершенных пленках ВТСП, максимально близких к монокристаллическим.

В связи с большой глубиной проникновения электромагнитного поля в ВТСП (λ = 0,5 - 0,7 мкм) такие пленки должны быть сравнительно толстыми, их толщина должна превышать λ в 2-3 раза.

Изготовление же структур совершенных пленок ВТСП такой толщины современными технологическими методами лазерного или ВЧ распыления наталкивается на принципиальные трудности, связанные с ухудшением по мере увеличения толщины их кристаллической структуры - возникновением дефектов, блочности и т.п., приводящим к возрастанию R_s.

Поэтому пленочные резонаторы из ВТСП имеют невысокую добротность, что является серьезным недостатком. Кроме того, выращивание толстых пленок связано с большим временем выращивания (> 10 ч), что затрудняет процесс их изготовления.

Целью настоящего изобретения является снижение потерь и увеличение добротности резонатора при одновременном упрощении процесса его изготовления.

Поставленная цель достигается тем, что в конструкции полоскового резонатора СВЧ, содержащего полосковый проводник, выполненный из высокотемпературного сверхпроводника, расположенный на одной поверхности диэлектрической подложки, и проводящий экран на другой поверхности подложки, полосковый проводник и проводящий экран выполнены из брусков монокристаллического высокотемпературного сверхпроводника, которые закреплены на диэлектрической подложке с помощью диэлектрических пластин.

На чертеже дан один из вариантов предлагаемой конструкции полоскового резонатора СВЧ, где диэлектрическая подложка 1, бруски из высокотемпературного сверхпроводника 2, диэлектрические пластины 3.

Выполнение полоскового проводника и проводящего экрана ( на чертеже не показан) из брусков монокристаллического высокотемпературного сверхпроводника позволит при создании полосковых резонаторов на материалах ВТСП избежать трудоемкого процесса получения толстых пленок из высокотемпературного сверхпроводника.

Поскольку полная длина резонатора обратно пропорциональна резонансной частоте, то на низких частотах диапазона СВЧ (0,5- 2 ГГц) длина резонатора, выполненного на диэлектрической подложке с ε 9,6, составляет десятки миллиметров. Современная технология изготовления монокристаллических брусков с низким сопротивлением R_s позволяет получить бруски трапецеидальной формы ограниченной длины 5 - 7 мм. Поэтому создать резонатор в виде меандра или спирали длиной в несколько десятков миллиметров можно, собрав его из отдельных брусков. Также из брусков собран проводящий экран. Бруски из монокристаллов ВТСП закрепляют на диэлектрической подложке с помощью диэлектрических пластин.

Процесс изготовления брусков из монокристалла ВТСП значительно проще, чем изготовление толстой пленки ВТСП.

Проводник из монокристалла ВТСП однороден по составу и имеет меньшую величину R_s, чем пленочный проводник, а резонатор на брусках ВТСП имеет большую добротность.

Пример. В качестве примера рассмотрим конструкцию полоскового резонатора СВЧ, выполненного на диэлектрической подложке из поликора толщиной h = 0,5 мм и диэлектрической проницаемостью ε = 9,6. Резонансная частота резонатора f₀ = 2 ГГц. Общая длина резонатора вдоль средней линии l ≈ 20 мм. Резонатор выполнен в виде спирали. На одной поверхности поликоровой подложки располагают бруски из высокотемпературного сверхпроводника состава (BiPb)₂SrCaCuO толщиной, примерно равной 50 мкм, и шириной 0,5 мм. Длина брусков выбрана таким образом, чтобы на поверхности подложки выложить прямоугольную двухвитковую спираль с внешними размерами 5 х 5 мм². Расстояние между соседними витками равно 0,1 мм. Собранный таким образом полосковый проводник спирали закрепляют на поликоровой подложке диэлектрической пластиной из поликора толщиной 0,5 мм.

На другой стороне подложки на площадке, соответствующей размерам полоскового проводника спирали, выполнен проводящий экран также из брусков ВТСП, которые закрепляют на диэлектрической подложке с помощью диэлектрической пластины толщиной 0,5 мм. Всю конструкцию скрепляют четырьмя микровинтами.

Использование предлагаемой конструкции полоскового резонатора позволит по сравнению с прототипом снизить потери и увеличить добротность при одновременном упрощении процесса его изготовления. Процесс изготовления брусков из монокристалла ВТСП значительно проще, чем изготовление толстых пленок ВТСП совершенной кристаллической структуры.

Источники информации
1. Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ.- М.: Советское радио, 1976.

2. Hammond R.B. Negrete G.V. "Superconductor TlGaBaCuO thin film microstrip resonator and its Power handling performance at 77K", 1990 IEEE MTT-S Internat, microwave symp. vol. 2, May 8-10, 1990, Dallas, Texas, pp. 867-870.

Изобретение относится к электронной технике. Изобретение позволят снизить потери и увеличить добротность полоскового резонатора СВЧ, что достигается тем, что полосковый проводник и проводящий экран выполнены из брусков монокристаллического высокотемпературного сверхпроводника, которые закреплены на диэлектрической подложке с помощью диэлектрических пластин. 1 ил.

Полосковый резонатор СВЧ, содержащий полосковый проводник, выполненный из высокотемпературного сверхпроводника, расположенный на одной поверхности диэлектрической подложки, и проводящий экран на другой поверхности диэлектрической подложки, отличающийся тем, что полосковый проводник и проводящий экран выполнены из брусков монокристаллического высокотемпературного сверхпроводника, которые закреплены на диэлектрической подложке посредством диэлектрических пластин.