Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ ЭЛЕКТРОД, СВЯЗАННЫЙ ПО ВЫСОКОЧАСТОТНОМУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ ПОЛЮ, ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РЕЗОНАТОР, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТР, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПОЛОСОВОЙ РЕЖЕКТОРНЫЙ ФИЛЬТР И ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ УСТРОЙСТВО - Патент РФ 2139613
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ ЭЛЕКТРОД, СВЯЗАННЫЙ ПО ВЫСОКОЧАСТОТНОМУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ ПОЛЮ, ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РЕЗОНАТОР, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТР, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПОЛОСОВОЙ РЕЖЕКТОРНЫЙ ФИЛЬТР И ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ УСТРОЙСТВО
ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ ЭЛЕКТРОД, СВЯЗАННЫЙ ПО ВЫСОКОЧАСТОТНОМУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ ПОЛЮ, ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РЕЗОНАТОР, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТР, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПОЛОСОВОЙ РЕЖЕКТОРНЫЙ ФИЛЬТР И ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ УСТРОЙСТВО

ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ ЭЛЕКТРОД, СВЯЗАННЫЙ ПО ВЫСОКОЧАСТОТНОМУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ ПОЛЮ, ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РЕЗОНАТОР, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТР, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПОЛОСОВОЙ РЕЖЕКТОРНЫЙ ФИЛЬТР И ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ УСТРОЙСТВО

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Множество линий передачи ТЕМ-моды образовано из пар тонкопленочных проводников, между которыми расположены тонкопленочные диэлектрики путем поочередной укладки тонкопленочного проводника и тонкопленочного диэлектрика. Фазовые скорости ТЕМ-волн, распространяющихся по меньшей мере по двум линиям передачи, по существу равны. Толщина каждого тонкопленочного проводника меньше глубины проникновения поля на используемой частоте, так что электромагнитные поля по меньшей мере двух линий передачи ТЕМ-моды из линий связаны друг с другом. Таким образом, можно эффективно увеличить глубину проникновения поля. Техническим результатом является уменьшение потерь в проводнике и поверхностного сопротивления по сравнению с теми же характеристиками известного электрода. Предлагаемый электрод может быть использован в линии передачи, резонаторе, фильтре и высокочастотном устройстве. 9 c. и 6 з.п. ф-лы, 28 ил., 1 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2139613
Класс(ы) патента: H01P3/06, H01P3/08, H01P3/12, H01P3/18, H01P7/08, H01P1/20, H01P1/203
Номер заявки: 96108787/09
Дата подачи заявки: 07.03.1994
Дата публикации: 10.10.1999
Заявитель(и): Мурата Мануфакчуринг Ко., Лтд. (JP)
Автор(ы): Еухеи Исикава (JP); Сеидзи Хидака (JP)
Патентообладатель(и): Мурата Мануфакчуринг Ко., Лтд. (JP)
Описание изобретения: Изобретение относится к тонкопленочному многослойному электроду, связанному по высокочастотному электромагнитному полю, который используется в диапазонах СВЧ, субмиллиметровых или миллиметровых волн, а также к высокочастотной линии передачи с использованием данного тонкопленочного многослойного электрода, высокочастотному резонатору с использованием данной тонкопленочной многослойной линии передачи, высокочастотному фильтру, содержащему высокочастотный резонатор, и высокочастотному устройству, содержащему данный тонкопленочный многослойный электрод.
Предшествующий уровень техники
В последние годы в свете тенденции к миниатюризации размеров электронных компонентов, уменьшение размеров устройств достигается за счет использования высоко диэлектрических материалов даже в диапазонах СВЧ, субмиллиметровых или миллиметровых волн. При уменьшении размера устройства с сохранением его формы и увеличением при этом его диэлектрической проницаемости возникает проблема, заключающаяся в том, что энергетические потери возрастают обратно пропорционально корню кубическому его объема.
Энергетические потери высокочастотных устройств можно приближенно разделить на потери в проводнике, вызванные скин-эффектом, и потери в диэлектрике, обусловленные самим диэлектрическим материалом. Диэлектрические материалы, разработанные и внедренные в последнее время, включают материалы, обладающие низкими потерями, даже если они имеют высокую диэлектрическую проницаемость, и поэтому именно потери в проводнике, а не потери в диэлектрике, оказывают доминирующее влияние на ненагруженную добротность их схем. Как показано на фиг. 11, высокочастотный ток концентрируется на поверхности проводника в результате скин-эффекта, так что чем ближе к поверхности проводника, тем больше возрастает поверхностное сопротивление (также именуемое как скин-сопротивление), и это приводит к увеличению потерь в проводнике (джоулевых потерь).
Учитывая эти обстоятельства, в японской выложенной патентной публикации N HEISEI 4 (1992)-43703 был предложен резонатор на симметричной полосковой линии передачи (ниже именуемый как известный резонатор), в котором достаточно эффективно снижены потери в проводнике для получения высокой ненагруженности добротности. Известный резонатор является резонатором на симметричной полосковой линии передачи, в котором схема резонатора выполнена из симметричных полосковых линий, содержащих полосковый проводник между парой заземленных проводников, которые расположены на определенном расстоянии друг против друга, причем данный резонатор на симметричной полосковой линии передачи характеризуется тем, что множество слоев полосковых проводников расположено между парой заземленных проводников параллельно им, так что множество слоев полосковых проводников образует многослойную структуру, в которой они удалены друг от друга на определенный интервал расположенным между ними диэлектриком.
В публикации, раскрывающей вышеупомянутый известный резонатор, также описано следующее:
(а) предпочтительно, чтобы соответствующие полосковые проводники имели толщину, в три или более раз превышающую глубину проникновения поля, чтобы эффективно подавлять потери в проводнике, то есть в полосковых проводниках часть скин-поля, через которую проходит высокочастотный ток СВЧ-диапазона, увеличивается, чтобы увеличить эффективную площадь сечения полосковых проводников;
(b) пара полосковых проводников выполнена с возможностью взаимной проводимости на одном конце через сквозное отверстие и с возможностью взаимной проводимости на другом конце через сквозное отверстие; и
(с) электрическое поле резонатора распределяется так, что оно направлено от каждого полоскового проводника к заземленному проводнику, как показано на фиг. 3 данной публикации.
Однако проблема состоит в том, что размер и вес вышеупомянутой структуры (а) трудно уменьшить, и резонатор имеет относительно малый коэффициент уменьшения потерь в проводнике, а также относительно низкую ненагруженную добротность.
В основу настоящего изобретения положена задача решения перечисленных выше проблем и создание высокочастотного электрода, который позволяет заметно снизить потери в проводнике по сравнению с известным аналогом, а также уменьшить размер и вес продукта данного изобретения и обеспечить высокочастотную линию передачи, высокочастотный резонатор, высокочастотный фильтр и высокочастотное устройство.
Раскрытие изобретения
Предложены тонкопленочный многослойный электрод, связанный по высокочастотному электромагнитному полю, тонкопленочная многослойная линия передачи и т. п., способные заметно уменьшить потери в проводнике за счет подавления скин-эффекта и имеющие конструкцию, совершенно отличающуюся от известного резонатора, а именно, содержащую тонкопленочный многослойный электрод, полученный путем поочередной укладки тонкопленочного проводника и тонкопленочного диэлектрика, причем толщина пленки каждого тонкопленочного проводника меньше глубины проникновения поля (толщины скин-слоя) δo на используемой частоте.
Предлагаемый тонкопленочный многослойный электрод, связанный по высокочастотному электромагнитному полю, характеризуется тем, что
тонкопленочные проводники (21-25) и тонкопленочные диэлектрики (31-34) уложены поочередно таким образом, что образуется многослойная структура из множества линий передачи ТЕМ-моды (L2-L5), причем каждая линия передачи ТЕМ-моды содержит пару тонкопленочных проводников (21 и 22, 22 и 23, 23 и 24, 24 и 25), между которыми проложен каждый из тонкопленочных диэлектриков (31- 34),
в котором на основании числа (n) многослойных слоев тонкопленочных проводников (21-25) и тонкопленочных диэлектриков (31-34) толщину пленки каждого из тонкопленочных диэлектриков (31- 34) задают таким образом, чтобы фазовые скорости ТЕМ-волн, распространяющихся по меньшей мере по двум из множества линий передачи ТЕМ-моды (L2-L5), были по существу равны,
и в котором на основании числа (n) многослойных слоев тонкопленочных проводников (21-25) и тонкопленочных диэлектриков (31-34) толщину пленки каждого из тонкопленочных проводников (21- 25) выполняют меньше глубины проникновения поля на используемой частоте, так что электромагнитные поля по меньшей мере двух из множества линий передачи ТЕМ-моды (L2-L5) связаны друг с другом. При этом каждый из тонкопленочных проводников (21-25) предпочтительно выполняют из сверхпроводящего материала.
Предлагаемая высокочастотная линия передачи содержит по меньшей мере один проводник, содержащий тонкопленочный многослойный электрод, в котором тонкопленочные проводники (21-25) и тонкопленочные диэлектрики (31-34) уложены поочередно, так что образуется множество линий передачи ТЕМ-моды (L2-L5), каждая из которых содержит пару тонкопленочных проводников (21 и 22, 22 и 23, 23 и 24, 24 и 25), между которыми проложен каждый из тонкопленочных диэлектриков (31-34),
в которой на основании числа (n) многослойных слоев тонкопленочных проводников (21-25) и тонкопленочных диэлектриков (31-34) толщину пленки каждого из тонкопленочных диэлектриков (31-34) задают таким образом, чтобы фазовые скорости ТЕМ-волн, распространяющихся по меньшей мере по двум из множества линий передачи ТЕМ-моды (L2-L5), были по существу равны,
и в которой на основании числа (n) многослойных слоев тонкопленочных проводников (21-25) и тонкопленочных
диэлектриков (31-34) толщину пленки каждого из тонкопленочных проводников (21-25) выполняют меньше глубины проникновения поля на используемой частоте, так что электромагнитные поля по меньшей мере двух из множества линий передачи ТЕМ-моды (L2-L5) связаны друг с другом. При этом каждая высокочастотная линия передачи реализуется, например, в форме волновода.
Предлагаемая высокочастотная линия передачи содержит
первую линию передачи (L1); и
по меньшей мере одну вторую линию передачи ТЕМ-моды (L2- L5), в которой тонкопленочный проводник (21-25) и тонкопленочный диэлектрик (31-34) уложены поочередно, так что вторая линия передачи ТЕМ-моды (L2-L5) содержит пару тонкопленочных проводников (21 и 22, 22 и 23, 23 и 24, 24 и 25), между которыми проложен каждый тонкопленочный диэлектрик (31-34),
в которой на основании числа (n) многослойных слоев тонкопленочных проводников (21-25) и тонкопленочных диэлектриков (31-34) толщину пленки каждого из тонкопленочных диэлектриков (31-34) задают таким образом, чтобы фазовая скорость электромагнитной волны, распространяющейся по первой линии передачи (L1), и фазовая скорость ТЕМ-волны, распространяющаяся по меньшей мере по одной второй линии передачи (L2-L5), были по существу равны,
и в которой на основании числа (n) многослойных слоев тонкопленочных проводников (21-25) и тонкопленочных диэлектриков (31-34) толщину тонкопленочных проводников (21-25) выполняют меньше глубины проникновения поля на используемой частоте, так что электромагнитное поле первой линии передачи (L1) и электромагнитное поле по меньшей мере одной второй линии передачи (L2-L5) связаны друг с другом.
В описанной выше высокочастотной линии передачи действующую диэлектрическую проницаемость тонкопленочного диэлектрика (31-34), составляющего вторую линию передачи (L2-L5), предпочтительно выбирают меньше действующей диэлектрической проницаемости диэлектрика, составляющего первую линию передачи (L1). За счет этого фазовая скорость электромагнитной волны, распространяющейся по первой линии передачи (L1), и фазовая скорость ТЕМ-волны, распространяющейся по меньшей мере по одной второй линии передачи (L2-L5), могут быть по существу равными друг другу.
В описанной выше высокочастотной линии передачи толщину тонкопленочного диэлектрика (31-34), составляющего вторую линию передачи (L2-L5), выполняют меньше толщины диэлектрика, составляющего первую линию передачи (L1). За счет этого может быть сокращено время, необходимое для процесса формирования пленки второй линии передачи (L2-L5), и может быть получена линия передачи с низким полным сопротивлением, имеющая полное сопротивление ниже полного сопротивления второй линии передачи (L2-L5), что позволяет снизить потери при передаче.
В предложенной высокочастотной линии передачи высокочастотная линия передачи (L1) предпочтительно является микрополосковой линией передачи. При этом микрополосковую линию передачи выполняют таким образом, чтобы вторая линия передачи (L2-L5) была сформирована как микрополосковый проводник на первой поверхности диэлектрической подложки (10), в то время как заземленный проводник (11) формируется на второй поверхности диэлектрической подложки (10). Альтернативно, микрополосковую линию передачи выполняют таким образом, чтобы вторая линия передачи (L2-L5) была сформирована как микрополосковый проводник на первой поверхности диэлектрической подложки (10), в то время как другую вторую линию передачи (L2-L5) формируют как заземленный проводник на второй поверхности диэлектрической подложки (10). Также, высокочастотную линию передачи предпочтительно выполняют как полосковую линию передачи. Кроме того, высокочастотную линию передачи предпочтительно выполняют как коаксиальную линию передачи. В высокочастотной линии передачи тонкопленочные проводники (21-25) выполняют из сверхпроводящего материала.
Предлагаемый высокочастотный резонатор содержит вышеупомянутую высокочастотную линию передачи, имеющую определенные размеры. При этом высокочастотная линия передачи предпочтительно имеет длину, равную четверти длины волны в волноводе сигнала, передаваемого по высокочастотной линии передачи, в направлении передачи сигнала.
Предлагаемый высокочастотный фильтр содержит высокочастотный резонатор, имеющий определенную длину, ввод (12) для ввода высокочастотного сигнала в высокочастотный резонатор и вывод (13) для вывода высокочастотного сигнала из высокочастотного резонатора.
Предлагаемый высокочастотный режекторный фильтр содержит линию передачи (L10) для ввода высокочастотного сигнала на одном ее конце и вывода высокочастотного сигнала на другом конце и высокочастотный резонатор для соединения с линией передачи (L10). В высокочастотном резонаторе высокочастотная линия передачи предпочтительно имеет длину, равную четверти или половине длины волны в волноводе сигнала, передаваемого по высокочастотной линии передачи, в направлении передачи сигнала.
Предлагаемый диэлектрический резонатор содержит корпус (77) резонатора, включающий проводник и диэлектрик (76), который имеет заданную конфигурацию и расположен внутри корпуса (77) резонатора, причем проводник выполнен в форме описанного выше тонкопленочного многослойного электрода, связанного по высокочастотному электромагнитному полю.
Предлагаемый высокочастотный фильтр содержит диэлектрический резонатор, ввод для ввода высокочастотного сигнала в диэлектрический резонатор, причем ввод электромагнитно связан с диэлектрическим резонатором, и вывод для вывода высокочастотного сигнала из диэлектрического резонатора, причем вывод электромагнитно связан с диэлектрическим резонатором.
Предлагаемое высокочастотное устройство содержит электрод и выполняет установленную высокочастотную операцию, причем электрод является описанным выше тонкопленочным многослойным электродом, связанным по высокочастотному электромагнитному полю.
В упомянутом выше тонкопленочном многослойном электроде, связанном по высокочастотному электромагнитному полю, когда линия передачи ТЕМ-моды (L2-L5) возбуждается сигналом высокой частоты, каждый тонкопленочный проводник (21-25) передает часть высокочастотной мощности, попадающей на него через соседний тонкопленочный диэлектрик (31- 34), к тонкопленочному проводнику (21-25), расположенному рядом в другом направлении, отражая в то же время часть высокочастотной мощности на соседний тонкопленочный проводник (21- 25) через тонкопленочный диэлектрик (31-34). В тонкопленочных диэлектриках (31-34), каждый из которых проложен между двумя соседними тонкопленочными проводниками (21 и 22, 22 и 23, 23 и 24, 24 и 25), волна отражения и волна передачи резонируют, в то время как два противоположно направленных и обращенных друг к другу тока высокой частоты проходят вблизи верхней и нижней поверхностей тонких пленок проводников (21-25). Следовательно, из-за того, что толщина пленки каждого тонкопленочного проводника (21-25) меньше глубины проникновения поля δo два противоположно направленных и обращенных друг к другу высокочастотных тока интерферируют и взаимно нейтрализуются друг другом, за исключением их некоторой остающейся части. При этом в тонкопленочном многослойном электроде, связанном по высокочастотному электромагнитному полю, резонансная энергия или энергия передачи соседних тонкопленочных диэлектриков (31-34) объединяются друг с другом через тонкопленочные проводники (21-25). С другой стороны, тонкопленочные диэлектрики (31-34) имеют ток смещения, созданный электромагнитным полем, что обуславливает генерирование высокочастотного тока на поверхности их соседних тонкопленочных проводников (21-25).
Кроме того, поскольку фазовые скорости ТЕМ-волн, которые распространяются по меньшей мере по двум из множества линий передачи ТЕМ-моды (L2-L5), выбраны по существу равными друг другу, токи высокой частоты, проходящие через тонкопленочные проводники (21-25), будут по существу синфазными. В результате этого высокочастотные токи, протекающие в тонкопленочных проводниках (21-25), синфазно увеличивают действующую глубину проникновения поля δo. Следовательно, при возбуждении сигналом высокой частоты электромагнитная энергия высокой частоты передается на соседние линии передачи (L2-L5) через электромагнитную связь соседних линий передачи ТЕМ-моды (L2-L5), электромагнитные поля которых связаны, тогда как электромагнитная энергия распространяется вдоль линий передачи (L2-L5). При этом электромагнитная энергия высокой частоты распространяется вдоль этих линий по электромагнитно связанным линиям передачи (L2-L5), так что энергия распространяется с эффективно возрастающей глубиной проникновения поля δo т.е. с меньшим поверхностным сопротивлением Rs.
В высокочастотной линии передачи проводник выполнен в виде тонкопленочного многослойного электрода, связанного по высокочастотному электромагнитному полю, так что этот проводник имеет меньшее поверхностное сопротивление Rs, как и вышеупомянутый электрод. Следовательно, данная высокочастотная линия передачи является линией передачи, имеющей исключительно малые потери при передаче.
В упомянутой выше высокочастотной линии передачи вторая линия передачи (L2-L5) формируется из пары тонкопленочных проводников (21-25), между которыми проложен тонкопленочный диэлектрик (31-34) путем поочередной укладки тонкопленочных проводников (21-25) и тонкопленочных диэлектриков (31-34), причем фазовую скорость электромагнитной волны, распространяющейся по первой линии передачи (L1), и фазовую скорость ТЕМ-волны, распространяющейся по меньшей мере по одной второй линии передачи (L2-L5), устанавливают по существу равными друг другу, и толщину каждого тонкопленочного проводника (21-25) выполняют меньше глубины проникновения поля на используемой частоте, так что электромагнитное поле первой линии передачи (L1) и электромагнитное поле по меньшей мере одной второй линии передачи (L2-L5) связаны друг с другом. В высокочастотной линии передачи между первой линией передачи (L1) и по меньшей мере одной второй линией передачи (L2-L5) имеет место явление, аналогичное явлению в упомянутом выше тонкопленочном многослойном электроде. То есть, поскольку энергия высокочастотного электромагнитного поля распространяется вдоль линии передачи по вторым линиям передачи (L2-L5), электромагнитно связанным друг с другом, эта энергия распространяется с эффективно большей глубиной проникновения поля δo т.е. при меньшем поверхностном сопротивлении Rs. Следовательно, данные высокочастотные линии передачи имеют исключительно малые потери при передаче.
Высокочастотный резонатор также содержит вышеупомянутые высокочастотные линии передачи, имеющие установленные размеры. Следовательно, резонатор имеет исключительно малые потери при передаче и более высокую ненагруженную добротность.
В этом диэлектрическом резонаторе проводник корпуса резонатора (77) выполнен как описанный выше тонкопленочный многослойный электрод, связанный по высокочастотному электромагнитному полю, и поэтому диэлектрический резонатор имеет исключительно высокую ненагруженную добротность.
Высокочастотный фильтр также снабжен высокочастотным резонатором, имеющим установленную длину, образуя тем самым полосовой или режекторный фильтр, любой из которых имеет исключительно высокую ненагруженную добротность.
Кроме того, в высокочастотном режекторном фильтре описанный выше высокочастотный резонатор, имеющий установленную длину, функционирует как схема режекции, создавая тем самым режекторный фильтр, имеющий исключительно высокую ненагруженную добротность.
В высокочастотном устройстве электрод является вышеупомянутым тонкопленочным многослойным электродом, связанным по высокочастотному электромагнитному полю, в результате чего данное высокочастотное устройство имеет исключительно малые потери в проводнике.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - перспективный вид фильтра с резонатором на полуволновом отрезке линии передачи, в котором использована тонкопленочная многослойная линия передачи, связанная по высокочастотному электромагнитному полю, являющегося первым вариантом изобретения.
Фиг. 2 - вид в разрезе резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по линии А-А' на фиг. 1.
Фиг. 3 - схематическое изображение продольного разреза резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1 и подсоединенной к нему схемы.
Фиг. 4 - эквивалентная схема резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1.
Фиг 5. - график, показывающий частотную характеристику коэффициента пропускания S21, полученный в результате моделирования резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1.
Фиг. 6 - график, показывающий частотные характеристики соответствующих амплитуд токов, проходящих через тонкопленочные проводники 21-25, полученный в результате моделирования резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1.
Фиг. 7 - график, показывающий частотные характеристики разностей фаз токов, проходящих через тонкопленочные проводники 21-25, полученные в результате моделирования резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1.
Фиг. 8 - график, показывающий частотные характеристики коэффициентов пропускания S21 с использованием числа n многослойных слоев как параметра, полученные в результате моделирования резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1.
Фиг. 9 - график, показывающий зависимость между нормированной толщиной пленки проводника Δε/δo возрастающим коэффициентом добротности при использовании числа n многослойных слоев как параметра, полученную в результате моделирования резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1.
Фиг. 10 - график, показывающий оптимальные конструкционные условия для выравнивания фазовых скоростей для характеристики действующей диэлектрической проницаемости εs/εm к нормированной толщине диэлектрической пленки Δxs/δo с использованием числа n многослойных слоев как параметра, полученные в результате моделирования резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1.
Фиг. 11 - распределение плотностей тока проводников, по которым была передана высокочастотная волна.
Фиг. 12 - идеальное распределение плотностей тока в тонкопленочной многослойной линии передачи по фиг. 1, по которой была передана высокочастотная волна.
Фиг. 13 - фактическое распределение плотностей тока в тонкопленочной многослойной линии передачи по фиг. 1, по которой была передана высокочастотная волна.
Фиг. 14 - алгоритм определения оптимальных параметров резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1.
Фиг. 15 - алгоритм определения минимизированного поверхностного сопротивления в резонаторе на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1.
Фиг. 16 - эквивалентная схема фильтра с резонатором на полуволновом отрезке линии передачи с использованием тонкопленочной многослойной линии передачи, связанной по электромагнитному полю, которая является вторым вариантом изобретения.
Фиг. 17 - график, показывающий частотную характеристику коэффициента пропускания S21, полученную в результате моделирования резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 16.
Фиг. 18 - перспективный вид режекторного фильтра на четвертьволновом отрезке линии передачи с использованием тонкопленочной многослойной линии передачи, связанной по электромагнитному полю, который является третьим вариантом изобретения.
Фиг. 19 - эквивалентная схема режекторного фильтра на четвертьволновом отрезке линии передачи по фиг. 18.
Фиг. 20 - виды разных линий передачи для СВЧ-диапазона и волноводов, в которых использован предложенный тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю, на которой
Фиг. 20 (a) - перспективный вид микрополосковой линии передачи, в которой использован предложенный тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю;
Фиг. 20 (b) - перспективный вид полосковой линии, в которой использован предложенный тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю;
Фиг. 20 (с) - перспективный вид коаксиальной линии передачи, в которой использован предложенный тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю; и
Фиг. 20 (d) - продольное сечение круглого волновода ТМ01 - моды, в котором использован предложенный тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю.
Фиг. 21 - схематический вид продольного сечения резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1 в продольном направлении, иллюстрирующий его работу.
Фиг. 22 - эквивалентная схема четырехконтактной схемы по фиг. 4.
Фиг. 23 - перспективный вид, изображающий модифицированный вариант двухмодового диэлектрического резонатора типа ТM110.
Фиг. 24 - продольное сечение, изображающее модифицированный вариант двухступенчатого диэлектрического полосового фильтра моды ТМ01 δ
Фиг. 25 - график, показывающий действующую величину тока, проходящего по каждому тонкопленочному проводнику 21 -25 и заземленному проводнику 11, относительно расстояния пропускания, когда толщина пленки Δxs тонкопленочных диэлектриков 31-34 выполнена меньшей в предлагаемой тонкопленочной многослойной линии передачи.
Фиг. 26 - график, показывающий действующую величину тока, проходящего по каждому тонкопленочному проводнику 21-25 и заземленному проводнику, относительно расстояния пропускания в том случае, когда толщина пленки Δxs тонкопленочных диэлектриков 31-34 выполнена большей в предложенной тонкопленочной многослойной линии передачи.
Фиг. 27 - вид в сечении модифицированного варианта с использованием тонкопленочной многослойной линии передачи в качестве заземленного проводника в резонаторе на полуволновом отрезке линии передачи с использованием тонкопленочной многослойной линии передачи, связанной по электромагнитному полю, согласно первому варианту изобретения.
Фиг. 28 - график, показывающий относительную амплитуду тока, проходящего по каждому тонкопленочному проводнику 21-25 и заземленному проводнику 11, относительно расстояния пропускания резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1.
Вариант наилучшего осуществления изобретения
Ниже описаны варианты настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. Следует отметить, что одни и те же элементы обозначены на чертежах одинаковыми номерами позиций.
Первый вариант
На фиг. 1 представлен перспективный вид фильтра с использованием резонатора на полуволновом отрезке линии передачи с тонкопленочной многослойной линией передачи, связанной по электромагнитному полю, являющегося первым вариантом изобретения, а на фиг. 2 показан вид данного резонатора в разрезе по линии А- А' на фиг. 1.
В первом варианте резонатора на полуволновом отрезке линии передачи использована тонкопленочная многослойная линия передачи, связанная по электромагнитному полю, с предлагаемым тонкопленочным многослойным электродом, связанным по электромагнитному полю, в структуре которого тонкопленочные проводники 21-25 и тонкопленочные диэлектрики 31-34 уложены поочередно в виде множества слоев. В тонкопленочной многослойной линии передачи, связанной по электромагнитному полю, микрополосковая линия передачи ТЕМ-моды (ниже именуемая как линия основной передачи) L1 выполнена из тонкопленочного проводника 21, заземленного проводника 11 и диэлектрической подложки 10, расположенной между тонкопленочным проводником 21 и заземленным проводником 11, а четыре микрополосковые линии передачи ТЕМ-моды (ниже именуемые как линии субпередачи) L2-L5, уложены слоями на линии основной передачи L1, причем каждая линия субпередачи выполнена таким образом, что один тонкопленочный диэлектрик проложен между парой тонкопленочных проводников. На фиг. 1 и последующих чертежах к номерам позиций диэлектриков через запятую добавляются номера линий передачи.
Более конкретно, резонатор на полуволновом отрезке линии передачи характеризуется следующим:
а) толщине пленки Δxs и диэлектрической проницаемости, εs каждого из тонкопленочных диэлектриков 31-34 придают установленные значения, соответственно, чтобы фазовые скорости ТЕМ-волн, которые распространяются по соответствующим линиям передачи L2-L5, были по существу равны друг другу; и
b) толщине пленки Δε каждого тонкопленочного проводника 21-25 придают установленную величину меньше глубины проникновения поля δo на используемой частоте, так что между соседними линиями передачи L1 и L2, L2 и L3, L3 и L4, L4 и L5 их электромагнитные поля связаны друг с другом.
При такой компоновке высокочастотная энергия, проходящая по линии основной передачи L1, передается на соседние линии субпередачи L2- L5, так что высокочастотный ток по существу однородно проходит по соответствующим тонкопленочным проводникам 21-25, и это приводит к заметному подавлению скин-эффекта, вызванного высокой частотой.
Как показано на фиг. 1 на диэлектрической подложке 10, имеющей заземленный проводник 11, сформированный по всей ее задней поверхности, выполнен в форме полосы тонкопленочный проводник 21, продольная длина которого λ/2 (где λд - длина волны в волноводе). В этой компоновке линия основной передачи L1 в форме микрополосковой линии передачи выполнена из тонкопленочного проводника 21, заземленного проводника 11 и диэлектрической подложки 10, расположенной между тонкопленочным проводником 21 и заземленным проводником 11. Далее, на тонкопленочном проводнике 21 сформированы тонкопленочный диэлектрик 31, тонкопленочный проводник 22, тонкопленочный диэлектрик 32, тонкопленочный проводник 23, тонкопленочный диэлектрик 33, тонкопленочный проводник 24, тонкопленочный диэлектрик 34 и тонкопленочный проводник 25, уложенные в указанном порядке. При этом линии субпередачи L2 - L5 сформированы следующим образом:
(а) тонкопленочный диэлектрик 31 проложен между парой тонкопленочных проводников 21 и 22, и это образует линию субпередачи L2;
(b) тонкопленочный диэлектрик 32 проложен между парой тонкопленочных проводников 22 и 23, и это образует линию субпередачи L3;
(с) тонкопленочный диэлектрик 33 проложен между парой тонкопленочных проводников 23 и 24, и это образует линию субпередачи L4;
(d) тонкопленочный диэлектрик 34 проложен между парой тонкопленочных проводников 24 и 25, и это образует линию субпередачи L5.
Следует отметить, что толщина пленки Δε каждого тонкопленочного проводника 21-25 и толщина пленки Δxs каждого соответствующего тонкопленочного диэлектрика 31-34 выбирается, как будет описано ниже, с использованием алгоритма определения оптимальных параметров по фиг. 12.
Далее, на диэлектрической подложке 10 сформирован входной проводник 12, выполненный на заданном расстоянии g1 от одного продольного конца тонкопленочного проводника 21 и достаточно близко к нему, чтобы между ними была электромагнитная связь, а выходной проводник 13 сформирован на расстоянии g2 от другого продольного конца тонкопленочного проводника 21 и достаточно близко, чтобы между ними была электромагнитная связь. Следует отметить, что в первом варианте связь как между входным проводником 12 и одним концом тонкопленочного проводника 21, так и между выходным проводником 13 и другим концом тонкопленочного проводника 21 является емкостной.
В данном случае диэлектрическую подложку 10 выполняют, например, из сапфира, который является монокристаллом глинозема, а тонкопленочные диэлектрики 31-34 выполняют, например, из SiO2. С другой стороны, заземленный проводник 11 и тонкопленочные проводники 21-25 выполнены из таких проводников, как Cu, Ag или Au, обладающих удельной электропроводностью.
На фиг. 2 показаны распределения электрического и магнитного полей в резонаторе на полуволновом отрезке линии передачи, выполненном как было описано выше. На фиг. 2 представлен вид в сечении, но заштриховка диэлектриков отсутствует.
Как видно из фиг. 2, электрические поля распределяются в направлении, перпендикулярном поверхностям тонкопленочных проводников 21-25, и идентично друг другу. С другой стороны, магнитные поля распределяются в направлении, параллельном поверхностям тонкопленочных проводников 21-25, и идентично друг другу. Это свидетельствует, что электромагнитные поля соответствующих линий передачи L2-L5 связаны друг с другом.
На фиг. 3 схематически изображено сечение резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1 в продольном направлении, и подсоединенная к нему схема, а на фиг. 4 - эквивалентная схема резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1.
Как показано на фиг. 4, линия основной передачи L1 содержит распределенный постоянный контур, состоящий из единичных распределенных постоянных LC-контуров, соединенных последовательно и имеющих катушки индуктивности L11, L12,..., L1n и конденсаторы C11, C12,..., C1n. Источник сигнала Vsg для возбуждения резонатора Vsg и его внутреннего сопротивления Rsg подключен к одному концу линии основной передачи L1 через идеальный трансформатор T11, имеющий коэффициент трансформации, соответствующий интервалу g1, а нагрузочное сопротивление RL подключено к другому концу линии основной передачи L1 через идеальный трансформатор Т12, имеющий коэффициент трансформации, соответствующий интервалу g2. Следует отметить, что коэффициент трансформации всех последующих идеальных трансформаторов составляет 1:1. В линии основной передачи L1 идеальные трансформаторы T111, Т112,...T11n установлены таким образом, чтобы соединяться с нижней линией на чертеже между соответствующими единичными распределенными постоянными контурами, и идеальные трансформаторы T111, T112, . , T11n заземлены через четырехконтактные схемы F1, F2,. Fn, которые содержат распределенный постоянный контур, включающий сопротивление потерь, и через идеальные трансформаторы Т101, Т102,.Т10n, соответственно.
Следует отметить, что четырехконтактные схемы (обозначенные как F + номер), которые упоминаются ниже, эквивалентны схемам проводника заземления 11 и тонкопленочных проводников 21-25, и каждая из четырехконтактных схем содержит распределенный постоянный контур, включающий сопротивление потерь, как показано на фиг. 22. Более конкретно, каждая четырехконтактная схема имеет эквивалентную схему, в которой последовательно соединено множество единичных контуров, каждый из которых имеет удельную проводимость gdx, удельную емкость cdx и удельную индуктивность ldx. При этом удельная проводимость gdx, удельная емкость cdx и удельная индуктивность ldx выражаются следующими уравнениями, соответственно:
gdx = δ/(Δy/dz)dx,
cdx = εo/(Δy/dz)dx,
ldx = μo/(dz/Δy)dx,
где δ - удельная электропроводность заземленного проводника 11 и тонкопленочных проводников 21-25;
εo - диэлектрическая проницаемость в вакууме;
μo - магнитная проницаемость в вакууме;
dx - бесконечно малая длина заземленного проводника 11 и тонкопленочных проводников 21-25 в направлении их толщины;
Δy - ширина линии; и
dx - бесконечно малая длина в направлении распространения.
Линия субпередачи L2 содержит распределенный постоянный контур, в котором единичные распределенные постоянные LC-контуры соединены последовательно и который имеет катушки индуктивности L21, L22,..., L2n и конденсаторы C21, C22, ..., C2n. Идеальный трансформатор Т21, первичный виток которого открыт, подключен к одному концу линии субпередачи L2, в то время как идеальный трансформатор Т22, вторичный виток которого открыт, подключен к другому концу линии субпередачи L2. Далее, линии субпередачи L3, L4 и L5 выполнены следующим образом, аналогично линии субпередачи L2. Линия субпередачи 13 содержит распределенный постоянный контур, в котором единичные распределенные LC-контуры соединены последовательно и который имеет катушки индуктивности L31, L32,..., L3n и конденсаторы C31, C32,..., C3n. Идеальный трансформатор Т31, первичный виток которого открыт, подключен к одному концу линии субпередачи L3, а идеальный трансформатор Т32, вторичный виток которого открыт, подключен к другому концу линии субпередачи L3. Линия субпередачи L4 также содержит распределенный постоянный контур, в котором единичные распределенные постоянные LC-контуры соединены последовательно и который имеет катушки индуктивности L41, L42,..., L4n и конденсаторы C41, C42,..., C4n. Идеальный трансформатор Т41, первичный виток которого открыт, подключен к одному концу линии субпередачи L4, а идеальный трансформатор Т42, вторичный виток которого открыт, подключен к другому концу линии субпередачи L4. Линия субпередачи L5 содержит распределенный постоянный контур, в котором единичные распределенные постоянные LC-контуры соединены последовательно и который имеет катушки индуктивности L51, L52,., L5n и конденсаторы C51, C52,..., C5n. Идеальный трансформатор Т51, первичный виток которого открыт, подключен к одному концу линии субпередачи L5, а идеальный трансформатор Т52, вторичный виток которого открыт, подключен к другому концу линии субпередачи L5.
Эквивалентная схема в тонкопленочном проводнике 21 для соединения соседних линий передачи L1 и L2 друг с другом выполнена следующим образом. В линии основной передачи L1 идеальные трансформаторы Т121, Т122,..., Т12n установлены таким образом, чтобы быть подключенными к верхней линии на чертеже между единичными распределенными постоянными контурами. Идеальные трансформаторы Т121, Т122,..., Т12n соответственно подключены к идеальным трансформаторам Т211, Т212,..., Т21n, установленным таким образом, чтобы соединяться с нижней линией на чертеже между единичными распределенными постоянными контурами линии субпередачи L2, соответственно, через четырехконтактные схемы F11, F12,..., F1n, соответствующие тонкопленочному проводнику 21.
Эквивалентная схема в тонкопленочном проводнике 22 для соединения соседних линий передачи L2 и L3 друг с другом выполнена следующим образом. В линии субпередачи L2 идеальные трансформаторы Т221, Т222,..., Т22n установлены таким образом, чтобы быть подключенными к верхней линии на чертеже между элементарными распределенными схемами. Идеальные трансформаторы Т221, Т222,... , Т22n соответственно подключены к идеальным трансформаторам Т311, Т312,..., Т31n, установленным таким образом, чтобы соединяться с нижней линией на чертеже между единичными распределенными постоянными контурами линии субпередачи L3, соответственно, через четырехконтактные схемы F21, F22,..., F2n, соответствующие тонкопленочному проводнику 22.
Эквивалентная схема в тонкопленочном проводнике 23 для соединения соседних линий передачи L3 и L4 друг с другом выполнена следующим образом. В линии субпередачи L3 идеальные трансформаторы Т321, Т322,..., Т32n установлены таким образом, чтобы быть подключенными к верхней линии на чертеже между единичными распределенными постоянными контурами. Идеальные трансформаторы Т321, Т322, ..., Т32n соответственно подключены к идеальным трансформаторам Т411, Т412, . . . , Т41n, установленным таким образом, чтобы соединяться с нижней линией на чертеже между единичными распределенными постоянными контурами линии субпередачи L4, соответственно, через четырехконтактные схемы F31, F32,.., F3n, соответствующие тонкопленочному проводнику 23.
Эквивалентная схема в тонкопленочном проводнике 24 для соединения соседних линий передачи L4 и L5 друг с другом выполнена следующим образом. В линии субпередачи L4 идеальные трансформаторы Т421, Т422,..., Т42n установлены таким образом, чтобы быть подключенными к верхней линии на чертеже между единичными распределенными постоянными контурами. Идеальные трансформаторы Т421, Т422, ..., Т42n соответственно подключены к идеальным трансформаторам Т511, Т512, . . . , Т51n, установленным таким образом, чтобы соединяться с нижней линией на чертеже между единичными распределенными постоянными контурами линии субпередачи L5, соответственно, через четырехконтактные схемы F41, F42,..., F4n, соответствующие тонкопленочному проводнику 24.
Эквивалентная схема, соответствующая распределению электромагнитного поля, излучаемого из тонкопленочного проводника 25 в пространство, выполнена следующим образом. В линии субпередачи L5 идеальные трансформаторы Т521, Т522,..., Т52n установлены таким образом, чтобы быть подключенными к верхней линии на чертеже между единичными распределенными постоянными распределенными контурами. Идеальные трансформаторы Т521, Т522,..., Т52n соответственно подключены к нагрузочным сопротивлениям RL1, RL2,..., RLn и идеальным трансформаторам Т531, Т532,..., Т53n, соответствующим тонкопленочному проводнику 25.
Далее описывается алгоритм определения оптимальных параметров резонатора по фиг. 1 и алгоритм определения минимизированного поверхностного сопротивления Rs с использованием следующих параметров: n - число многослойных слоев, ωo - используемая угловая частота пропускания (возбуждения); μo - магнитная проницаемость в вакууме; δ - удельная электропроводность каждого тонкопленочного проводника 21-25; δo - глубина проникновения поля при угловой частоте пропускания ωo εs - диэлектрическая проницаемость каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 линий субпередачи L2-L5; εm - диэлектрическая проницаемость диэлектрической подложки 10 линии основной передачи L1; Δxs - толщина пленки каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 линий субпередачи L2 - L5; Δxm - толщина диэлектрической подложки 10 линии основной передачи L1; Δε - толщина пленки каждого тонкопленочного проводника 21-25; Δy - (ширина линии) = (ширина каждого тонкопленочного проводника 21-25) = (ширина каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34); βs - фазовая постоянная каждой линии субпередачи L2 - L5; и βm - фазовая постоянная линии основной передачи L1.
Рекуррентная формула полного сопротивления Z на линиях передачи L1 - L5, нормированного в безразмерное, на основании эквивалентной схемы, представленной на фиг. 4, может быть представлена следующим уравнением (1а):
Zk = -jw + Z+ [Y + (Z + Zk +1) (1а)
k= 0,1,2,...,n-1
где энное комплексное полное сопротивление Zn представлено как

В приведенном выше уравнении индекс k полного сопротивления Z показывает номер линии по порядку возрастания от 0 для линии основной передачи L1 в направлении линий субпередачи L2 - L5 верхних слоев. Кроме того, полное сопротивление Z и полная проводимость Y определяются соответственно функциями, каждая из которых представлена с параметром среды ε используемым как параметр в следующих уравнениях (2) и (3):
Z = (1+j)th((1+j)/2·ε) (2)
Y = 1/(1+j)sh((1+j)·ε (3)
Структурный параметр w и параметр среды определяются соответственно следующими уравнениями (4) и (5):
w ≡ (2Δxs/δo)·(εm/εs-1) (4)
ε ≡ Δε/δo (5)
где δo глубина проникновения поля при угловой частоте пропускания ωo и определяется следующим уравнение (6):

Поскольку полное сопротивление Zn может рассматриваться как граничное состояние вакуумного слоя, как показано в уравнении (1b), полное сопротивление Zo определяется как двухпараметровая функция структурного параметра w и параметра среды ε по следующему уравнению (7):
Zo = Zo(w,ε) (7)
B уравнении (7), когда фактическая величина полного сопротивления Zo минимальная, становится минимальным поверхностное сопротивление Rs тонкопленочных многослойных линий передачи. Следовательно, структурный параметр w параметр среды ε полученные, когда поверхностное сопротивление Rs минимальное, рассматриваются как оптимальные заданные значения и представляются как Wopt и εopt соответственно. При этом уравнение (8) имеет вид
Rs-Re(Zo(Wopt,εopt))/δδo (8)
Если оптимальные значения Wopt и εopt подставить в уравнение (8), можно определить толщину диэлектрической пленки Δxs и толщину пленки проводника Δε каждой линии субпередачи L2-L5, а затем получить следующие уравнения (9) и (10):
Δxs = wopt(δo/2·εm/εs-1)-1 (9)
Δε = εoptδo (10)
Далее описывается способ определения оптимальных параметров Wopt и εopt и минимизированного поверхностного сопротивления Rs в резонаторе на полуволновом отрезке линии передачи согласно данному изобретению. При этом допускается, что предварительно заданы число n многослойных слоев, удельная электропроводность δ каждого тонкопленочного проводника 21-25, глубина проникновения поля δo, диэлектрическая проницаемость εs каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 и диэлектрическая проницаемость εm диэлектрической подложки 10.
На фиг. 14 представлен алгоритм определения оптимальных параметров Wopt и εopt для предложенного резонатора на полуволновом отрезке линии передачи.
Как показано на фиг. 14, на этапе S1 определяют рекуррентную формулу (1) для n-слоев на основании установленного числа n слоев. Затем на основании рекуррентной формулы для n слоев делают следующие определения.
На этапе S2 определяют оптимальный структурный параметр Wopt на основании оптимизации выравнивания фазовых скоростей β ТЕМ-волн, которые распространяются по линиям передачи L1 - L5. Затем, на этапе S3, определяют толщину пленки Δxs каждого тонкопленочного диэлектрика 31 - 34 линий субпередачи L2- L5 с помощью уравнения (9).
На этапе S4 определяют оптимальный структурный параметр εopt на основании оптимизации энергетической связи. Затем, на этапе S5 определяют толщину Δε каждого тонкопленочного проводника 21-25 на основании уравнения (10). Конкретно, на этапах S2 и S4 определяют структурный параметр и w и параметр среды ε так, чтобы действительная часть Re, (Zo(w,ε)) безразмерного полного сопротивления Zo = Zo(w,ε) k=0, определенная по рекуррентной формуле (1) для n-слоев, была минимальной, а затем результирующие значения принимаются за оптимизированные структурный параметр Wopt и параметр среды εopt
На фиг. 15 представлен алгоритм определения минимизированного поверхностного сопротивления Rs в предложенном резонаторе на полуволновом отрезке линии передачи. Как показано на фиг. 15, на этапе S11 определяют значение Re (Zo(Wopt, εopt ) на основании рекуррентной формулы (1) для n слоев и оптимизированный структурный параметр εopt. Затем на этапе S12 определяют минимизированное поверхностное сопротивление Rs путем подстановки в уравнение (8) значения Re (Zo(Wopt, εopt ), определенного на этапе S11, удельной электропроводности δ каждого тонкопленочного проводника 21-25 и глубины проникновения поля δo.
В данном варианте действующую диэлектрическую проницаемость каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34,
составляющего линии субпередачи L2 - L5, предпочтительно задают меньше действующей диэлектрической проницаемости диэлектрической подложки 10, составляющей линию основной передачи L1. В такой компоновке фазовая скорость электромагнитной волны, которая распространяется по первой линии передачи L1, и фазовая скорость ТЕМ-волны, которая распространяется по меньшей мере по одной второй линии передачи L2 - L5, могут быть по существу равными друг другу.
В данном варианте толщину каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34, составляющего линии субпередачи L2 - L5, выполняют меньше толщины диэлектрической подложки 10, составляющей линию основной передачи L1. При этом может быть сокращено время, необходимое для процесса формирования пленки линий субпередачи L2 - L5, и получена низкоимпедансная линия передачи, полное сопротивление которой ниже полного сопротивления линий субпередачи L2 -L5, что приводит к снижению потерь при передаче.
В описанных выше алгоритмах определения по фиг. 14 и фиг. 15 диэлектрическую проницаемость εs каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 задают предварительно, а затем определяют их толщину пленки Δxs. Однако данное изобретение этим не ограничено и может быть реализовано таким образом, чтобы, как видно из уравнения (4), предварительно задавалась толщина пленки Δxs каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 и можно было определить их диэлектрическую проницаемость εs
Кроме того, исходя из предположения, что электромагнитные поля однородны по ширине линий передачи L1 - L5, на определение толщины пленки в описанной выше оптимизации не повлияет ни толщина Δxm диэлектрической подложки 10 линии основной передачи L1, ни (ширина линии) = (ширина каждого тонкопленочного проводника 21-35, 21-25) = (ширина Δy каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34).
Авторы выполнили компьютерное моделирование на основании эквивалентной схемы резонатора на полуволновом отрезке линии передачи, описанного со ссылкой на фиг. 4, и получили следующие результаты. На фиг. 5 представлен график, показывающий частотную характеристику коэффициента пропускания S21, а на фиг. 6 - график, показывающий частотные характеристики относительных амплитуд токов, проходящих через тонкопленочные проводники 21-25 в резонаторе на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1. На фиг. 6 номерами позиций 11-15 обозначены значения относительных амплитуд токов, проходящих через тонкопленочные проводники 21-25, соответственно. На фиг. 7 представлен график, показывающий частотные характеристики разностей фаз токов, проходящих через тонкопленочные проводники 21-25 резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1. На фиг. 7 номерами позиций Р1-Р5 обозначены значения разностей фаз токов, проходящих по тонкопленочным проводникам 21-25, соответственно. При этом заданы следующие параметры моделирования:
(а) относительная диэлектрическая проницаемость (действующее значение) εmr диэлектрической подложки 10 = 6,43,
(b) толщина Δxm диэлектрической подложки 10 = 330 микрон,
(с) относительная диэлектрическая проницаемость εsr каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 = 3,80,
(d) толщина пленки каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 Δxs = 1,40 микрон,
(e) удельная электропроводность δ каждого тонкопленочного проводника 21-25 = 5,80·107 См/м (материал: Cu),
(f) толщина пленки Δε каждого тонкопленочного проводника 21-25 = 0,97 микрон,
(g) удельная электропроводность заземленного проводника 11 δ = 5,80·107 См/м (материал: Cu), и
(h) толщина пленки заземленного проводника 11 Δεm = 5,00 микрон.
Из фиг. 5 видно, что была получена характеристика пропускания, имеющая коэффициент пропускания S21 приблизительно равный -0,042 дБ при средней (резонансной) частоте 2000 МГц.
Из фиг. 6 видно, что относительные амплитуды токов, проходящих по тонкопленочным проводникам 21-25, достигают максимума при резонансной частоте 2000 МГц. Относительные амплитуды токов, проходящих через тонкопленочные проводники 21-25 на такой же резонансной частоте, ослабляются в возрастающем порядке от тонкопленочного проводника 21 к тонкопленочному проводнику 25. В то же время энергия высокочастотного электромагнитного поля, проходящая по линии основной передачи L1, передается на тонкопленочные диэлектрики 31-34 через тонкопленочные проводники 21-25 с потерей на каждом.
Из фиг. 7 видно, что разности фаз токов, проходящих по тонкопленочным проводникам 21-25, становятся нулевыми при резонансной частоте 2000 МГц и равны друг другу, а также, что разности фаз составляют приблизительно ±90o при частотах 1990 и 2010 МГц.
На фиг. 8 изображен график, показывающий частотные характеристики коэффициентов пропускания S21 с числом n многослойных слоев, используемым как параметр, полученные в результате моделирования резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 3. График на фиг. 9 показывает зависимость между нормированной толщиной пленки проводника Δε/δo и коэффициентом увеличения добротности RQ при числе n многослойных слоев, взятом как параметр, а график на фиг. 10 показывает зависимость между отношением действующих диэлектрических проницаемостей εs/εm и нормированной толщиной диэлектрической пленки Δxs/δo числом n многослойных слоев, взятым как параметр. При этом заданы следующие параметры моделирования:
(а) относительная диэлектрическая проницаемость (действующее значение) εmr диэлектрической подложки 10 = 90,
(b) толщина Δxm диэлектрической подложки 10 = 500 микрон,
(с) относительная диэлектрическая проницаемость εsr каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34=40,2,
(d) толщина пленки Δxs каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 = 1,27 микрон,
(е) удельная электропроводность δ каждого тонкопленочного проводника 21-25 = 6,00·10 См/м (материал: Ag),
(f) толщина пленки Δε каждого тонкопленочного проводника 21-25 = 1,27 микрон,
(g) удельная электропроводность δ заземленного проводника 11 =
(h) толщина пленки заземленного проводника 11 Δεm конечная величина, и
(i) длина линии L = 15,8 мм.
При этом в данной модели предполагалось, что заземленный проводник 11 является идеальным проводником, чтобы можно было оценить только тонкопленочный многослойный электрод. Это действительно эквивалентно структуре, получаемой, когда зеркальное отражение задают относительно плоскости симметрии граничной плоскости к идеальному проводнику, что соответствует модели, в которой толщина диэлектрической подложки 10 удвоена, а тонкопленочный многослойный электрод сформирован на ее обеих поверхностях.
Как видно из фиг. 8, по мере увеличения числа n многослойных слоев возрастает коэффициент пропускания S21 при резонансной частоте (1000 МГц) с одновременным увеличением значения добротности. Оптимальные параметры Wopt и εopt действительная часть Re (Zo), значение добротности Q и коэффициент увеличения добротности RQ при разных количествах слоев n показаны в таблице, где Q = 485 при n = 1 (см. в конце описания).
На основании фиг. 9 можно понять, что с увеличением числа n многослойных слоев возрастает максимальное RQm коэффициента увеличения добротности RQ при значении Q для n = 1, взятом за эталон, и что максимальное RQm коэффициента увеличения добротности можно получить при меньшем установленном значении нормированной толщины пленки проводника Δε/δo
На фиг. 10 представлены результаты вычисления отношения между нормированной толщиной диэлектрической пленки Δxs/δo и отношением действующих диэлектрических проницаемостей εs/εm на основании уравнений, полученных при подстановке значений оптимального параметра Wopt из таблицы в уравнение (4). Из фиг. 10 видно, что чем меньше отношение действующих диэлектрических проницаемостей εs/εm каждой линии субпередачи L2-L5 к линии основной передачи L1, тем меньше можно сделать толщину пленки Δxs каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 линий субпередачи L2 - L5.
Далее будет описана работа резонатора на полуволновом отрезке линии передачи, имеющего вышеописанную структуру.
Как уже отмечалось выше
(а) толщине пленки Δxs и диэлектрической проницаемости εs каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 задают установленные значения, чтобы фазовые скорости ТЕМ-волн, которые распространяются по линиям передачи L1 - L5, были по существу равны друг другу; и
(b) толщине пленки Δε каждого тонкопленочного проводника 21-25 задают установленное значение меньше глубины проникновения поля δo на используемой частоте, чтобы между смежными линиями передачи L1 и L2, L2 и L3, L3 и L4, L4 и L5 и электромагнитные поля были связаны друг с другом. При такой компоновке высокочастотная энергия, проходящая по линии основной передачи L1, передается на линии субпередачи L2 - L5, так что высокочастотные токи по существу однородно проходят через тонкопленочные проводники 21-25, и скин-эффект, вызванный высокой частотой, заметно подавляется.
На фиг. 21 схематически изображено продольное сечение резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1, иллюстрирующее его работу, причем масштаб в продольном направлении заметно больше, чем в направлении его толщины. На фиг. 21 высокочастотный ток обозначен сплошными линиями, а ток смещения - пунктирными линиями.
Когда резонатор возбуждается высокочастотным сигналом, вводимым в линию основной передачи L1, как показано на фиг. 25, тонкопленочные проводники 21-25 передают часть высокочастотной мощности, которая попадает на тонкопленочные проводники через тонкопленочные диэлектрики на их нижней стороне, на боковые тонкопленочные проводники на верхней стороне, и при этом часть энергии высокочастотного сигнала отражается к тонкопленочным проводникам на нижней стороне через тонкопленочные диэлектрики с нижней стороны. В тонкопленочных диэлектриках 31-34, проложенных между двумя смежными тонкопленочными проводниками, волны отражения и волны передачи резонируют друг с другом, а два высокочастотных тока, противоположно направленных и обращенных друг к другу (ниже именуемое как два обращенных друг к другу высокочастотных тока) проходят вблизи верхних поверхностей и вблизи нижних поверхностей каждого тонкопленочного проводника 21-25. То есть поскольку толщина пленки каждого тонкопленочного проводника 21-25 меньше глубины проникновения поля δo, обращенные друг к другу противоположно направленные два высокочастотных тока интерферируют через тонкопленочные диэлектрики и затем нейтрализуют друг друга за исключением их некоторых остающихся частей. С другой стороны, электромагнитные поля в тонкопленочных диэлектриках 31-34 генерируют токи смещения и это приводит к появлению высокочастотных токов на поверхностях соседних тонкопленочных проводников. В резонаторе на полуволновом отрезке линии передачи, как показано на фиг. 21, токи смещения становятся максимальными на продольных концах линии и минимальными в центре линии.
При этом в идеальном случае амплитуды высокочастотных токов тонкопленочных проводников 21-25 становятся постоянными и потери в проводнике достигают теоретически возможного минимума, как показано на фиг. 12. Однако в реальном случае амплитуды высокочастотных токов тонкопленочных проводников 21-25 распределены по-разному, как показано на фиг. 13, и чем выше находится тонкопленочный проводник, тем больше уменьшаются амплитуды высокочастотных токов. Следует отметить, что на всех фиг. 11, 12 и 13 общие значения токов, пропорциональные площади заштрихованных частей, показаны совпадающими друг с другом для сравнения.
Далее, поскольку толщину пленки Δxs и диэлектрическую проницаемость εs для определения действующей диэлектрической проницаемости каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 задают таким образом, чтобы фазовые скорости ТЕМ-волн, распространяющихся через линии передачи L1 - L5, были по существу равны друг другу, высокочастотные токи, протекающие по тонкопленочным проводникам 21-25, являются по существу синфазными. Тогда высокочастотные токи, синфазно протекающие через тонкопленочные проводники 21-25, вызывают эффективное увеличение глубины проникновения поля δo
Следовательно, если резонатор возбуждается высокочастотным сигналом, энергия высокочастотного электромагнитного поля передается верхним линиям передачи связью между электромагнитными полями соседних линий передачи, и в то же время распространяются вдоль линий передачи резонатора. При этом резонатор приводится в состояние резонанса, так как ТЕМ-волны распространяются с большей действующей глубиной проникновения поля δo, то есть с меньшим поверхностным сопротивлением Rs, и отражаются на обоих концах полуволнового отрезка линии передачи.
На фиг. 28 представлен график, показывающий относительные амплитуды токов, протекающих по тонкопленочным проводникам 21-25 и заземленному проводнику 11, относительно расстояния пропускания резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 1. При этом заданы следующие параметры моделирования:
(а) относительная диэлектрическая проницаемость (действующее значение) εmr диэлектрической подложки 10 = 8,85,
(b) толщина Δxm диэлектрической подложки 10 = 330 микрон,
(с) относительная диэлектрическая проницаемость εsr каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 = 3,80.
(d) удельная электропроводность δ каждого тонкопленочного проводника 21-25 = 5,18·10 См/м (материал: Cu),
(е) толщина пленки Δε каждого тонкопленочного проводника 21-25 = 0,97 микрон,
(f) удельная электропроводность δ заземленного проводника 11 = 5,18·10 См/м (материал: Cu),
(g) толщина пленки Δεm заземленного проводника 11 = 10,00 микрон,
(h) (ширина каждого тонкопленочного проводника 21-25) - (ширина каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34) = (ширина диэлектрической подложки 10) = (ширина заземленного проводника 11) = 5,00 мм,
(i) толщина пленки Δxs каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 = 0,73 микрона, и
(j) длина линии L = 25,1333 мм.
На фиг. 28, lg и 11-15 обозначают относительные амплитуды токов, проходящих через заземленный проводник 11 и тонкопленочные проводники 21-25, соответственно. Из фиг. 28 видно, что токи, проходящие по заземленному проводнику 11 и тонкопленочным проводникам 21-25, делятся и шунтируются с определенными коэффициентами, образуя соответствующие стоячие волны.
Следовательно, резонатор согласно данному варианту обладает следующими характерными преимуществами:
(а) поскольку обеспечен тонкопленочный многослойный электрод, можно эффективно увеличить глубину проникновения поля, так что потери в проводнике и поверхностное сопротивление могут быть значительно уменьшены по сравнению с известными аналогами. Это позволяет создать резонатор или фильтр с исключительно высокой ненагруженной добротностью при меньшем размере и весе; и
(b) в микрополосковой линии передачи, например, полное сопротивление линии может быть изменено без изменения ширины линии при использовании тонкопленочной многослойной линии передачи или без ее использования, или при изменении числа многослойных слоев. Это облегчает проектирование конфигурации на диэлектрической подложке.
Моделирование, осуществленное автором изобретения, свидетельствует, что уменьшение скорости поверхностного сопротивления Rs обратно пропорционально числу n многослойных слоев в идеальном случае, изображенном на фиг. 12. С другой стороны, в реальном случае, изображенном на фиг. 13, степень уменьшения поверхностного сопротивления Rs обратно пропорциональна корню квадратному из числа n многослойных слоев.
Можно предусмотреть, чтобы только заземленный проводник 11 первого варианта имел структуру описанного выше тонкопленочного многослойного электрода, связанного по высокочастотному электромагнитному полю, а остальные проводники имели традиционные структуры. Альтернативно, заземленный проводник 11 может быть выполнен со структурой тонкопленочного многослойного электрода, связанного по высокочастотному электромагнитному полю, изображенной на фиг. 27. Как показано на фиг. 27, тонкопленочный проводник 21 а, тонкопленочный диэлектрик 31а, тонкопленочный проводник 22а, тонкопленочный диэлектрик 32а, тонкопленочный проводник 23а, тонкопленочный диэлектрик 33а, тонкопленочный проводник 24а, тонкопленочный диэлектрик 34а и тонкопленочный проводник 25а расположены слоями в указанном порядке на задней поверхности диэлектрической подложки 10. При этом работа резонатора, изображенного на фиг. 27, идентична работе резонатора, изображенного на фиг. 1. Кроме того, защитный диэлектрик может быть сформирован на тонкопленочном проводнике 25 верхнего слоя первого варианта, и на тонкопленочном проводнике 25а в модифицированном варианте. Также все тело резонатора может быть заключено в защитный диэлектрик или покрыто им.
В описанном выше первом варианте линия основной передачи L1 и линии субпередачи L2- L5 выполнены как микрополосковые линии передачи. Однако данное изобретение этим не ограничено, и могут также использоваться трехпластинчатые полосковые линии передачи, копланарные линии передачи, щелевые линии передачи и т.д. При этом предложенные тонкопленочные многослойные проводники могут использоваться по меньшей мере для любого одного из центрального проводника и заземленного проводника.
В описанном выше первом варианте толщину пленки Δxs и диэлектрическую проницаемость εs каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 задают таким образом, чтобы фазовые скорости ТЕМ-волн, распространяющихся по линиям передачи L1 - L5, были по существу равны друг другу. Однако данное изобретение этим не ограничено и можно альтернативно предусмотреть, чтобы фазовые скорости ТЕМ-волн, распространяющихся по линии основной передачи L1 и по меньшей мере одной из линий субпередачи L2 - L5, были по существу равны друг другу. Также возможен вариант с по меньшей мере только одной линией субпередачи L2 - L5.
В первом варианте толщина пленки Δε каждого тонкопленочного проводника 21-25 задана таким образом, что электромагнитные поля связаны друг с другом между соседними линиями передачи L1 и L2, L2 и L3, L3 и L4, L4 и L5. Однако этим данное изобретение не ограничивается и можно альтернативно предусмотреть, чтобы электромагнитные поля были связаны друг с другом между линией основной передачи L1 и по меньшей мере одной из линий субпередачи L2 - L5.
В первом варианте линия основной передачи L1 является линией передачи ТЕМ-моды. Однако данное изобретение этим не ограничено и линия основной передачи L1 может также быть линией передачи для распространения по ней электромагнитных волн другого типа колебаний, например ТЕ-моды, ТМ-моды и т.д.
В первом варианте описан фильтр с резонатором на полуволновом отрезке линии передачи, в котором использована тонкопленочная многослойная линия передачи, связанная по электромагнитному полю. Однако изобретение этим не ограничено и можно создать фильтр с резонатором на четвертьволновом отрезке линии передачи, в котором используется тонкопленочная многослойная линия передачи, связанная по электромагнитному полю. Кроме того, если соединить входную линию передачи с тонкопленочной многослойной линией передачи, связанной по электромагнитному полю, и соединить выходную линию передачи с тонкопленочной многослойной линией передачи, связанной по электромагнитному полю, соответственно, относительно прочными электромагнитными связями, тогда данную тонкопленочную многослойную линию передачи, связанную по электромагнитному полю, можно использовать как линию передачи, обладающую исключительно малыми потерями. Далее описаны результаты моделирования тонкопленочной многослойной линии передачи, связанной по электромагнитному полю.
На фиг. 25 представлен график, показывающий действующие значения токов, протекающих по тонкопленочным проводникам 21-25 и заземленному проводнику 11, относительно расстояния пропускания от входа при уменьшении толщины пленки Δxs каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 от 0,73 до 0,36 микрон в предложенной тонкопленочной многослойной линии передачи, а на фиг. 26 представлен график, показывающий действующие значения токов, протекающих по тонкопленочным проводникам 21-25 и заземленному проводнику 11, относительно расстояния пропускания от входа при увеличении толщины пленки Δxs каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 от 0,73 до 1,37 микрон в предложенной тонкопленочной многослойной линии передачи. В этих случаях были заданы следующие параметры моделирования:
(а) относительная диэлектрическая проницаемость εmr диэлектрической подложки 10 (действующее значение) = 8,85, л
(b) толщина Δxm диэлектрической подложки 10 = 330 микрон,
(с) удельная электропроводность δ каждого тонкопленочного проводника 21-25 = 5,18·107 См/м (материал: Cu),
(d) толщина пленки Δε каждого тонкопленочного проводника 21-25 = 0,97 микрон,
(е) удельная электропроводность δ заземленного проводника 11 = 5,18·107 См/м (материал: Cu),
(f) толщина пленки Δεm заземленного проводника 11 = 10.00 микрон,
(g) (ширина каждого тонкопленочного проводника 21-25) = (ширина каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34) = (ширина диэлектрической подложки 10) = (ширина заземленного проводника 11) = 5,00 мм, и
(h) мощность передачи на входе = 0,1 мВт = - 10 дБм (дБ, отсчитываемых относительно уровня 1 мВт).
На фиг. 25 и 26 Ig, I1, I2, I3, I4 и I5 обозначают действующие значения токов, проходящих через заземленный проводник 11 и тонкопленочные проводники 21-25, когда диэлектрическая проницаемость εsr каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 равна 3,8, а толщина его пленки Δxs равна 0,73 микрона. На фиг. 25 Iga, I1a, I2a, I3a, I4a и I5a обозначают действующие значения токов, проходящих через заземленный проводник 11 и тонкопленочные проводники 21-25, соответственно, когда диэлектрическая проницаемость εsr каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 равна 2,4, а толщина его пленки Δxs равна 0,36 микрона. Далее, на фиг. 25 и 26 Igb, I1b, I2b, I3b, I4b и I5b обозначают действующие значения токов, проходящих через заземленный проводник 11 и тонкопленочные проводники 21-25, соответственно, когда диэлектрическая проницаемость εsr каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 равна 5,2, а толщина его пленки Δxs равна 1,37 микрона.
Из фиг. 25 и 26 видно, что только линия основной передачи L1 возбуждается на входе, а ток проникает или протекает также к линиям субпередачи L2-L5 по мере распространения СВЧ-сигнала. При этом текущее значение тока, проходящего по каждой линии передачи L1 - L5, становится постоянным, когда сигнал распространяется от входа на отрезок линии передачи длиной приблизительно четыре длины волны. Можно понять, что в данной модели около 99,5% общей мощности передачи передается на линию основной передачи L1, в то время как остальная мощность передачи распределяется по линиям субпередачи L2 - L5. Далее, сравнив фиг. 25 с фиг. 26, можно заметить, что расстояние сходимости проникающего тока уменьшается при уменьшении толщины пленки Δxs каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34. То есть, при уменьшении толщины пленки Δxs каждого тонкопленочного диэлектрика 31-34 ток незамедлительно или внезапно проникает вблизи входа. Если рассматривать фиг. 4 как линию передачи, уменьшение потерь на преобразование дает в результате соединение или связь между входом и выходом и многослойной линией передачи.
Второй вариант
На фиг. 16 приведена эквивалентная схема фильтра с резонатором на полуволновом отрезке линии передачи, в котором использована тонкопленочная многослойная линия передачи, являющаяся вторым вариантом изобретения.
Хотя в первом варианте возбуждают только линию основной передачи L1, можно также предусмотреть вариант, в котором возбуждают все линии передачи L1 - L5. Ниже описываются только отличия от первого варианта.
Как показано на фиг. 16, соответствующие первичные витки идеальных трансформаторов T11, Т21, . . ., Т51 последовательно подсоединены к линиям передачи L1 - L5, соответственно, и последовательный контур источника сигнала Vsg и его внутреннее сопротивление Rsg подключены к обоим концам первичных витков, соединенных последовательно. С другой стороны, соответствующие вторичные витки идеальных трансформаторов Т12, Т22,..., Т52 на противоположной стороне соединены последовательно, и нагрузочное сопротивление RL подключено к обоим концам вторичных витков, соединенных последовательно.
На фиг. 17 представлен график, показывающий частотную характеристику коэффициента пропускания S21, полученную в результате моделирования резонатора на полуволновом отрезке линии передачи по фиг. 16. Для данной модели заданы такие же параметры, как для фиг. 5.
Из фиг. 17 видно, что резонансная характеристика, имеющая коэффициент пропускания S21 = -0,50 дБ, получена при средней частоте 2000 МГц.
Во втором варианте можно альтернативно предусмотреть, чтобы возбуждались линии передачи L1 - L5 для взвешивания с использованием переменного усилителя или переменного аттенюатора и синфазного делителя. При этом можно изменить распределение энергий электромагнитного поля в линиях передачи L1 -L5.
Третий вариант
На фиг. 18 представлен перспективный вид режекторного фильтра на четвертьволновом отрезке линии передачи, в котором использована тонкопленочная многослойная линия передачи, являющегося третьим вариантом изобретения.
В третьем варианте, показанном на фиг. 18, микрополосковая линия передачи L10 получена путем формирования микрополоскового проводника 41 на диэлектрической подложке 10, имеющей заземленный проводник 11, выполненный по всей ее задней поверхности. Тонкопленочный многослойный электрод по первому варианту, содержащий тонкопленочные проводники 21-25 и тонкопленочные диэлектрики 31-34 и имеющий длину 1/4 λg сформирован таким образом, что самый нижний тонкопленочный проводник 21 расположен на расстоянии g3 от микрополоскового проводника 41 микрополосковой линии L10, но достаточно близко, чтобы иметь с нею электромагнитную связь, и что продольные направления тонкопленочных проводников 21-25 и тонкопленочных диэлектриков 31-34 параллельны продольному направлению микрополоскового проводника 41.
На фиг. 19 представлена эквивалентная схема режекторного фильтра на четвертьволновом отрезке линии передачи по фиг. 18.
Как видно из фиг. 19, микрополосковая линия L10 образована распределенным постоянным контуром, в котором единичные распределенные постоянные LC-контуры соединены последовательно и которая содержит катушки индуктивности L100, L101, . , L10n, L10(n+1) и конденсаторы C100, C101,..., C10Nn, C10(n+1). Источник возбуждающего резонатор сигнала Vsg и его внутреннее сопротивление Rsg подключены к одному концу микрополосковой линии L10, а нагрузочное сопротивление RL подключено к другому концу микрополосковой линии L10. В микрополосковой линии основной передачи L10 идеальные трансформаторы Т610, Т611,..., Т61n, Т61(n+1) вмонтированы так, чтобы соединяться с нижней линией на чертеже между единичными распределенными постоянными контурами. Идеальные трансформаторы Т610, Т611,., Т61n, Т61(n+1) заземлены через четырехконтактные схемы F60, F61,..., F6n, F6(n+1), каждая из которых содержит распределенный постоянный контур, соответствующий заземленному проводнику 11 и включающий сопротивление потерь, и через идеальные трансформаторы Т610, Т611,..., Т61n, Т61(n+1).
Также, в микрополосковой линии L10 идеальные трансформаторы Т610, Т611,. . . , Т61n, Т61(n+1) вмонтированы таким образом, чтобы подсоединяться к верхней линии между единичными распределенными постоянными контурами. Идеальные трансформаторы Т610, Т611,..., Т61n, Т61(n+1) подключены к нагрузочным сопротивлениям RL10, RL11, ..., RL1n, RL1(n+1), соответственно, через микрополосковый проводник 41 и четырехконтактные схемы F70, F71, F7n, F7(n+1), соответствующие пространству, находящемуся над микрополосковым проводником 41.
Индуктивная и емкостная связь в интервале g3 обеспечивается следующим образом. Катушки индуктивности L11 и L101 индуктивно связаны (М) друг с другом, катушки индуктивности L12 и L102 индуктивно связаны (М) друг с другом, и т. д., так что катушки индуктивности L1n и L10n индуктивно связаны (М) друг с другом. Конденсаторы C11 и C101 находятся в емкостной связи (C) друг с другом, конденсаторы C12 и C102 находятся в емкостной связи (C) друг с другом, и т. д., так что конденсаторы C1n и C10n находятся в емкостной связи (C) друг с другом.
При описанной выше схеме можно обеспечить резонатор с исключительно малыми потерями в проводнике, используя тонкопленочную многослойную линию передачи для четвертьволнового отрезка линии передачи. Следовательно, сформировав микрополосковую линию L10, электромагнитно связанную с резонатором, можно получить режекторный фильтр на четвертьволновом отрезке линии передачи с исключительно высокой ненагруженной добротностью.
Хотя в описанном выше варианте используется микрополосковая линия передачи L10, данное изобретение этим не ограничено. Она может быть заменена другим видом линии передачи, например копланарной линией передачи, щелевой линией передачи, трехпластинчатой полосковой линией передачи и т. д.
Модифицированный вариант
В описанных ниже модифицированных вариантах использование предложенного тонкопленочного многослойного электрода, связанного по электромагнитному полю, позволяет заметно снизить поверхностное сопротивление электрода по сравнению с известными аналогами, и это обеспечивает существенное уменьшение потерь при передаче.
На фиг. 20 представлен перспективный вид микрополосковой линии передачи, в которой использован предложенный тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю, и данный тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю, использован для микрополоскового проводника 51 и заземленного проводника 52 микрополосковой линии передачи. Следует заметить, что тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю, может использоваться только для микрополоскового проводника 51, или только для заземленного проводника 52.
Кроме того, на фиг. 20 (b) показан перспективный вид трехпластинчатой полосковой линии передачи, в которой использован предложенный тонкопленочный микрополосковый электрод, связанный по электромагнитному полю, и в этой полосковой линии передачи данный тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю, использован для микрополоскового проводника 61 и заземленных проводников 62 и 63. Следует отметить, что тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю, может быть использован только для микрополоскового проводника 61 или только для по меньшей мере одного заземленного проводника 62 и 63.
На фиг. 20 (с) представлен перспективный вид коаксиальной линии, в которой использован предложенный тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю, и данный тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю, использован для центрального проводника 71 и заземленного проводника 72 этой линии. Следует отметить, что тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю, может быть использован только для центрального проводника 71 или только для заземленного проводника 72.
На фиг. 20 (d) показан вид в продольном сечении круглого волновода моды ТМ01, в котором использован предложенный тонкопленочный многослойный электрод 73, связанный по электромагнитному полю, и данный тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю, использован для наружного поверхностного электрода круглого волновода. Кроме того, тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю, может использоваться для наружного поверхностного электрода прямоугольного волновода (не показан).
Также, предложенный тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю, может быть использован в электродной пленке, сформированной на наружной поверхности полости в одномодовом диэлектрическом резонаторе типа ТМ, в котором центральный диэлектрический сердечник и полость сформованы интегрально, как, например, в японской выложенной патентной публикации HEISEI 03(1991)-292006 (японская заявка HEISEI 03 (1990) - 094862). Кроме того, диэлектрический резонатор ТМ-моды не ограничен одномодовым ТМ-типом, и тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю, может также быть применен для двухмодового диэлектрического резонатора (например, см. фиг. 23), как в японской выложенной патентной публикации SHOWA 63(1988)-313901 (японская заявка SHOWA -62(1987)- 150021), а также для трехмодового диэлектрического резонатора как, например, в японской выложенной патентной публикации SHOWA 61(1986)-157101 (японская заявка SHOWA 59(1984)-279203). То есть, независимо от числа используемых мод, предложенный тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю, может быть использован для электродной пленки диэлектрических резонаторов ТМ-моды.
На фиг. 23 изображен пример двухмодового диэлектрического резонатора 75, являющегося модифицированным вариантом данного изобретения. Двухмодовый диэлектрический резонатор 75 выполнен таким образом, что в центральной части квадратно-цилиндрического корпуса 77, в котором наружная поверхность диэлектрика металлизирована, интегрально выполнен крестообразный диэлектрик 76, спрессованный с корпусом 77. При этом электрод корпуса 77 резонатора выполнен как предложенный тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю. В результате этого поверхностное сопротивление электрода можно заметно снизить и, таким образом, уменьшить потери диэлектрического резонатора и увеличить его ненагруженную добротность.
На фиг. 24 изображен пример двухступенчатого диэлектрического полосового фильтра моды ТМ01 δ 80, который является модифицированным вариантом изобретения. Полосовой фильтр 80 выполнен следующим образом. Поверхностные монтажные соединительные элементы 83 и 84 для ввода и вывода закреплены на обоих концах цилиндрического диэлектрического волновода 81, имеющего наружно-периферический электрод 82. Заземленные проводники соединительных элементов 83 и 84 подсоединены к наружно-периферическому электроду 82, а несимметричные вибраторные антенны 85 и 86, расположенные друг против друга внутри диэлектрического волновода 81, подсоединены к центральным проводникам соединительных элементов 83 и 84, соответственно. В диэлектрическом волноводе 81 между несимметричными вибраторными антеннами 85 и 86 расположены два круглоцилиндрических диэлектрических резонатора 87 и 88 на заданном расстоянии друг от друга и соединены через кольцеобразные диэлектрические опоры 89 и 90 внутренней периферической поверхностью диэлектрического волновода 81. В полосовом фильтре 80 наружно-периферический электрод 82 выполнен как предложенный тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю. Это позволяет заметно снизить поверхностное сопротивление наружно-периферического электрода 82, что уменьшает потери диэлектрического фильтра и позволяет увеличить его ненагруженную добротность.
Предложенный тонкопленочный многослойный электрод, связанный по электромагнитному полю, может быть использован в электродах разных типов высокочастотных устройств, предназначенных для выполнения специальных высокочастотных операций, например, в изоляторах, антеннах, катушках индуктивности, в частности в обмотках, конденсаторах ИС и т.д.
В описанных выше вариантах использованы твердые тонкопленочные диэлектрики 31-34, однако данное изобретение ими не ограничено, и вместо тонкопленочных диэлектриков 31-34 могут быть использованы газ, такой как воздух, или жидкость.
В приведенных выше вариантах тонкопленочные диэлектрики 31-34 имеют одинаковую толщину, однако это не ограничивает данное изобретение, и толщина пленки тонкопленочных диэлектриков 31-34 может быть разной.
Описанные тонкопленочные проводники 21-24 имеют одинаковую толщину, однако это не ограничивает данное изобретение, и толщина пленки тонкопленочных проводников 21-24 может быть разной.
Описанный выше заземленный проводник 11 и тонкопленочные проводники 21-24 выполнены из проводящего материала, обладающего удельной электропроводностью, например Cu, Ag, Au и т.п., но это не ограничивает данное изобретение, и по меньшей мере один материал заземленного проводника 11 и тонкопленочных проводников 21-25 может быть любым из следующих сверхпроводников:
(а) чистый сверхпроводящий материал, например Nb, Pb и подобные:
(b) сверхпроводящий сплав, например Nb-Ti, Nb-Zr или подобный;
(с) сверхпроводящее интерметаллическое соединение, например Mb3Sn, V3Si или подобное;
(d) оксидный сверхпроводящий материал керамической группы, например:
(d-1) La2-xBaxCuO4-δ или La2-xSrxCuO4-δ, как, например, La1,85Sr0,15CuO4 или подобный;
(d-2) VBa2Cu3O7-0 (величина дефицита по кислороду δ = 0 - 1), как, например, VBa2Cu3O7 или подобный;
(d-3) сверхпроводящий материал группы Bi-Sr-Ca-Cu-O, который получают путем временного обжига порошка смеси Bi2О3, SrCo3, CaCO3 и CuO при температуре 800-870oC и последующего спекания этого порошка в атмосфере при температуре 850-880oC;
(d-4) сверхпроводящий материал группы Ti-Ba-Ca-Cu-O, который получают как сверхпроводящий материал, содержащий основной компонент Ti2CaBa2Cu2Ox, путем смешивания и формирования порошков Ti2O3, CaO, Bao и CuO, с последующей герметизацией сформованной смеси порошков в кварцевой трубке, содержащей газообразный кислород под давлением в одну атмосферу, и нагревании при температуре 880oC в течение трех часов;
(d-5) группа ЕВСО; и
(d-6) группа BPSCCO;
(е) органический сверхпроводящий материал, такой как
(е-1) сверхпроводящий материал тетраметилтетраселенафулвален (TMTSF), например (TMTSF)2ClO4 или подобный;
(е-2) сверхпроводящий материал бис(этиленедитиоло) тетратиафулвален (BEDT-TTF), например β (BEDT-TTF)2I3 и подобный; и
(е-3) сверхпроводящий материал группы dmit.
Промышленная применимость
Как было сказано выше, предложен тонкопленочный многослойный электрод, в котором тонкопленочные проводники (21-25) и тонкопленочные диэлектрики (31-34) попеременно уложены слоями таким образом, что образуется множество слоев линий передачи ТЕМ- моды (L2 - L5), каждая из которых содержит пару тонкопленочных проводников (21 и 22, 22 и 23, 23 и 24, 24 и 25), между которыми проложен каждый тонкопленочный диэлектрик (31-34),
в котором на основании числа (n) многослойных слоев тонкопленочных проводников (21-25) и тонкопленочных диэлектриков (31-34) толщину пленки каждого тонкопленочного диэлектрика (31-34) задают таким образом, чтобы фазовые скорости ТЕМ-волн, распространяющихся по меньшей мере по двум из множества линий передачи ТЕМ-моды (L2 - L5), были по существу равны, и
в котором на основании числа (n) многослойных слоев тонкопленочных проводников (21-25) и тонкопленочных диэлектриков (31-34) толщину пленки каждого тонкопленочного проводника (21-25) выполняют меньше глубины проникновения поля на используемой частоте, чтобы электромагнитные поля по меньшей мере двух из множества линий передачи ТЕМ-моды (L2 - L5) были связаны друг с другом. Поэтому эффективно увеличивается глубина проникновения поля, а потери в проводнике и поверхностное сопротивление могут быть снижены по сравнению с известными аналогами, причем заметно исключается увеличение габаритов по сравнению с известной структурой. Кроме того, поскольку соответствующие толщины пленки определяются исходя из числа (n) множества слоев, упомянутый выше эффект снижения потерь не может ухудшиться или исчезнуть. Использование предложенного тонкопленочного многослойного электрода позволяет получить высокочастотные линии передачи с меньшими потерями при передаче, высокочастотные резонаторы или высокочастотные фильтры, имеющие исключительно высокую ненагруженную добротность, или высокочастотные устройства, обладающие меньшим размером и весом.
Формула изобретения: 1. Тонкопленочный многослойный электрод, связанный по высокочастотному электромагнитному полю, в котором тонкопленочные проводники и тонкопленочные диэлектрики уложены поочередно, образуя множество слоев линий передачи ТЕМ-моды (L2 - L5), причем каждая из упомянутых линий передачи ТЕМ-моды (L2 - L5) содержит пару упомянутых проводников, между которыми проложен каждый из упомянутых тонкопленочных диэлектриков, в котором толщина пленки каждого из упомянутых тонкопленочных проводников задается меньше глубины проникновения поля на используемой частоте, отличающийся тем, что на основании относительной диэлектрической проницаемости числа (n) многослойных слоев упомянутых тонкопленочных проводников и упомянутых тонкопленочных диэлектриков и глубины проникновения поля на используемой частоте толщина пленки каждого из упомянутых тонкопленочных диэлектриков задается так, чтобы фазовые скорости ТЕМ-волн, распространяющихся по меньшей мере по двум из упомянутого множества линий передачи ТЕМ-моды (L2 - L5), были равны друг другу, и на основании относительной диэлектрической проницаемости числа (n) многослойных слоев упомянутых тонкопленочных проводников и упомянутых тонкопленочных диэлектриков и глубины проникновения поля на используемой частоте толщина пленки каждого из упомянутых тонкопленочных проводников задается так, чтобы электромагнитные поля по меньшей мере двух из упомянутого множества линий передачи ТЕМ-моды (L2 - L5) были связаны друг с другом.
2. Тонкопленочный многослойный электрод по п.1, отличающийся тем, что каждый из упомянутых тонкопленочных проводников выполнен из сверхпроводящего материала.
3. Высокочастотная линия передачи, имеющая по меньшей мере один проводник, содержащий тонкопленочный многослойный электрод, в котором тонкопленочные проводники и тонкопленочные диэлектрики уложены поочередно, образуя множество слоев линий передачи ТЕМ-моды (L2 - L5), причем каждая из упомянутых линий передачи ТЕМ-моды (L2 - L5) содержит пару упомянутых тонкопленочных проводников, между которыми проложен каждый из упомянутых тонкопленочных диэлектриков, при этом толщина пленки каждого из упомянутых тонкопленочных проводников задается меньше глубины проникновения поля на используемой частоте, отличающаяся тем, что на основании относительной диэлектрической проницаемости числа (n) многослойных слоев упомянутых тонкопленочных проводников и упомянутых тонкопленочных диэлектриков и глубины проникновения поля на используемой частоте толщина пленки каждого из упомянутых тонкопленочных диэлектриков задается так, чтобы фазовые скорости ТЕМ-волн, распространяющихся по меньшей мере по двум из упомянутого множества линий передачи ТЕМ-моды (L2 - L5), были равны друг другу, и на основании относительной диэлектрической проницаемости числа (n) многослойных слоев упомянутых тонкопленочных проводников и упомянутых тонкопленочных диэлектриков и глубины проникновения поля на используемой частоте толщина пленки каждого из упомянутых тонкопленочных проводников задается так, чтобы электромагнитные поля по меньшей мере двух из упомянутого множества линий передачи ТЕМ-моды (L2 - L5) были связаны друг с другом.
4. Высокочастотная линия передачи по п.3, отличающаяся тем, что упомянутая высокочастотная линия передачи является волноводом, в котором высокочастотный сигнал распространяется по упомянутому волноводу на ТЕМ-моде, тогда как по упомянутым многослойным линиям передачи ТЕМ-моды (L2 - L5) высокочастотный сигнал распространяется на ТЕМ-моде.
5. Высокочастотная линия передачи, содержащая первую линию передачи (L1), имеющую вход для ввода высокочастотного сигнала и выход для вывода высокочастотного сигнала, и по меньшей мере одну вторую линию передачи ТЕМ-моды (L2 - L5), в которой тонкопленочные проводники и тонкопленочные диэлектрики уложены поочередно, так что упомянутая вторая линия передачи ТЕМ-моды (L2 - L5) содержит пару упомянутых тонкопленочных проводников, между которыми проложен каждый из упомянутых тонкопленочных диэлектриков, в которой толщину пленки каждого из упомянутых тонкопленочных проводников задают меньше глубины проникновения поля на используемой частоте, отличающаяся тем, что на основании относительной диэлектрической проницаемости числа (n) многослойных слоев упомянутых тонкопленочных проводников и упомянутых диэлектриков и глубины проникновения поля на используемой частоте толщина пленки каждого из упомянутых тонкопленочных диэлектриков задается так, чтобы фазовая скорость электромагнитной волны, распространяющейся по упомянутой первой линии передачи (L1), и фазовая скорость ТЕМ-волны, распространяющейся по меньшей мере по одной из упомянутых вторых линий передачи ТЕМ-моды (L2 - L5), были равны друг другу, и на основании относительной диэлектрической проницаемости числа (n) многослойных слоев упомянутых тонкопленочных проводников и упомянутых тонкопленочных диэлектриков и глубины проникновения поля на используемой частоте толщина каждого из упомянутых проводников делается такой, чтобы электромагнитное поле упомянутой первой линии передачи (L1) и электромагнитное поле по меньшей мере одной из упомянутых вторых линий передачи ТЕМ-моды (L2 - L5) были связаны друг с другом.
6. Высокочастотная линия передачи по п.5, отличающаяся тем, что действующая диэлектрическая проницаемость каждого из упомянутых тонкопленочных диэлектриков, составляющих упомянутые вторые линии передачи, делается меньше действующей диэлектрической проницаемости упомянутого диэлектрика, составляющего упомянутую линию передачи (L1).
7. Высокочастотная линия передачи по п.5 или 6, отличающаяся тем, что толщина упомянутого диэлектрика, составляющего упомянутую вторую линию передачи (L2 - L5), делается меньше толщины диэлектрика, составляющего упомянутую первую линию передачи (L1).
8. Высокочастотная линия передачи по любому из пп.5 - 7, отличающаяся тем, что упомянутая первая линия передачи (L1) является микрополосковой линией передачи.
9. Высокочастотная линия передачи по любому из пп.3 - 8, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из тонкопленочных проводников выполняется из сверхпроводящего материала.
10. Высокочастотный резонатор, содержащий высокочастотную линию передачи, имеющую длину, равную величине, кратной четверти длины волны волновода, отличающийся тем, что высокочастотная линия передачи имеет по меньшей мере один проводник, содержащий тонкопленочный многослойный электрод из сверхпроводящего материала.
11. Высокочастотный фильтр, содержащий высокочастотный резонатор, вход для ввода высокочастотного сигнала в высокочастотный резонатор и выход для вывода высокочастотного сигнала из высокочастотного резонатора, при этом резонатор содержит высокочастотную линию передачи, имеющую длину, равную величине, кратной четверти длины волны волновода, соответствующей длине волны передаваемого сигнала, отличающийся тем, что высокочастотная линия передачи имеет по меньшей мере один проводник, содержащий тонкопленочный многослойный электрод из сверхпроводящего материала.
12. Высокочастотный полосовой режекторный фильтр, содержащий линию передачи (L10), выполненную с возможностью ввода высокочастотного сигнала на одном ее конце и вывода упомянутого высокочастотного сигнала на другом ее конце, и высокочастотный резонатор, который связан с упомянутой линией передачи (L10), при этом упомянутый высокочастотный резонатор содержит высокочастотную линию передачи, имеющую длину, равную величине, кратной четверти длины волны волновода, соответствующей длине волны передаваемого сигнала, отличающийся тем, что высокочастотная линия передачи имеет по меньшей мере один проводник, содержащий тонкопленочный многослойный электрод из сверхпроводящего материала.
13. Диэлектрический резонатор, содержащий корпус резонатора, включающий проводник и диэлектрик, имеющий заданную конфигурацию и расположенный внутри корпуса резонатора, отличающийся тем, что упомянутый проводник сформирован из упомянутого тонкопленочного многослойного электрода, связанного по высокочастотному электромагнитному полю, в котором тонкопленочные проводники и тонкопленочные диэлектрики уложены поочередно, образуя множество слоев линий передачи ТЕМ-моды (L2 - L5).
14. Высокочастотный фильтр, содержащий диэлектрический резонатор, вход для высокочастотного сигнала в диэлектрический резонатор, причем упомянутый вход электромагнитно связан с диэлектрическим резонатором, который содержит корпус, включающий проводник и диэлектрик заданной формы, помещенный внутри корпуса резонатора, отличающийся тем, что проводник выполнен из тонкопленочного многослойного электрода, связанного по высокочастотному электромагнитному полю, в котором тонкопленочные проводники и тонкопленочные диэлектрики уложены поочередно, образуя множество слоев линии передачи ТЕМ-моды (L2 - L5).
15. Высокочастотное устройство, имеющее множество тонких металлических пластин, изолированных друг от друга тонкими изолирующими слоями для выполнения заданной высокочастотной операции, отличающееся тем, что содержит тонкопленочный многослойный электрод, связанный по высокочастотному электромагнитному полю, по п.1 или 2 с возможностью выполнения заданной высокочастотной операции.