автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Исследование резонансных сверхпроводящих структур с сосредоточенными элементами для устройств СВЧ-электроники

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ТОНКИХ ПЛЁНОК.

1.1. Основные параметры тонких плёнок ВТСП.

1.2. Обзор методов измерения и расчёта поверхностного сопротивления.

Выводы и результаты.

ГЛАВА 2. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ

РЕЗОНАНСНЫЕ СТРУКТУРЫ.

2.1. Обзор плоских микрополосковых резонансных структур.

2.2. Реализация сосредоточенных элементов в СВЧ диапазоне.

2.3. Качественное сравнение фильтров с сосредоточенными и квазисосредоточенными элементами.

Выводы и результаты.

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ФИЛЬТРОВ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.

3.1. Реализации сосредоточенных элементов при планарной технологии.

3.2. Практическая реализация, методы вычисления и анализа индуктивных элементов различных конфигураций.

3.2.1. Индуктивность прямого отрезка проводника и в виде меандра.

3.2.2. Индуктивность плоской круглой спиральной катушки.

3.2.3. Индуктивность плоской прямоугольной спиральной катушки.

3.2.4. Метод Гровера.

3.2.5. Добротность спиральной катушки.

3.3. Практическая реализация и вычисления параметров П-образной цепи J-инвертора.

3.4. Об оптимальности площади занимаемой резонансным звеном.

Выводы и результаты.

ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ИЗГОТОВЛЕНИЕ СВЧ ФИЛЬТРОВ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

4.1. Геометрия фильтра со спиральной катушкой индуктивности.

4.1.1. Синтез чебышевского фильтра прототипа.

Частотно-з ависимая индуктивность.

4.1.2. Варианты геометрии фильтров с сосредоточенными параметрами.

4.1.3. Изготовление и экспериментальные результаты образцов фильтра реализованных на медной плёнке.

4.1.4 Измерительный стенд для проведения экспериментов при криогенных температурах.

4.1.5. Особенности синтеза плёнок ВТСП.

4.1.6. Технология создания СВЧ фильтров на основе ВТСП тонких плёнок.

4.1.7. Метод нанесения металлических контактов на плёнки

ВТСП и экспериментальные результаты.

4.2. Геометрия фильтра со спиральными индуктивностями без гальванических соединений.

4.2.1. Компьютерное моделирование, принципы изготовления и экспериментальные результаты ВТСП фильтров первого порядка без гальванических соединений.

4.2.2. Компьютерное моделирование и экспериментальные результаты ВТСП фильтров четвёртого порядка без гальванических соединений.

4.2.3. Варианты построения фильтров с более чем одним витком. Компьютерное моделирование и экспериментальные результаты.

Выводы и результаты.

Актуальность темы

С момента открытия сверхпроводимости начались активные исследования свойств сверхпроводников, и многие из обнаруженных свойств получили теоретическое и экспериментальное подтверждение. Одновременно велись поиски новых технических решений и приложений для различных областей применения, основанных на различных свойствах сверхпроводимости.

Современные приложения сверхпроводимости подразделяются на два основных направления: сильноточная и слаботочная электроника. Сильноточная электроника включает в себя такие приложения, как электромагниты, генераторы и двигатели, линии электропередачи, накопители электроэнергии [1]. Приложения слаботочной или маломощной электроники - это различные детекторы и генераторы, устройства обработки сигналов, магнитометрия, цифровые устройства и др. [2].

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости дало новый импульс разработчикам различных приложений, использующих известные свойства высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).

Пассивные СВЧ устройства, среди которых антенны, направляющие структуры, линии задержки, резонаторы и фильтры, построенные на основе ВТСП, представляют повышенный интерес с точки зрения прикладных задач.

Одним из преимуществ сверхпроводников перед обычными металлами является их чрезвычайно низкое поверхностное сопротивление. Так вплоть до миллиметрового диапазона длин волн при одинаковых температурах численное значение поверхностного сопротивления сверхпроводников на несколько порядков меньше, чем у хороших проводников [3].

Использование низкотемпературных сверхпроводников (НТСП) в СВЧ электронике существенно улучшает характеристики пассивных элементов по сравнению с обычными металлами [3]. Так, например, объёмные резонаторы изготовленные из меди, в сантиметровом диапазоне при температурах жидкого гелия имеют добротность Q0 = 104 -105, а добротности идентичных сверхпроводниковых резонаторов, изготовленных из свинца или ниобия, могут достигать значений Q0 = 109 - Ю10 [4].

Основной проблемой при эксплуатации НТСП устройств остаётся необходимость их охлаждения до температур жидкого гелия, по этому не смотря на очевидные преимущества НТСП, широкого применения они не нашли.

Открытие в 1986 году высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) полностью изменило ситуацию в сверхпроводниковой электронике. Повышение температуры фазового перехода в значительной степени упростило проблему охлаждения сверхпроводниковых электронных устройств, и расширило область практического применения.

Известные преимущества высокотемпературных сверхпроводников перед обычными металлами и низкотемпературными сверхпроводниками, породили новые топологические и структурные решения для СВЧ резонаторов и фильтров, позволяющие добиваться высоких технических характеристик для приборов, находящих применение в различных областях.

Основными областями применения ВТСП резонансных и направляющих структур являются космическая и наземная мобильная и сотовая связь. Входные цепи базовых стационарных приёмо-передающих станций связи, все больше исполняются на ВТСП пленках. Это увеличивает не только чувствительность и избирательность базовых станций, тем самым, увеличивая зону обслуживания и уменьшая общее число базовых приёмопередающих станций, но и позволяет уменьшить мощность излучения мобильных терминалов и увеличить время их работы от автономных источников питания.

К настоящему времени были разработаны оригинальные конструкции СВЧ фильтров как с распределёнными, так и сосредоточенными параметрами. Однако структурам с сосредоточенными параметрами было уделено меньше внимания из-за относительно более сложного анализа таких структур. А также из-за того, что основные исследования планарных СВЧ-структур с сосредоточенными, начались после открытия высокотемпературной сверхпроводимости, это объясняется практической невозможностью создания СВЧ-структур с приемлемыми характеристиками на плёнках обычных металлов.

Диссертация посвящена исследованию резонансных сверхпроводящих структур с сосредоточенными элементами, и в частности исследованию полосно-пропускающих фильтров с плоскими спиральными катушками в качестве индуктивных элементов.

Использование спиральных индуктивных элементов позволяет значительно миниатюризировать размеры структур фильтров и использовать для реализации фильтров высокого порядка подложки с ВТСП плёнкой меньших размеров. Цель работы

Целью данной работы является исследование фильтров с сосредоточенными элементами на высокотемпературных сверхпроводниковых тонких плёнках, которые наряду с высокой добротностью резонансных цепей, присущей сверхпроводниковым устройствам, обладают и высокой степенью миниатюризации.

В данной работе также преследовались цели по разработке новой концепции построения фильтров с сосредоточенными параметрами, с плоскими прямоугольными спиральными индуктивностями для начала гигагерцового диапазона рабочих частот.

В процессе достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- исследование вариантов построения резонансных ВТСП структур реализуемых по планарным технологиям;

- разработка алгоритма расчета величины индуктивности плоской прямоугольной спиральной катушки от ее геометрических параметров;

- расчет параметров планарной системы емкостей J-инвертора;

- исследование способов создания низкоомных металлических контактов с высокой адгезией к сверхпроводящей плёнке;

- компьютерное моделирование структуры фильтров с помощью программных продуктов Sonnet и Microwave Office;

- экспериментальное масштабное моделирование и отработка технологий создания фильтров на медных тонких плёнках;

- создание монтажного стола для проведения экспериментов с фильтрами и исследование методик измерений частотных характеристик фильтров при низких температурах;

Новые научные результаты полученные в диссертации В диссертационной работе впервые получены следующие результаты:

1. Разработана новая концепция построения и методика проектирования структуры фильтров с сосредоточенными параметрами с индуктивными элементами в виде плоских прямоугольных спиралей, для соединения внутренних концов которых использовались перемычки.

2. Предложен и реализован способ создания низкоомных перемычек из золотых проводников для организации гальванического соединения внутреннего конца спиральной индуктивности с остальной структурой.

3. Исследована зависимость общей площади занимаемой одиночным резонансным звеном предложенной структуры с сосредоточенными элементами, от количества витков спиральной индуктивности.

4. Разработана новая концепция построения и методика проектирования структуры фильтров с сосредоточенными параметрами с индуктивными элементами в виде плоских прямоугольных спиралей, причём для реализации данной структуры не требуется создание каких-либо перемычек или нанесения каких-либо дополнительных слоёв.

5. Впервые на основе плоских спиральных катушек индуктивности реализованы опытные ВТСП полосовые фильтры третьего порядка с рабочими частотами 1,777 ГГц и четвёртого порядка с рабочими частотами 1,7 и 2,25 ГГц на MgO и А1203 подложках.

Практическая ценность работы

Продемонстрированы возможности создания компактных высокодобротных СВЧ фильтров высокого порядка, двух различных топологий, на ВТСП тонких плёнках. Практическая значимость подтверждается тем, что результаты работы используются в учебном процессе на кафедре Основ радиотехники МЭИ (ТУ) в курсе лекций по радиофизике проф. Лобова Г.Д.

Положения выносимые на защиту

1. Предложены и исследованы новые сверхпроводниковые структуры резонаторов с сосредоточенными элементами с плоскими прямоугольными спиралями в качестве индуктивных элементов, для соединения внутреннего конца которых требуется использование гальванических перемычек. На изготовленных образцах экспериментально доказана работоспособность концепции реализации фильтров с нормальным металлом в резонансной цепи, предложена методика проектирования подобных фильтров.

2. Предложены и исследованы новые сверхпроводниковые структуры резонаторов с сосредоточенными элементами с плоскими прямоугольными спиралями в качестве индуктивных элементов, не требующие использования каких-либо перемычек и многослойных покрытий. На изготовленных образцах экспериментально доказана работоспособность концепции реализации такого фильтра, предложена методика проектирования.

3. Согласно проведённым исследованиям показано, что использование плоских спиральных катушек индуктивности значительно уменьшает габариты сверхпроводниковых фильтров с сосредоточенными элементами для начала гигагерцового диапазона, по сравнению с индуктивными элементами в виде прямого проводника и проводника в виде меандра, без ухудшения параметров фильтра.

4. Получен вывод о том, что использование сверхпроводниковых фильтров с сосредоточенными элементами наиболее перспективно в диапазоне 0,5-5 ГГц.

5. Обоснован подход к проектированию фильтров, в котором для ускорения компьютерного моделирования электромагнитных полей структуры фильтра высокого порядка на основе разработанных алгоритмов проводится синтез отдельных элементов резонансного звена - катушек индуктивности и системы конденсаторов. Предложенный подход обеспечивает получение предварительной топологии заданного фильтра высокого порядка, используемой для получения окончательной топологии путем коррекции исходной.

Апробация результатов работы

Результаты, полученные в процессе работы были доложены и одобрены на пяти международных научных конференциях прошедших в России и одной в Пуерто Рико (Puerto Rico 2000 IEEE International Ultrasonics Symposium).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них - 2 статьи в международных журналах, 5 тезисов докладов в трудах конференций:

1. Бариное А.Э., Вербило А.В., Жгун С.А., Сухое В.А. Высокотемпературные сверхпроводниковые фильтры СВЧ диапазона с сосредоточенными параметрами. // Третья международная конф. "Физико-технические проблемы электротехнических материалов и компонентов". (Россия, Клязьма, 30 нояб. - 2 декаб. 1999 г.): Тезисы докладов. - С. 178-179.

2. Баринов А.Э., Жгун СЛ. Расчёт планарной катушки индуктивности. // Пятая международная научн.-техн. конф. студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика": Тезисы докладов. - М.: МЭИ, 1999-Т. 1.-С. 5-7.

3. Баринов А.Э., Жгун СЛ. ВТСП фильтры с сосредоточенными параметрами. // Шестая международная научн.-техн. конф. студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика": Тезисы докладов. - М.: МЭИ, 2000 - Т. 1. - С. 4.

4. Баринов А.Э., Жгун СЛ., Сухов В.А., Вербило А.В. Полосовой фильтр с сосредоточенными элементами из высокотемпературного сверхпроводника. // Четвертая международная конф. "Электротехника, электромеханика и электротехнологии", (Россия, Клязьма, 18-22 сент. 2000 г.): - С. 153-154.

5. Баринов А.Э., Жгун СЛ., Сухов В.А., Рыжков В.А. Сверхпроводниковый фильтр с сосредоточенными параметрами. // "Девятая международная конф. по Спиновой Электронике", (секция XV международной конф. по гиромагнитной электронике и электродинамике, Москва, 10-12 нояб. 2000 г.):-С. 357-361.

6. Баринов А.Э., Жгун СЛ., Сухов В.А., Су Х.Т., Ланкастер М.Ж., Хуанг Ф. Сверхпроводниковый фильтр с сосредоточенными элементами со спиральными индуктивностями. // Microwave and Optical Technology Letters. - 2001. - 20 Apr. - Vol.29. - Issue 2. - P. 94-95. (на англ. яз.)

7. Баринов А.Э., Жгун СЛ., Сухов В Л. Планарный сверхпроводниковый полосовой фильтр с сосредоточенными элементами со спиральными индуктивностями. // Physica С: Superconductivity and its Applications. - 2001. -Vol.355/3-4. - Jun. - P. 257-259. (на англ. яз.)

Объём и структура работы

Диссертационная работа состоит из четырёх глав, введения и заключения, списка литературы, включающего 127 наименований, и пяти приложений. Основная часть работы изложена на 153 страницах, включая 91 рисунок и 5 таблиц.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В данной главе рассмотрены и обсуждены два новых типа ВТСП фильтров с сосредоточенными элементами с плоскими прямоугольными спиральными индуктивностями.

Первый тип, в котором для соединения внутреннего конца катушки с остальной структурой применяются гальванические перемычки, обладает наибольшей компактностью, так как входящие в его состав спирали могут содержать большое количество витков N = 5 - 20. Так описанный в данной работе фильтр третьего порядка имеет размеры 7,5 х 1,5 мм, что значительно меньше габаритов ВТСП фильтров с сосредоточенными параметрами опубликованных ранее.

Однако наличие в составе структуры несверхпроводящих участков ограничивает достижимую добротность получаемых фильтров.

Вторым типом структуры фильтра, описанным в данной главе является структура, содержащая спиральные индуктивные элементы, но не содержащая несверхпроводящих участков. Подобные структуры позволяют достичь высокой степени миниатюризации и больших значений добротности.

Использование компактных структур с сосредоточенными параметрами в ВЧ и начале СВЧ диапазона в больших интегральных и гибридных схемах, позволяет получать различные приборы с высокими техническими характеристиками. Таким образом, в указанном диапазоне данные структуры значительно превосходят конкурентов - фильтры на поверхностных акустических волнах - по добротности и вносимым потерям, а распределённые системы, в том числе и на ВТСП плёнках - по габаритам.