DE19620932C1 - Planarer Filter mit ferroelektrischen und/oder antiferroelektrischen Elementen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem planaren Filter mit ferroelektrischen und/oder antiferroelektrischen Elementen nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Aus der WO94/28592 ist schon ein planarer Filter mit ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Elementen bekannt. Hierbei ist auf ein dielektrisches Substrat eine ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht aufgebracht. Auf dieses Schichtsubstrat wird auf der Oberseite die mikrostrukturierte Hochtemperatursupraleiterschicht, sowie eine unstrukturierte Hochtemperatursupraleiterschicht auf der Unterseite aufgebracht, welche zusammen einen Bandpaßfilter in Mikrostreifenleiterform darstellen. Eine Planarelektrode befindet sich einige Millimeter über der oberen Supraleiterstruktur. Durch Anlegen einer Spannung zwischen der unteren Hochtemperatursupraleiterschicht und der Planarelektrode kann die effektive Dielektrizitätskonstante des Zwischenraums zwischen der strukturierten Supraleiterschicht und der unstrukturierten Supraleiterschicht verändert werden, da die Dielektrizitätskonstante des Ferroelektrikums oder des Antiferroelektrikums stark in Abhängigkeit von der angelegten Spannung variiert. Somit verändert sich auch die Filtercharakteristik, insbesondere die Transmissionsfrequenz.

Vorteile der Erfindung

Der planare Filter mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß er besonders geringe Verluste aufweist. Durch die Anordnung der ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Abstimmelemente oberhalb der Supraleitermikrostruktur kann zwischen den beiden Supraleiterschichten ein Substrat mit optimierten dielektrischen Eigenschaften gewählt werden. Weiterhin ist als besonders vorteilhaft anzusehen, daß bei der Wahl des Substrats den Erfordernissen des epitaktischen Wachstums von Supraleiterschichten auf dielektrischen Substraten besonders Rechnung getragen werden kann. In Folge besser herzustellender Supraleiterschichten sind höherwertige Filter realisierbar.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen planaren Filters mit ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Elementen möglich.

Besonders vorteilhaft ist, den Filter so auf zubauen, daß das Filterelement und das Abstimmelement 2 separate Bauteile darstellen. Somit kann die Grobabstimmung durch Auswahl eines passenden ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Abstimmelements geschehen, während die Feinabstimmung elektrisch am zusammengebauten Bauteil erfolgt.

Darüberhinaus ist es besonders vorteilhaft, die Leiterschichten aus supraleitenden Cupraten herzustellen, da die Kühlung dieser Filter mit wesentlich geringerem finanziellem und technischem Aufwand erfolgen kann, als bei Verwendung konventioneller Supraleiter.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, das ferroelektrische oder antiferroelektrische Element aus einer auf dem Gehäusedeckel aufgebrachten Schicht herzustellen, da hierdurch ein sehr einfacher mechanischer Aufbau und geringer Aufwand beim Justieren resultiert.

Außerdem ist es besonders vorteilhaft, das ferroelektrische oder antiferroelektrische Element aus einer Schicht herzustellen, welche mit isolierenden Abstandshaltern auf dem Planarfiltersubstrat montiert wird, da hierdurch der Filter auch bei abgenommenem Deckel justierbar bleibt.

Ebenfalls besonders vorteilhaft ist, die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht mit mikrostrukturtechnischen Methoden in einzelne Segmente aufzuteilen, wobei die dielektrische Konstante jedes einzelnen Elements getrennt regulierbar ist, da sich somit ein Bandpaßfilterelement, dessen obere und untere Kante und dessen Feinstruktur innerhalb des Transmissionsbands getrennt feinjustierbar sind, ergibt.

Ferner ist es besonders vorteilhaft, als Abstimmelemente mehrere massive ferroelektrische oder antiferroelektrische Körper zu verwenden, da hiermit der Abstimmbereich für jedes einzelne Resonatorelement des planaren Filters erweitert wird.

Schließlich ist es besonders vorteilhaft, die einzelnen ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Abstimmelemente mit einer Verschiebeeinrichtung zu versehen, da hierdurch ein breiterer Regel- und Abgleichbereich erzielt wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen planaren Filter in Mikrostreifenleiterbauweise mit oberhalb angeordnetem planarem ferroelektrischem Abstimmelement,

Fig. 2 einen Filter in Koplanarbauweise mit oberhalb befindlichem, mikrostrukturiertem, aus mehreren ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Abstimmelementen bestehendem Abstimmelement,

Fig. 3 einen in Mikrostreifenleiterbauweise realisierten planaren Filter mit an einer Gehäusewand mittels Schrauben beweglich aufgehängten massiven ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Störkörpern zur Abstimmung.

Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen planaren Bandpaßfilter auf Hochtemperatursupraleiterbasis, welcher auf einem dielektrischem Substrat 20 aufgebracht ist. Zur besseren Übersichtlichkeit wird ein eventuell vorhandenes Gehäuse nicht gezeigt. Die Hochtemperatursupraleiterschicht auf der Unterseite 30 bleibt unstrukturiert und fungiert als Masseleiter, während aus der Hochtemperatursupraleiter­ schicht auf der Oberseite Resonatorstrukturen 11 sowie ein kapazitiv gekoppelter Eingang 13 und ein kapazitiv gekoppelter Ausgang 14 mittels mikrostrukturtechnischer Methoden herausgearbeitet werden. Oberhalb der Wellenleiterstruktur 10 befindet sich das ferroelektrische Abstimmelement 50 mit zwei Elektroden 51 und 54 und den dazugehörigen Zuleitungen 52 und 53. Dieses ferroelektrische Element 50 wird mit elektrisch isolierenden und gegebenenfalls thermisch isolierenden Distanzhaltern 60 in einem passenden Abstand über der Wellenleiterstruktur 10 befestigt. Alternativ kann dieses ferroelektrische Element 50 mit seinen Elektroden 51 und 54 und den Zuleitungen 52 und 53 auch als Schichtstruktur auf dem Gehäusedeckel oder einer Gehäuseseitenwand angebracht werden.

Im weiteren Text bezeichnet Wellenleiterstruktur 10 die Einheit aus Resonatorstrukturen 11, Eingang 13 und Ausgang 14, die Bezeichnung Filterelement umfaßt Wellenleiterstruktur 10, Masseleiter 30 und das Substrat 20. Mit Filter wird die Kombination aus Filterelement und Abstimmelement bezeichnet.

Ein einlaufendes Mikrowellen- oder Millimetersignal 12 wird von den Resonatorstrukturen 11 reflektiert, falls seine Frequenz nicht nicht mit der Resonanzfrequenz der Resonanzstrukturen zusammenfällt. Andernfalls wird es transmittiert, wobei der größte Teil der Wellenausbreitung im dielektrischen Substrat 20 vor sich geht. Da das dielektrische Substrat 20 für geringe Verluste, das bedeutet kleinen Imaginärteil der Dielektrizitätskonstanten, sowie auf gute Wachstumsbedingungen für die Supraleiterschicht optimiert wurde, ist die Dämpfung des transmittierten Signals sehr gering. Das gefilterte Signal 15 steht am kapazitiv gekoppelten Ausgang 14 zur Verfügung. Die in diesem Ausführungsbeispiel fünf Resonatoren weisen geringe Unterschiede in Lage und Breite der Eigenresonanz auf. Die Überlagerung der einzelnen Resonanzen ergibt das Transmissionsband. Die Frequenzlage der einzelnen Resonanzen sowie ihre Kopplung untereinander werden durch die effektive dielektrische Funktion des die einzelnen Resonatoren umgebenden Mediums bestimmt. Diese effektive dielektrische Funktion wird verändert, indem die dielektrische Funktion des ferroelektrischen Elements 50 geändert wird. Hierzu wird über die Leitungen 52 und 53 und die Elektroden 51 und 54 eine Spannung an das ferroelektrische Element 50 angelegt. Durch die in Fig. 1 gezeigte integrale Beeinflussungsmethode können die Eigenfrequenzen aller Resonatoren gleichmäßig verschoben werden, und damit die Transmissionscharakteristik des Filters im wesentlichen auf der Frequenzachse verschoben werden. Hierdurch wird aus dem Passivbauteil Filterelement ein aktives Bauteil, ein elektrisch abstimmbarer Filter, realisiert. Eine antiferroelektrische Schicht kann ebenso zur Abstimmung herangezogen werden, wie die in diesem Beispiel verwendete ferroelektrische Schicht.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 wiedergegeben. Wiederum wurde als Bauteil ein Filterelement gewählt. Zur besseren Übersichtlichkeit wurde eine aufgeklappte Darstellung gewählt. Gestrichelte Linien weisen auf sich im zusammengebauten Zustand übereinander befindliche Punkte hin. Funktional gleiche Bauteile wie in Fig. 1 sind mit der gleichen Bezugszahl wie in Fig. 1 bezeichnet.

Das Filterelement ist für dieses Beispiel jedoch in Koplanartechnik realisiert, wobei die nicht strukturierte Supraleiterschicht 30, welche als Masseleiter fungiert, sich nun in derselben Ebene wie die Filterstruktur mit ihren Resonatoren 11 findet. Der funktionale Unterschied zum in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht in der ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Abstimmeinheit. Die ferroelektrische oder antiferroelektrische Schicht ist nun mikrostrukturiert. Über jedem Resonator befindet sich eine ferroelektrische oder antiferroeelektrische Mikrostruktur 200, welche über etwas kleinere laterale Abmessungen als der dazugehörige Resonator verfügt. Ebenso befindet sich über jedem zwischen zwei Resonatoren befindlichen Zwischenraum eine ferroelektrische oder antiferroelektrische Struktur 201, welche in den Abmessungen so gewählt ist, daß sie noch geringfügig mit den supraleitenden Resonatoren überlappt. Alle ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Elemente können aus derselben Schicht mittels mikrostrukturtechnischen Methoden herausgearbeitet werden, können aber ebenso aus verschiedenen Materialien, insbesondere kombiniert ferroelektrisch-antiferroelektrisch, bestehen. Jedes dieser Abgleichselemente verfügt über ein eigenes Elektrodenpaar 51 und 54, über welches eine Spannung angelegt werden kann. Durch verschiedene an den jeweiligen Abgleichselementen angelegte Spannungen oder durch gezielte Materialauswahl und demzufolge verschiedene Dielektrizitätskonstanten infolge derselben angelegten Spannung, kann nun die effektive Dielektrizitätskonstante nicht nur integral, sondern auch lokal geändert werden. Hierdurch kann jede Eigenfrequenz eines jedes Resonators sowie jede Kopplung zwischen benachbarten Resonatoren getrennt verstellt werden. Durch Stauchung oder Spreizung des Eigenfrequenzsatzes der Resonatoren kann die Filtercharakteristik etwas schmalbandiger oder etwas breitbandiger eingestellt werden. Durch Veränderung der Kopplung können die Reflektanznebenmaxima im Transmissionsband verstärkt oder abgeschwächt werden.

Eine Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels ergibt sich durch die Kombination von Merkmalen aus den beiden vorhergehenden Beispielen, indem ein Teil der Resonatoren individuell, ein anderer Teil der Resonatoren integral abgestimmt wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3. Das aus Fig. 1 bekannte Filterelement in Mikrostreifenleiterbauweise - hier jedoch nur mit drei Resonatoren - befindet sich in einem Gehäuse, welches aus Gründen des besseren Verständnisses teilweise aufgeschnitten dargestellt ist. Oberhalb dieses Filterelements 10 befinden sich massive ferroelektrische oder antiferroelektrische Körper 100, 101, 102, welche mittels Schrauben 110, 111, 112 höhenverstellbar am Gehäusedeckel befestigt sind. Ebenso ist eine Lateralverstellung denkbar, wie sie für den ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Körper 103 gewählt wurde, welcher mittels einer Schraube 113 an der Seitenwand 130 des Filtergehäuses befestigt wurde. Der Verstellung der Filtercharakteristik liegt das gleiche Prinzip wie dem in Fig. 2 genannten Ausführungsbeispiel zugrunde, jedoch ist der Beitrag der ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Elemente zur effektiven dielektrischen Konstante infolge des größeren Volumenanteils höher, was in einem breiteren Verstellbereich resultiert. Ebenso steht mit dem Abstand zwischen Wellenleiter und ferroelektrischem oder antiferroelektrischem Element ein weiterer Justierparameter zur Verfügung. Somit kann eine grobe Vorjustage mittels Plazierung der einzelnen Justierelemente erfolgen. Der Feinabgleich sowie eine Nachführung der Filtercharakteristik, welche in Folge von Drifterscheinungen notwendig sein könnte, kann dann auf elektrischem Wege über die ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Elemente erfolgen.

Eine Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß die antiferroelektrischen oder ferroelektrischen Störkörper mit Piezotranslatoren anstelle von Schrauben befestigt werden. Somit ist eine ausschließlich elektrische Verstellung der Filter realisiert.

Eine weitere Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß die antiferroelektrischen oder ferroelektrischen Störkörper starr an der Gehäuseinnenfläche ohne zusätzliche mechanische Lageverstellung befestigt sind. Falls die Flexibilität der elektrischen Verstellung durch Änderung der Dielektrizitätskonstanten ausreicht, ist somit ein mechanisch einfacherer Aufbau erreicht.

Eine weitere Abwandlung der hier gezeigten Anwendungsbeispiele ergibt sich aus der Erkenntnis, daß die Dielektrizitätskonstante der Ferroelektrika oder der Antiferroelektrika in der Nähe des Phasenübergangs starke Temperaturabhängigkeiten aufweist. Somit läßt sich die elektrische Steuerung der effektiven Dielektrizitätskonstanten der Umgebung des Filterelements auch indirekt mittels einer Einrichtung zur Einstellung der Temperatur des Abstimmelements realisieren.

Claims (10)

1. Elektrisch abstimmbarer planarer Filter mit einem Wellenleiter, welcher auf einer Oberseite eines Substrats (20) angeordnet ist, und mindestens einem Abstimmelement (50; 200; 201; 100, 101, 102, 103) aus ferroelektrischem und/oder antiferroelektrischem Material, bei welchem eine an dem ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Element anliegende Spannung (55), und somit die Dielektrizitätskonstante desselben, einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstimmelement auf oder über der Oberseite des Substrats (20) angebracht ist.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wellenleiter und ferroelektrisches oder antiferroelektrisches Abstimmelement getrennte Bauteile sind.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter und/oder der Masseleiter (30) aus Hochtemperatursupraleitern hergestellt sind.

4. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter in einem Gehäuse angeordnet ist, und daß das Abstimmelement eine auf einer Gehäuseinnenseite aufgebrachte Schicht ist.

5. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstimmelement eine Schicht auf einem Substrat ist, welches mittels isolierender Distanzhalter (60) über dem Substrat, auf welchem der Wellenleiter angeordnet ist, montiert ist.

6. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstimmelement eine mikrostrukturierte Schicht ist, welche auf ein Substrat aufgebracht ist, welches mit isolierenden Abstandshaltern (60) über dem Substrat, auf welchem der Wellenleiter angeordnet ist, montiert ist.

7. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter in einem Gehäuse angeordnet ist, und daß das Abstimmelement eine mikrostrukturierte Schicht (200, 201) ist, welche auf eine Gehäuseinnenseite aufgebracht ist.

8. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstimmelement aus mindestens einem massiven ferroelektrischen und/oder antiferroelektrischen Körper (100, 101, 102, 103) besteht.

9. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Position zwischen Wellenleiter und Abstimmelementen in ihrer Lage einstellbar ist.

10. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Änderung der Temperatur des Abstimmelements vorgesehen ist.