CN1160827C - 带有自谐振螺旋谐振器的高温超导滤波器 - Google Patents

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Abstract

高温超导微型滤波器和微型多路复用器利用自谐振螺旋谐振器，以及具有非常小的体积和在相邻的通道之间的非常小的串扰。

Description

带有自谐振螺旋谐振器的 高温超导滤波器    
                       发明背景
本发明涉及高温超导微型(迷你)滤波器和微型(迷你)多路复用器(multiplexer)，带有自谐振螺旋谐振器作为构建块，它具有非常小的体积和在相邻的滤波器之间的非常低的串扰的优点。
高温超导滤波器由于高温超导材料的极低的损耗而具有极低的带内插入损耗、高的带外抑制、陡峭的边缘的优点。高温超导滤波器在电信、仪器和军事设备中具有许多应用。然而，对于高温超导滤波器的常规设计，作为其构建块的谐振器体积很大。事实上，谐振器的至少一个尺寸大约等于半个波长。对于具有许多极点的低频率高温超导滤波器，常规设计需要非常大的基片面积。薄膜高温超导电路的基片是价格很贵的特别的单晶介质材料。而且，高温超导薄膜涂覆的基片甚至是更昂贵的。所以，为了节省材料成本，希望减小高温超导滤波器体积，而不牺牲其性能。再者，对于高温超导滤波器电路，冷却功率、冷却时间和把它冷却到工作的冷冻温度的花费，随电路的体积的增加而增加。这些是希望减小高温超导滤波器体积而不牺牲其性能的原因。
有一种减小高温超导滤波器体积的现有技术设计，即使用“集总电路”元件，诸如电容和电感来构建用作为高温超导滤波器的构建块的谐振器。例如，参阅US 5506551。这个方法确实减小高温超导滤波器的体积。然而，它也有问题。首先，常规的集总元件电感，诸如图1所示的螺旋电感，具有广泛散布的磁场，它达到远离电感的区域，以及造成在相邻的电路之间的不想要的串扰。第二，在集总电路滤波器设计中，螺旋电感的两端必须被连接到其它的电路元件，诸如电容等等。但电感的两端中的一端位于螺旋的中心，它不能直接连接到其它元件。为了使得螺旋电感的中心端子连接到另一个元件，必须在高温超导螺旋电感顶部制做空中桥路或多层上跨桥。它们不单恶化滤波器的性能，而且也难以制做。第三，可以有两种方式引入集总电容：一种是使用“插入”的电容，但它通常具有不能接受的非常大的公差。另一种是使用平面交指型电容，它需要在两个电极之间非常窄的缝隙，两个电极之间有高的RF(射频)电压，这会造成放电。
本发明的目的是使用自谐振的螺旋谐振器来减小高温超导滤波器的体积，以及同时解决串扰和连接问题。
                       附图简述
图1显示现有技术传统的螺旋电感，其中图1a显示了方形螺旋电感以及图1b显示了圆形螺旋电感。
图2显示具有不同的形式的本发明的自谐振螺旋谐振器。图2a显示方形的自谐振螺旋谐振器。图2b显示带有圆角的方形自谐振螺旋谐振器。图2c显示八角形的自谐振螺旋谐振器。图2d显示圆形的自谐振螺旋谐振器。
图3显示用带有圆角的自谐振方形螺旋谐振器、中心调谐垫整电容、和平行线输入/输出耦合电路做成的微带线4极点高温超导微型滤波器的本发明的第一实施例。图3a显示正视图，以及图3b显示截面图。
图4显示用自谐振方形螺旋谐振器、横向偏移谐振器间耦合调整、和插入线输入和输出耦合电路做成的微带线4极点高温超导微型滤波器的本发明的第二实施例。图4a显示正视图，以及图4b显示截面图。
图5显示用自谐振八角形螺旋谐振器、横向偏移谐振器间耦合调整、和插入线输入和输出耦合电路做成的微带线4极点高温超导微型滤波器的本发明的第三实施例。图5a显示正视图，以及图5b显示截面图。
图6显示用自谐振圆形螺旋谐振器、中心调谐垫整电容、和平行线输入/输出耦合电路做成的微带线4极点高温超导微型滤波器的本发明的第四实施例。图6a显示正视图，以及图6b显示截面图。
图7显示用四个自谐振方形螺旋谐振器、一个对称双螺旋谐振器、和插入线输入和输出耦合电路做成的微带线5极点高温超导微型滤波器的本发明的第五实施例。图7a显示正视图，以及图7b显示截面图。
图8显示带有两个通道的微带线微型多路复用器的本发明的第一实施例。每个通道包括一个用自谐振方形螺旋谐振器、和平行线输入/输出耦合电路做成的8极点高温超导微型滤波器的。多路复用器的输入电路具有二分路器形式。图8a显示正视图，以及图8b显示截面图。
图9显示带有四个通道的微带线微型多路复用器的本发明的第二实施例。每个通道包括一个用自谐振圆形螺旋谐振器、和平行线输入/输出耦合电路做成的8极点高温超导微型滤波器的。多路复用器的输入电路具有级联的二分路器形式。图9a显示正视图，以及图9b显示截面图。
图10显示带有两个通道的微带线微型多路复用器的本发明的第三实施例。每个通道包括一个用自谐振圆形螺旋谐振器、和平行线输入/输出耦合电路做成的8极点高温超导微型滤波器的。多路复用器的输入电路具有多支路线形式。图10a显示正视图，以及图10b显示截面图。
图11显示用带有圆角的自谐振方形螺旋谐振器、和平行线输入/输出耦合电路做成的微带线4极点高温超导微型滤波器的本发明的一个实施例。图11a是微型滤波器的截面图，以及图11b是沿图11a的线和箭头A-A看的剖面图。
图12显示原型3极点、带宽0.16GHz、中心频率5.94GHz的带有三个自谐振方形螺旋谐振器的微带线高温超导微型滤波器的配置。
图13显示如图12所示的微型滤波器的测量的S-参量数据，其中图13a显示S11对频率的数据，图13b显示S12对频率的数据，图13c显示S21对频率的数据，以及图13d显示S22对频率的数据。
图14显示如图12所示的微型滤波器的测量的S21对频率的数据，表明通过改变电路上面的空间的介质而造成的频率偏移。
图15显示如图12所示的微型滤波器的测量的三阶交调数据，表明它的非线性特性。
                       发明概要
一方面，本发明包括自谐振螺旋谐振器，它包括以螺旋形式排列的高温超导线，以使得相邻的线互相以小于线宽的缝隙距离相隔开；以及其中谐振器上中心孔在每个尺度上的尺寸大约等于缝隙距离的尺寸。
另一方面，本发明包括高温超导微型滤波器，它包括：
(a)基片，具有正面和背面；
(b)至少两个自谐振螺旋谐振器，与基片的正面紧密接触；
(c)至少一个谐振器间耦合机构；
(d)输入耦合电路，包括具有被连接到滤波器输入接头的第一端和被耦合到至少两个自谐振螺旋谐振器的第一个谐振器的第二端的传输线；
(e)输出耦合电路，包括具有被连接到滤波器输出接头的第一端和被耦合到至少两个自谐振螺旋谐振器的最后的谐振器的第二端的传输线；
(f)空白高温超导薄膜，被放置在基片的背面上作为地板；以及
(g)空白金薄膜，被放置在高温超导薄膜上。
在另一个实施例中，微型滤波器具有带状线形式，以及还包括：
(a)顶片，具有正面和背面，其中顶片的正面被放置成与被放置在基片的正面上的至少两个谐振器紧密接触；
(b)第二空白高温超导薄膜，被放置在顶片的背面上作为地板；以及
(c)第二空白金薄膜，被放置在所述第二高温超导薄膜上。
另一方面，本发明包括微型多路复用器，包括至少两个具有不同的和非重叠的频带的微型滤波器；分布网络，具有一个公共端口作为用于微型多路复用器的输入端，以及多个分布端口，其中一个分布端口被连接到一个微型滤波器的相应的输入端；以及多条输出线，被连接到一个微型滤波器的相应的输出端。
通过进一步阅读说明和权利要求，将明白本发明和优选实施例的这些和其它方面。应当指出，在权利要求中使用的任何参考符号仅仅有助于更容易了解主题，而不是被认为对本发明的范围的限制。
                    优选实施例描述
本发明为减小高温超导滤波器的体积而不牺牲它的性能创造条件，以及本发明是基于自谐振螺旋谐振器的使用。自谐振螺旋谐振器具有不同的形状，包括方形、带有圆角的方形、多边形和圆形。
为了减小自谐振螺旋谐振器的体积和约束它的电磁场以便减小串扰，优选地减小缝隙的宽度和减小螺旋谐振器中的中心无遮盖面积。
有几种方法改变自谐振螺旋谐振器的谐振频率：1.改变螺旋线长度；2.改变螺旋线的相邻的线之间的缝隙；3.在螺旋中心处放置导电的调谐垫整电容。第三种方法可被使用来微调频率调谐。
微型滤波器的输入和输出耦合电路具有两种基本配置：1.平行线结构，它包括传输线，其一端通过传输线上面的金的极板被连接到微型滤波器的接头，其另一端被延伸到接近于和平行于第一谐振器(对于输入电路)或最后的谐振器(对于输出电路)的螺旋线以便提供滤波器的输入或输出耦合；2.插入线结构，它包括传输线，其一端通过传输线上面的金盘被连接到微型滤波器的接头，其另一端被延伸插入到第一谐振器(对于输入电路)或最后的谐振器(对于输出电路)的螺旋线以便提供滤波器的输入或输出耦合；
在微型滤波器中相邻谐振器之间的谐振器间耦合是通过相邻谐振器边缘的电磁场的重叠而提供的。耦合长度可以通过三种方式进行调节：1.改变相邻螺旋谐振器之间的纵向长度；2.改变螺旋谐振器的排列；3.沿横向移动螺旋谐振器的位置。
本发明的微型滤波器可被使用来构建微型多路复用器，它们具有非常小的体积而不牺牲它们的性能。微型多路复用器包括至少两个通道，具有两个带有略微不同的非重叠的频带的微型滤波器、一个输入分布网络、和每个通道一个输出端口。输入分布网络具有三种不同的结构：1.用于2-通道微型多路复用器的单个二分路器，它使用二分路器把两个通道的两个输入组合到一个用作为微型多路复用器的输入端的公共的端口。2.级联的二分路器，它包含接连的多级二分路器。在N级级联的分布网络中，2N输出端口联合使用来把2N个通道组合到一个用作为微型多路复用器的输入端的公共的端口。3.匹配的多分支线，它包含一个用作为微型多路复用器的输入端的公共的端口，多条分支线被连接到每个通道。这些线的长度，宽度必须被适当地选择，以便在微型多路复用器的整个频带上在微型多路复用器的输入端和输出端处达到匹配。
本发明的微型滤波器和微型多路复用器可以具有微带线的形式，带有一个基片和一个地板，它们也可以具有带状线的形式，带有一个底片、一个顶片和两个地板。
制做小的滤波器的传统方法是使用集总电路设计，它们利用集总电感和集总电容来形成谐振器，作为滤波器的构建块。图1上显示了现有技术螺旋电感，其中图1a显示了方形，以及图1b显示了圆形。因为图1a的电感的结构元件和图1b的电感的结构部件相同(只是形状不同或螺旋结构不同)，所以使用相同的数字表示相同的结构部件。因此，数字1表示螺旋导体线以及数字2表示在导体线1的相邻的圈之间的缝隙。数字3和4是位于导体线1的末端的连接盘以及数字5是在螺旋电感的中心处没有导体的无遮盖区域。
图1所示的电感在传统的设计上被使用来形成集总电路谐振器作为滤波器的构建块。在现有技术的传统设计中，集总电感的尺度必须细心选择，以使得其“自谐振”频率比滤波器的高频段中的最高频率高得多，以避免来自电感的自谐振的有害干扰。为了做到这一点，在相邻的圈之间的缝隙2应当比导体线1的宽度大，以及中心无遮盖区域5应当足够大以便让螺旋线中的电流产生的磁场通过。这两个度量使得磁场散布到离螺旋电感很远的地方以及造成相邻的电路之间的串扰。如上所述，传统设计方法的其它问题是把位于螺旋中心处的末端连接盘4连接到其它电路元件的困难。
本发明通过利用螺旋电感的自谐振而不是避免它，而解决这些问题。当工作频率等于自谐振频率fs时，出现自谐振：
            fs＝1/{2π[LCp]1/2}
其中L是螺旋的电感，以及Cp是在相邻的圈之间的寄生电容。如上所述，对于高温超导滤波器设计，希望减小滤波器电路的体积，它要求螺旋的无遮盖区域(图1a和1b上的数字5)以及在导体线之间的缝隙(图1a和1b上的数字2)被最小化。这些措施不单减小螺旋谐振器的体积，而且也消除了对于附加电容的需要和对于中心连接的需要。而且，这些措施也把大多数电磁场集中在螺旋谐振器的下面，所以解决了由集总导体中远区到达的磁场造成的串扰问题。
图2显示了自谐振螺旋谐振器的四个实施例如下：图2a上显示方形，图2b上显示带有圆角的方形，图2c上显示八角形，以及图2d上显示圆形。如图2a-2d所示，自谐振螺旋谐振器包括以螺旋形式排列的高温超导线。形成螺旋的相邻的线互相间隔开一个缝隙的距离，整个距离小于线的宽度。谐振器中的中心开孔的尺度近似等于缝隙距离的尺寸。然而，将会看到，缝隙尺寸只有一个尺度(即宽度)，而中心开孔具有两个尺度(即尺度(或高度)和宽度)。因此，词组“尺度近似等于缝隙距离的尺寸”是指中心开孔的每个尺度与缝隙距离的单个尺度近似相同。从图2a-2d应当指出，中心开孔基本上是对称的，以及具有相应于(虽然不一定相同)谐振器形状的形状。
首先参照图2a，数字11是导线，数字12是在相邻的圈之间的缝隙，数字13是中心无遮盖区域，其尺度接近于减小的缝隙12的宽度，以及数字14表示线11的90度形状拐角。
RF电荷和电流趋向于集中在线的拐角处，这会减小高温超导方形螺旋谐振器的功率承受能力。为了解决这个问题，图2b显示带有圆角的方形的自谐振螺旋谐振器的第二实施例。在图2b的实施例中，数字15是导体线，数字16是在相邻的圈之间的缝隙。数字17是减小的中心无遮盖区域，其尺度接近于减小的缝隙16的宽度，以及18表示线15的圆角。
图2c显示八角形的自谐振螺旋谐振器的第三实施例，其中数字20是导体线，数字21是在相邻的圈之间的缝隙，数字22是减小的中心无遮盖区域，其尺度接近于减小的缝隙21的宽度，以及数字23表示线20的120度拐角。自谐振螺旋谐振器不限于这种特定的八角形。而是可以是任何的多边形形状，只要它具有四个以上的拐角，以区别于方形形状。
图2d显示圆形的自谐振螺旋谐振器的第四实施例。在该实施例中，数字25是导体线，数字26是在相邻的圈之间的缝隙，数字27是减小的中心无遮盖区域，其尺度接近于减小的缝隙26的宽度，以及数字28是位于中心无遮盖区域27的导电的调谐垫整电容，用于微调螺旋谐振器的谐振频率。调谐垫整电容不限于这种圆形的特定的形式，而是可以是方形或任何的任意形式。还应当看到，调谐垫整电容可以结合任何的上述的其它的结构使用，而不限于在具有圆形结构的螺旋谐振器中使用。
图3显示具有四个自谐振螺旋谐振器(在本例中是具有圆角的方形结构)作为其频率选择元件的4极点高温超导微型滤波器的第一实施例。图3a显示滤波器的顶视或正视图，以及图3b显示截面图。在图3a和3b上，数字30是具有正面和背面的介质基片。高温超导滤波器微型电路被放置在基片30的正面，如图3a和3b所示。基片30的背面(它是在图3b的截面图上看到的，而不是在图3a的图上看到的)放置有空白的高温超导薄膜31(见图3b)，用作为微型滤波器电路的地。金的薄膜32(见图3b)被放置在高温超导薄膜31的上部，以及用来与微型滤波器的盒子(未示出)相接触。在图3a上，数字33、34、33a、和34a是四个带有圆角的自谐振螺旋谐振器。谐振器间的耦合通过在相邻的谐振器之间的耦合缝隙38、38a、和38b被提供。输入耦合电路具有平行线形式，它包括输入(微带)线35和在35与第一谐振器33之间的耦合缝隙39。输出耦合电路具有平行线形式，它包括输出(微带)线35a和在35a与最后的谐振器33a之间的耦合缝隙39a。两个调谐的垫整电容36、36a被分别放置在谐振器34和34a的中心，用于微调谐振器34和34a的谐振频率。金的连接盘37和37a被分别放置在输入和输出线35和35a上，提供到微型滤波器接头(未示出)的连接。
图4显示具有四个自谐振方形螺旋谐振器作为其频率选择元件的4极点高温超导微型滤波器电路的第二实施例，其中图4a显示滤波器的正视图，以及图4b显示截面图。数字40是具有正面和背面的介质基片。高温超导微型滤波器电路被放置在基片40的正面，如图3a所示。如图3b的截面图所显示的，基片40的背面放置有空白的高温超导薄膜41，用作为微型滤波器电路的地，以及金的薄膜42被放置在41的上部，以便用来与微型滤波器的盒子(未示出)相接触。在图4a上，数字43、44、43a、和44a是四个自谐振方形螺旋谐振器。谐振器间的耦合通过在相邻的谐振器之间的耦合缝隙49、49a、和49b被提供。在这个特定的例子中，谐振器间耦合长度是通过改变相邻的谐振器之间的缝隙以及通过横向移动谐振器位置用于细调节，而被调整的。输入耦合电路具有插入线形式，它包括输入线45，其延伸的较窄的线46被插入到第一谐振器43的分裂的螺旋线中，其间有耦合缝隙47。输出耦合电路具有插入线形式，它包括输出线45a，其延伸的较窄的线46a被插入到最后的谐振器43a的分裂的螺旋线中，其间有耦合缝隙47a。金的连接盘48和48a被分别放置在输入和输出线45和45a上，提供到微型滤波器接头(未示出)的连接。
图5显示具有四个自谐振八角形螺旋谐振器作为其频率选择元件的4极点高温超导微型滤波器电路的第三实施例，其中图5a显示滤波器的正视图，以及图5b显示截面图。数字50是具有正面和背面的介质基片。高温超导微型滤波器电路被放置在基片50的正面，如图5a所示。如图5b的截面图所显示的，基片50的背面放置有空白的高温超导薄膜51，用作为微型滤波器电路的地，以及金的薄膜52被放置在51的上部，以便用来与微型滤波器的盒子(未示出)相接触。在图5a上，数字53、54、53a、和54a是四个自谐振八角形螺旋谐振器。谐振器间的耦合通过在相邻的谐振器之间的耦合缝隙59、59a、和59b被提供。在这个特定的例子中，谐振器间耦合长度是通过改变相邻的谐振器之间的缝隙以及通过横向移动谐振器位置用于细调节，而被调整的。输入耦合电路具有插入线形式，它包括输入线55，其延伸的较窄的线56被插入到第一谐振器53的分裂的螺旋线中，其间有耦合缝隙57。输出耦合电路具有插入线形式，它包括输出线55a，其延伸的较窄的线56a被插入到最后的谐振器53a的分裂的螺旋线中，其间有耦合缝隙57a。金的连接盘58和58a被分别放置在输入和输出线55和55a上，提供到微型滤波器接头(未示出)的连接。
图6显示具有四个自谐振圆形螺旋谐振器作为其频率选择元件的4极点高温超导微型滤波器电路的第四实施例，其中图6a显示滤波器的正视图，以及图6b显示截面图。数字60是具有正面和背面的介质基片。高温超导微型滤波器电路被放置在基片60的正面，如图6a所示。如图6b的截面图所显示的，基片60的背面放置有空白的高温超导薄膜61，用作为微型滤波器电路的地，以及金的薄膜62被放置在61的上部，以便用来与微型滤波器的盒子(未示出)相接触。在图6a上，数字63、64、63a、和64a是四个自谐振圆形螺旋谐振器。谐振器间的耦合通过在相邻的谐振器之间的耦合缝隙63b、63c、和63d被提供。输入耦合电路具有平行线形式，它包括输入线66和延长线67，输入耦合通过在67与第一谐振器63之间的耦合缝隙69被提供。输出耦合电路具有平行线形式，它包括输出线66a和延长线67a，输出耦合通过在67a与最后的谐振器63a之间的耦合缝隙69a被提供。两个调谐的垫整电容65、65a被分别放置在谐振器63和63a的中心，用于微调谐振器63和63a的谐振频率。金的连接盘68和68a被分别放置在输入和输出线66和66a上，提供到微型滤波器接头(未示出)的连接。
图7显示具有五个自谐振方形螺旋谐振器作为其频率选择元件的5极点高温超导微型滤波器电路的一个实施例，其中图7a显示电路的正视图，以及图7b显示截面图。数字70是具有正面和背面的介质基片。高温超导微型滤波器电路被放置在基片70的正面，如图7a所示。如图7b的截面图所显示的，基片70的背面放置有空白的高温超导薄膜71，用作为微型滤波器电路的地，以及金的薄膜72被放置在71的上部，以便用来与微型滤波器的盒子(未示出)相接触。在图7a上，数字73、74、73a、和74a是四个自谐振方形螺旋谐振器，75是自谐振方形双螺旋谐振器，它位于中央，因此用作为中间谐振器。在5极点滤波器的中间使用双螺旋谐振器使得电路相对于输入和输出呈现几何对称。这个方法也适用于任何具有奇数极点的对称微型滤波器。谐振器间的耦合通过在相邻的谐振器之间的耦合缝隙75a、75b、75c和75d被提供。在这个特定的例子中，谐振器间耦合长度是通过改变相邻的谐振器之间的缝隙而被调整的。输入耦合电路具有插入线形式，它包括输入线76，其延伸的较窄的线77被插入到第一谐振器73的分裂的螺旋线中，其间有耦合缝隙78。输出耦合电路具有插入线形式，它包括输出线76a，其延伸的较窄的线77a被插入到最后的谐振器73a的分裂的螺旋线中，其间有耦合缝隙78a。金的连接盘79和79a被分别放置在输入和输出线76和76a上，提供到微型滤波器接头(未示出)的连接。
图8显示一个2通道微型多路复用器，每个通道分别具有8极点高温超导微型滤波器83、83a，具有八个自谐振螺旋谐振器。图8a显示正视图，以及图8b显示截面图。数字80是具有正面和背面的介质基片。高温超导微型多路复用器电路被放置在基片80的正面，如图8a所示。如图8b的截面图所显示的，基片80的背面放置有空白的高温超导薄膜81，用作为微型多路复用器电路的地，以及金的薄膜82被放置在81的上部，以便用来与微型多路复用器的盒子(未示出)相接触。微型滤波器83和83a频带略微不同以及没有重叠，以形成两个通道。微型滤波器83和83a的输入耦合电路具有平行线形式，它分别包括输入线84和84a以及分别在84或84a与滤波器83或83a的第一螺旋谐振器之间的缝隙84b、84c。具有单个二分路器的分布网络用作为多路复用器的输入端，它包括公共输入线86、T接头87、和分支线85、85a，每条分支线85和85a的一个末端被共同连接到T接头87，以及另一个末端分别被连接到耦合线84和84a。84、84a、85、85a、86、和87的尺寸被选择成提供在覆盖滤波器83和83a的两个频带的频率范围上微型多路复用器的输入阻抗的匹配。滤波器83和83a的输出耦合电路具有平行线形式，它分别包括输出线87a和87b以及分别在它们与滤波器83或83a的最后的谐振器之间的缝隙87c、87d。输出线87a和87b也用作为微型多路复用器的两个通道的输出线。金的连接盘88、88a、和88b被分别放置在输入线86和输出线87a和87b上，提供到微型滤波器接头(未示出)的连接。
应当看到，微型多路复用器中的自谐振螺旋谐振器的形式并不限于图8所示的方形的形式，而是它们可以具有图2a-2d所示的任何结构或这些结构的组合。而且，将会看到，微型多路复用器中的微型滤波器的输入输出耦合电路并不限于图8所示的平行线形式，而是代之以其它线的形式可被使用，诸如插入线形式或插入线形式与平行线形式的组合。
图9显示一个4通道微型多路复用器的第二实施例，每个通道具有一个8极点高温超导微型滤波器，具有八个自谐振方形螺旋谐振器，其中图9a显示正视图，以及图9b显示截面图。数字90是具有正面和背面的介质基片。高温超导微型多路复用器电路被放置在基片90的正面，如图9a所示。如图9b的截面图所显示的，基片90的背面放置有空白的高温超导薄膜91，用作为微型多路复用器电路的地，以及金的薄膜92被放置在91的上部，以便用来与微型多路复用器的盒子(未示出)相接触。数字93和93a被使用来表示两个类似于图8所示的2-通道微型多路复用器。微型多路复用器93和93a的频带略微不同以及没有重叠。在4-通道微型多路复用器的输入端处的分布网络具有2级级联的二分路器形式。第一级包括公共输入线95、T接头96、和两个分支线94、94a，每条分支线94和94a的一个末端被共同连接到T接头96，以及另一个末端分别被连接到第二级的输入线94b和94c。它们的一端被连接到96，另一端被连接到第二级的输入端。第二级包括两个二分路器，它们实际上是两个2-通道微型多路复用器93和93a的输入二分路器，以及包括公共输入线94b、94c；T接头94d、94e；分支线94f、94g、94h、94i；以及输入线94j、94k、941和94m，如图9a所示。93、93a、94、94a-m、95和96的尺寸被选择成提供在覆盖4-通道微型多路复用器的四个频带的频率范围上微型多路复用器的输入阻抗的匹配。4-通道微型多路复用器的输出电路包括两个2-通道微型多路复用器输出线97、97a、97b、97c，它们用作为4-通道微型多路复用器的四条输出线，如图9a所示。
图10显示4通道微型多路复用器的第三实施例，每个通道具有一个8极点高温超导微型滤波器103、103a、103b、103c，(参阅图10a)具有八个自谐振方形螺旋谐振器。图10a显示正视图，以及图10b显示截面图。数字100是具有正面和背面的介质基片。高温超导微型多路复用器电路被放置在100的正面，如图10a所示。如图10b的截面图所显示的，基片100的背面放置有空白的高温超导薄膜101，用作为微型多路复用器电路的地，以及金的薄膜102被放置在101的上部，以便用来与微型多路复用器的盒子(未示出)相接触。滤波器103、103a、103b、和103c的频带略微不同以及没有重叠，以便形成四个通道。在4-通道微型多路复用器的输入端处的分布网络具有匹配分支线形式，它包括公共输入线106、匹配段105、线段104、104a、104b、104c和五个接头107、107a、107b、107c和107d。104、104a、104b、104c、105、106、107、107a、107b、107c和107d的尺寸被选择成提供在覆盖4-通道微型多路复用器的四个频带的频率范围上微型多路复用器的输入阻抗的匹配。4-通道微型多路复用器的输出电路包括四个微型滤波器输出线108、108a、108b、108c，它们用作为4-通道微型多路复用器的四条输出线，如图10a所示。
图11显示用带有圆角的自谐振方形螺旋谐振器作为它的频率选择元件的、以带状线形式的4极点高温超导滤波器的例子。图11a是滤波器的截面图，以及图11b是沿图11a的线和箭头A-A看的剖面图。数字110是具有正面和背面的介质基片。高温超导滤波器电路113被放置在110的正面，如图11b所示。如图11a所示，第一空白的高温超导薄膜111被放置在110的背面上，用作为用于带状线的两个地板之一，金的薄膜112被放置在111的上部，以便用来与滤波器的盒子(未示出)相接触。数字110a是具有正面和背面的介质顶片。如图11a所示，第二空白的高温超导薄膜111a被放置在110a的背面上，用作为用于带状线的两个地板之一，第二金的薄膜112a被放置在111a的上部，以便用来与滤波器的盒子(未示出)相接触。还如图11a所示，110a在尺寸上小于110，由此，输入耦合电路的第一端(例如，微带线115和金的连接盘116)和输出耦合电路的第一端(例如，微带线115a和金的连接盘116a)，每个位于110a的尺寸以外，也就是它们不被110a覆盖。虽然未示出，但应当明白，高温超导滤波器电路ll3的镜像也被放置在顶片110a的正面以及两个镜像电路对准。如图11b所示，输入和输出带状线114、114a被延伸到基片110上较宽的微带线115、115a中。金的连接盘116、ll6a被分别放置在115、115a上(也参阅图11a)，提供到滤波器盒子的连接(未示出)。114、114a、115和115a的线宽被选择成达到在输入端和输出端处的阻抗匹配。
在所有的以上的实施例中，优选地，高温超导薄膜从包含YBa2Cu3O7、Tl2Ba2CaCu2O8、TlBa2Ca2Cu3O9、(TlPb)Sr2CaCu2O7和(TlPb)Sr2Ca2Cu3O9的组中进行选择。也优选地，基片和顶片互相独立地从包含LaAlO3、MgO、LiNbO3、蓝宝石或石英的组中进行选择。
实例
准备了具有图12所示的电路配置的微型滤波器。这是一个3极点、带宽0.16GHz、中心频率5.94GHz的、微带线形式的微型滤波器。它包含三个方形自谐振螺旋谐振器l21、121a、121b，每个具有在中心122、122a、122b处的调谐垫整电容，平行线输入和输出耦合电路123、123a。基片120由LaAlO3制成，具有5.250mm×3.000mm×0.508mm的尺度。高温超导薄膜是Tl2Ba2CaCu2O8。滤波器被制造和在77K下被测试。测量的S参量数据被显示于图13，其中图13a显示S11对频率的数据，图13b显示S12对频率的数据，图13c显示S21对频率的数据，图13d显示S22对频率的数据。S11是从输入端口的反射系数的幅度；S21是从输入端口到输出端口的传输系数的幅度；S22是从输出端口的反射系数的幅度；以及S12是从输出端口到输入端口的传输系数的幅度。测量的数据与计算机仿真数据非常一致，中心频率差值小于0.1％。
微型滤波器也在两个不同的条件下被测试。也就是，它在具有相对介电常数约为1.00的空气中被测试和在具有相对介电常数约为1.46的液氮中被测试。图14显示S21对频率的数据，其中131是对于空气的数据以及132是对于液氮的数据。结果表示仅仅0.04GHz的频率偏移，相应于中心频率的0.67％。非常小的频率偏移间接表示大多数电磁场约束在螺旋谐振器下面。
滤波器也在从0.01瓦到0.2瓦连续波RF功率的条件下被测试，其S21没有测量到变化。图15上以对数-对数刻度显示三阶交截(TOI)测试数据，其中141是对于两个基频的和值的具有1的斜率的最佳拟合的直线。142是对于三阶交调的具有3的斜率的最佳拟合的直线。这两条直线的交截点给出39.5dBm的TOI。功率和TOI测试数据是与具有相同的线宽和大十倍的体积的类似的传统的高温超导滤波器相一致。这些测试结果证明，比起传统的设计，体积的大小减小一个数量级并不恶化微型滤波器的性能。

Claims (26)

1.自谐振螺旋谐振器，包括以螺旋形式排列的高温超导线(11，15，20，25)，以使得相邻的线互相以小于线宽的缝隙(12，16，21，26)距离相隔开；以及以便于形成在螺旋线内的中心开孔(13，17，22，27)，其尺寸大约等于缝隙距离。
2.权利要求1的谐振器，其特征在于，其中谐振器具有从矩形、带有圆角的矩形、多边形、和圆形中选择的一种形状。
3.权利要求1的谐振器，其特征在于，还包括被放置在中心开孔处的导电调谐垫整电容(28)。
4.权利要求2的谐振器，其特征在于，还包括被放置在中心开孔处的导电调谐垫整电容(28)。
5.权利要求1的谐振器，其特征在于，其中高温超导薄膜是由从YBa2Cu3O7、Tl2Ba2CaCu2O8、TlBa2Ca2Cu3O9、(TlPb)Sr2CaCu2O7和(TlPb)Sr2Ca2Cu3O9中选择的一种材料形成的。
6.权利要求2的谐振器，其特征在于，其中高温超导薄膜是由从YBa2Cu3O7、Tl2Ba2CaCu2O8、TlBa2Ca2Cu3O9、(TlPb)Sr2CaCu2O7和(TlPb)Sr2Ca2Cu3O9中选择的一种材料形成的。
7.权利要求3的谐振器，其特征在于，其中高温超导薄膜是由从YBa2Cu3O7、Tl2Ba2CaCu2O8、TlBa2Ca2Cu3O9、(TlPb)Sr2CaCu2O7和(TlPb)Sr2Ca2Cu3O9中选择的一种材料形成的。
8.权利要求4的谐振器，其特征在于，其中高温超导薄膜是由从YBa2Cu3O7、Tl2Ba2CaCu2O8、TlBa2Ca2Cu3O9、(TlPb)Sr2CaCu2O7和(TlPb)Sr2Ca2Cu3O9中选择的一种材料形成的。
9.一种微型滤波器，包括：
(a)基片(30)，具有正面和背面；
(b)至少两个谐振器(33，33a，34和/或34a)，与基片(30)的正面紧密接触；
(c)至少一个谐振器间耦合缝隙(38，38a和/或38b)；
(d)输入耦合电路，包括具有被连接到滤波器输入接头的第一端和被耦合到至少两个谐振器的第一个谐振器(33)的第二端的传输线(35)；
(e)输出耦合电路，包括具有被连接到滤波器输出接头的第一端和被耦合到至少两个谐振器的最后的谐振器(33a)的第二端的传输线(35a)；
(f)空白导电薄膜(31)，被放置在基片的背面上作为接地板；以及
(g)空白金薄膜(32)，被放置在所述空白导电薄膜(31)上，用来与所述微型滤波器的外壳相接触，
其特征在于，每个所述至少两个谐振器各自是在权利要求1-8的任一项中所述的自谐振螺旋谐振器，以及空白的导电薄膜(31)是空白的高温超导薄膜。
10.权利要求9的微型滤波器，其特征在于，它还包括：
(h)顶片(110a)，具有正面和背面，其中顶片(110a)的正面被放置成与被放置在基片(110)的正面上的至少两个谐振器紧密接触；
(i)第二空白高温超导薄膜(111a)，被放置在顶片(110a)的背面上作为接地板；以及
(j)第二空白金薄膜(112a)，被放置在所述第二高温超导薄膜(111a)上，用来与所述微型滤波器的外壳相接触。
11.权利要求10的微型滤波器，其特征在于，顶片(110a)在尺寸上小于基片(110)；以及输入耦合电路(115和116)的第一末端和输出耦合电路(115a和116a)的第一末端都没有被顶片(110a)覆盖。
12.权利要求9的微型滤波器，其特征在于，高温超导薄膜(31)是由从YBa2Cu3O7、Tl2Ba2CaCu2O8、TlBa2Ca2Cu3O9、(TlPb)Sr2CaCu2O7和(TlPb)Sr2Ca2Cu3O9中选择的一种材料形成的。
13.权利要求10的微型滤波器，其特征在于，每个高温超导薄膜(111和111a)是由从YBa2Cu3O7、Tl2Ba2CaCu2O8、TlBa2Ca2Cu3O9、(TlPb)Sr2CaCu2O7和(TlPb)Sr2Ca2Cu3O9中选择的一种材料形成的。
14.权利要求10的微型滤波器，其特征在于，其中基片(110)和顶片(110a)的每个都分别从LaAlO3、MgO、LiNbO3、蓝宝石或石英中选择一种材料。
15.权利要求9的微型滤波器，其特征在于，其中在至少两个自谐振螺旋谐振器(33，33a，34和/或34a)的一个或多个螺旋谐振器的中心开孔处放置导电调谐垫整电容(36)。
16.权利要求9的微型滤波器，其特征在于，所述滤波器包含奇数个自谐振螺旋谐振器(73，73a，74，74a，75)，一个谐振器被放置在中心(75)，以及其中中心放置的谐振器(75)包括双螺旋形式谐振器，它包括具有180度旋转对称性的两条连接的螺旋线。
17.权利要求9的微型滤波器，其特征在于，输入或输出耦合电路具有平行线形式，上述输入或输出耦合电路还包括：
(a)微带线(35或35a)，
(b)在所述微型滤波器的所述微带线(35或35a)与第一谐振器(33)或最后的谐振器(33a)之间的缝隙(39或39a)。
(c)在微带线(35或35a)末端处的金连接盘(37或37a)。
18.一种微型多路复用器，包括：
(a)至少两个微型滤波器(83或83a)，每个微型滤波器具有与另一个微型滤波器的频带不同的和不重叠的频带；
(b)分布网络，具有一个公共输入线(86)用于微型多路复用器的输入端，以及多个分支线(85或85a)，其中一个分支线(85)被连接到一个微型滤波器(83)的相应的输入端(84或84b)；
(c)多条输出线(87a或87b)，其中微型多路复用器的每条输出线均被连接到一个微型滤波器(83)的相应的输出端；
其特征在于，所述至少两个微型滤波器各自包括在权利要求9中所述的微型滤波器。
19.权利要求18的微型多路复用器，其特征在于，所述至少两个微型滤波器各自包括在权利要求10中所述的微型滤波器。
20.权利要求18的微型多路复用器，其特征在于，所述至少两个微型滤波器各自包括在权利要求11中所述的微型滤波器。
21.权利要求18的微型多路复用器，其特征在于，所述至少两个微型滤波器各自包括在权利要求12中所述的微型滤波器。
22.权利要求18的微型多路复用器，其特征在于，所述至少两个微型滤波器各自包括在权利要求13中所述的微型滤波器。
23.权利要求18的微型多路复用器，其特征在于，所述至少两个微型滤波器各自包括在权利要求14中所述的微型滤波器。
24.权利要求18的微型多路复用器，其特征在于，所述至少两个微型滤波器各自包括在权利要求15中所述的微型滤波器。
25.权利要求18的微型多路复用器，其特征在于，所述至少两个微型滤波器各自包括在权利要求16中所述的微型滤波器。
26.权利要求18的微型多路复用器，其特征在于，所述至少两个微型滤波器各自包括在权利要求17中所述的微型滤波器。
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