Микроэлектронные СВЧ-компоненты на основе высокотемпературных сверхпроводников Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Микроэлектронные СВЧ-компоненты

на основе высокотемпературных сверхпроводников

Данная статья содержит анализ материалов зарубежной печати и краткий обзор по компонентам из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), которые находят свое применение в аппаратуре связи широкого диапазона частот: от 0,2 до 28 ГГц. Открытие ВТСП-материалов с критическими температурами, превышающими температуру кипения жидкого азота (77,3 К), в 1986 г. породило большие надежды на быстрое внедрение их в практику и дало мощный импульс дальнейшему исследованию ВТСП. Замена гелиевых температур на азотные резко упростила и удешевила криогенную технику, функционирующую при достаточно простых и дешевых системах охлаждения, что позволяет создавать приборы с уникальными параметрами. Одной из мировых отраслей народного хозяйства, взявшей на вооружение данную технологию, является телекоммуникационная отрасль.

Василий Емельянов

[email protected]

Концепция создания систем третьего поколения 1МТ-2000 является одним из наиболее грандиозных проектов конца XX века. В ходе его реализации мобильный телефон превращается в персональный компьютерный коммуникатор, с помощью которого станут возможными высокоскоростной обмен информацией, глобальный роуминг и доступ к услугам мультимедиа.

Согласно прогнозу, данному в Концепции развития рынка телекоммуникационных услуг [1], число пользователей мобильными телефонами в России к 2010 г. достигнет 22,2 млн человек. В 2000 г. зафиксирован 150 %-й прирост числа сотовых абонентов. К 2003 г. аналитиками прогнозируется двукратное, по сравнению с 2000 г., увеличение объема услуг сотовой связи. Предполагается, что через десятилетие доля мобильной связи в общем объеме рынка услуг связи страны составит 45 %.

Широкое использование телекоммуникационных технологий предъявляет все более жесткие требования к узлам и аппаратуре связи. И это не случайно. Чтобы обеспечить увеличивающееся число абонентов качественной и бесперебойной связью, необходимо, в силу ограниченности частотного ресурса, либо увеличить число сот, либо улучшить радиочастотные характеристики как цепей приемника (увеличить чувствительность и селективность), так и цепей передатчика радиотракта базовой приемопередающей станции (БС). Известно, что емкость (число каналов) и зона охвата приемником БС определяется, главным образом, мощностью абонентского тер-

минала (АТ) и селективностью приемника на линии связи вверх (от АТ к БС) [2]. Селективность приемника БС может быть значительно улучшена путем использования эллиптических фильтров высшего порядка. Традиционные микрополосковые фильтры вносят большие потери в полосе пропускания полезного сигнала, проявляющиеся в ухудшении соотношения сигнал-шум (ОСШ) приемника и, следовательно, приводящие к снижению его чувствительности. Кроме того, обычные радиокомпоненты, работающие в частотном диапазоне 800...2000 МГц, не обеспечивают характеристик, требуемых для телекоммуникационных систем связи третьего поколения (^ = 2 ГГц, М = 5 МГц, спад АЧХ — 70 дБ/МГц, [1]). Сравнительная характеристика основных параметров традиционных и ВТСП полосовых фильтров приведена в табл. 1 [10].

Для кардинального решения задачи необходимо использовать технологию высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Кроме того, ключевые компоненты БС — элементы, изготавливаемые из тонкопленочных керамических пластин ВТСП, — позволяют обеспечить увеличение чувствительности приемника как за счет уменьшения вносимых ВТСП-элементами искажений, так и благодаря увеличению ОСШ охлаждаемых компонентов, таких как МШУ.

Рассмотрим особенности применения радиокомпонентов на основе ВТСП-керамики в телекоммуникациях, в частности в системах мобильной связи третьего поколения.

Таблица1

Тип фильтров Центральная частота ^, МГц Полоса частот, % от ^, МГц Вносимые потери, дБ Затухание сигналов в полосе заграждения, дБ Добротность

ПАВ 5...2000 1.10 0,5.30 40.70 0 0 о

Кварцевые 0,1...1000 0,1.10 До 3 80..90 103.105

Микрополосковый До 10000 2.60 До 4 От 20 До 104

Цифровой 10.300 До 0,1 60.80 103.104

ВТСП 0,2.28 000 0,2.15 0,3...1,2 5 О 0 О 106.107

Явление сверхпроводимости было открыто более 90 лет назад, но только лишь в последние два десятилетия оно начало использоваться в крупных технических приложениях. Это связано с открытием в 1986 г. Дж. Беднорцем и К. Мюллером нового класса металло-оксид-ных высокотемпературных сверхпроводников [3]. Современные ВТСП способны работать при температурах до 135 К. Благодаря этому сверхпроводимость по праву занимает одно из ведущих мест в числе важнейших критических технологий, играющих принципиальную роль в развитии военного и технологического потенциала страны.

Широкие перспективы применения сверхпроводников в компонентах СВЧ-диапазона объясняются возможностью получения тонких пленок ВТСП-керамики на монокристал-лических подложках. Как правило, к основным параметрам ВТСП-пленок относят удельное сопротивление и магнитную восприимчивость. При описании поведения пленок на высоких частотах используют такой параметр, как поверхностное сопротивление. Согласно феноменологической модели, для описания поверхностный импеданс ВТСП-керамики в сверхпроводящем состоянии имеет следующий вид [8]:

л<г>

1 + Гллм гг (ЛЛ2 (I

У

1 + [аЧ10ал(0А|(0]2

где

.А

о„(0=о„(1)*[<У 1+а(1-<г)]

, Х2.(0)

А, (I) = -Ь—

1 1-,Т

^(0) = 0.12е^-27_05,г^

т_

где — лондоновская глубина проникновения, ограничивающая область протекания тока сверхпроводимости и магнитного поля;

\(0) — лондоновская глубина проникновения при Т=0;

ТС — температура перехода ВТСП в нормальное (несверхпроводящее) состояние);

ап(1) — проводимость основных носителей заряда (Ы электронов) при температуре перехода ТС;

а — параметр остаточного сопротивления, определяет предел поверхностного сопротивления при низких температурах;

у — параметр, характеризующий качество

пленки (1,5__2,5);

d — толщина ВТСП-пленки;

|10 — магнитная постоянная;

ю — круговая частота.

Параметр модели у является показателем качества пленки: чем у выше, тем ниже поверхностное сопротивление. Кроме того, значение у в экспоненте отвечает за температурную зависимость и определяет крутизну температурной зависимости поверхностного сопротивления в точке перехода [8].

Поскольку активное поверхностное сопротивление пропорционально квадрату частоты, то ВТСП-материалы сохраняют свое преимущество до частот 100_200 ГГц. Это происходит за счет того, что начальное значение поверхностного сопротивления (на постоянном токе) у ВТСП-материалов на несколько порядков ниже, чем у металлов, что позволяет создавать компактные линии передачи СВЧ-сигна-лов. Активная составляющая поверхностного сопротивления определяет величину добротности ВТСП-резонатора, а реактивная — чувствительность прибора к температурным колебаниям частоты резонатора и имеет значение для долговременной стабильности.

У пленок УБа2Си307-х, вызывающих наибольший практический интерес, критическая температура перехода лежит в диапазоне 80. ..125 К.

Для получения тонких пленок ВТСП-кера-мики технологами применяются следующие методы напыления на подложку:

• лазерное и электронно-лучевое испарение;

• химическое осаждение из газовой фазы;

• прямое и реактивное катодное распыление;

• молекулярно-лучевая эпитаксия.

Для создания пленок УБа2Си307-х в основном используют первый метод.

Лазерное испарение широко применяется при нанесении ВТСП-пленок. Его главное достоинство — возможность одинаково испарять все химические элементы, содержащиеся в мишени. При правильном подборе температуры и давления происходит послойный рост ВТСП-пленки с необходимой структурной фазой. С помощью этого метода выращиваются наиболее совершенные пленки УБа2Си307-х керамики.

Магнетронное распыление позволяет получать в одну стадию пленки УБа2Си307-х, по характеристикам не уступающие выращенным методом лазерного испарения и при этом имеющие более однородную толщину и более гладкую поверхность. При магнетрон-ном распылении состав пленок, как правило, соответствует составу мишеней, но при использовании оксидных мишеней для предотвращения дефицита кислорода в растущей пленке его подают в рабочую камеру.

Как и при лазерном испарении, в результате образования плазмы возникают возбужденные атомы и ионы что в принципе, позволяет выращивать ВТСП-пленки в одну стадию при невысоких температурах. Однако, если подложка расположена близко к мишени, а давление среды недостаточно, она подвергается интенсивной бомбардировке отрицательными ионами кислорода, которые разрушают структуру растущей пленки.

ВТСП-пленки наносятся на подложку, характеристики которой влияют на нее. Основ-

ные требования к подложке: среднее значение диэлектрической проницаемости е>25 и наличие малых диэлектрических потерь ^8< 10-4). Это необходимо, чтобы пленки были химически инертными и имели гладкую поверхность.

В настоящее время вышеперечисленным требованиям полностью удовлетворяют подложки из ЬаЛ103. Благодаря высокой диэлектрической проницаемости (е«23) такие подложки обладают уникальными возможностями с точки зрения миниатюризации. Кроме них применяют также подложки из Mg0. К настоящему времени на этих подложках удалось с обеих сторон вырастить пленки УБа2Си307-х керамики толщиной до 600 нм, которые обладают низким поверхностным сопротивлением и высокой допустимой рабочей мощностью (до 50 кВт).

Для согласования параметров кристаллических решеток и коэффициентов теплового расширения, а также предотвращения химического взаимодействия материалов ВТСП-пленки и подложки используют буферные слои.

Технологический процесс изготовления ВТСП-приборов должен обеспечивать не только создание высококачественной сверхпроводящей пленки, но и сохранение ее свойств во время последующей обработки (утонение и полировка подложки, формирование рисунка, нанесение контактных слоев и т. д.). Один из основных технологических процессов изготовления тонкопленочных ИС на ВТСП — формирование рисунка элементов и межсоединений методом сухого травления (ионной бомбардировкой и реактивным ионным травлением, импульсным лазерным распылением) или непосредственно с помощью лазера. Однако этим методам свойственны недостатки — повреждение поверхности пленки и ухудшение сверхпроводящих свойств. Альтернативой может служить жидкостное травление с использованием различных травителей, состоящих из водных растворов фосфорной, азотной или соляной кислоты. Хорошие результаты дает комбинация методов сухого и жидкостного травления. Достаточно сложная технологическая задача — создание токоведущих контактов с низким сопротивлением к ВТСП-пленкам. Один из методов, обеспечивающих поверхностное сопротивление менее 106 Ом/мм2 при температурах ниже критической, — нанесение на пленку УБа2Си307-х контактных площадок из серебра методом эпитаксии, напыления или просто в виде фольги с последующим вжига-нием. В процессе вжигания к таким контактным площадкам присоединяют вывод из золотой проволоки.

Применение ВТСП-элементов в телекоммуникациях

Как уже было сказано выше, за последние пять лет произошел резкий рост популярности мобильных систем связи. Это произошло благодаря тому, что мобильные телефоны — абонентские терминалы (АТ) — стали более доступными, компактными и недорогими. Уменьшить мощность, излучаемую АТ,

а значит, уменьшить негативное воздействие на головной мозг и увеличить время работы АТ без подзарядки можно, как говорилось ранее, увеличив чувствительность и селективность приемопередающего тракта базовой станции сотовой связи (СС). Это приводит к увеличению зоны охвата БС и увеличению емкости сети, что сказывается на уменьшении стоимости инфраструктуры оператора СС. Уменьшение мощности, излучаемой АТ, можно осуществить за счет минимизации шумов входных каскадов приемника и уменьшения искажений приемопередающего тракта. Средством для решения поставленной задачи является использование элементов, выполненных на основе ВТСП: антенны, фильтры, резонаторы, мультиплексоры, смесители, линии задержки. Применение тонкопленочных ВТСП-узлов (УБа2Си307-х на подложке ЬаЛ103, Mg0 или Л1203) в трансивере приводит к увеличению чувствительности и селективности тракта приема и уменьшению комбинированных потерь и снижению побочных излучений в тракте передачи [2].

Основные требования, предъявляемые к ВТСП-компонентам, приведены в табл. 2.

Таблица 2

фильтров. Данные устройства уже используются в малошумящих приемных трактах БС сотовых систем связи GSM (0,8/0,9 ГГц) и PCS (1,8/1,9 ГГц), и сейчас рассматривается возможность их применения для систем связи третьего поколения, а также в области более высоких частот (до 27 ГГц).

Фильтры

Основные требования, предъявляемые к ВТСП-фильтрам при их использовании в мультиплексорах, в мобильных сотовых и спутниковых системах связи, могут быть сформулированы следующим образом [4]:

• центральная частота f0 = 1...4 ГГц.;

относительная ширина полосы частот:

¥

/о

= (0,03...2)%;

• передаваемая мощность — от 10 до 100 Вт;

• неравномерность АЧХ в полосе пропускания не менее 0,01 дБ.

Для полосового фильтра, полностью изготовленного на ВТСП-пленках, вносимые потери являются функцией поверхностного со-

Пассивный компонент Требования к ВТСП-пленкам Требования к параметрам компонентов

Резонатор Низкие диэлектрические потери Высокая добротность. Низкий уровень фазового шума

Полосовой фильтр Низкое сопротивление пленок на ВЧ и СВЧ. Возможность интеграции блока фильтров на одной подложке Малые вносимые потери. Заданная ширина полосы пропускания

Линия задержки Малая площадь подложки. Малое поверхностное сопротивление (для миллиметрового диапазона) Высокие КПД и коэффициент передачи

Пассивные приборы СВЧ-диапазона (фильтры, мультиплексоры, линии задержки, резонаторы и т. д.) являются первым практическим применением ВТСП-материалов. Поскольку пассивные компоненты составляют свыше 50 % объема как наземных радиоэлектронных систем, так и бортового аэрокосмического радиоэлектронного оборудования, то ВТСП-материалы играют важную роль в снижении их габаритов и массы. Для более полного использования достоинств высокотемпературной сверхпроводимости при разработке пассивных компонентов необходимо учитывать основные требования к ВТСП-пленкам и параметрам компонентов.

Свойства ВТСП, такие как отсутствие потерь на постоянном токе и небольшие потери на переменном, делают возможным передачу сигналов с минимальными искажениями, что позволяет использовать ВТСП-элементы в системах мобильной радиосвязи. Подтверждением этому может служить тот факт, что еще в 1994 г. ATT Bell и Illinois Superconductor Corp. разработали ВТСП-фильтры для систем сотовой телефонной связи [3]. ВТСП-фильтры для базовых станций позволяют улучшить качество звука, отсекая городской радиочастотный шум, и увеличить число каналов, поддерживаемых каждой ячейкой. После демонстрации своих изделий компании получили крупные заказы (оцениваемые в десятки миллионов долларов) на изготовление и поставку этих

стороны ЬаАЮ3-подложки толщиной 0,5 мм. Для формирования рисунка использован обычный фотолитографический процесс с последующим ионно-лучевым травлением. ВТСП-пленка на обратной стороне подложки служит для заземления. Частотные характеристики: вносимые потери при температуре 77 К - 0,4 дБ, обратные потери в полосе пропускания — свыше - 10 дБ. Для сравнения, вносимые потери фильтра такой же конфигурации, в котором вместо ВТСП-пленки используется золото, составили 19 дБ (при 77 К), а его габариты вдвое больше.

Следующий пример 8-полюсный узкополосный фильтр, разработанный специалистами Denso Corporation (Japan) из YBa2Cu3O7-X-пленки на подложке из MgO [5]. Измеренная АЧХ представлена на рис. 1.

Центральная частота пропускания — 1,95 ГГц. Полоса пропускания фильтра — 5 МГц. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания — не более 0,5 дБ, вносимые затухания — около 0,35 дБ.

противления пленки, тангенса угла диэлектрических потерь в подложке и соотношения мощности рассеяния в корпусе к мощности, запасенной в диэлектрике, которое зависит от конструкции фильтра. Однако в конечном счете вносимые потери определяются числом элементов фильтра и суммарным значением коэффициента передачи, которые задают полосу пропускания. Наибольшее преимущество использование ВТСП-пленок может обеспечить при создании фильтров с большим коэффициентом прямоугольности (узкая полоса пропускания, большое число звеньев и высокий коэффициент передачи).

Простейший для проектирования и изготовления тип фильтра представляет собой цепь связанных отрезков длинных линий. Длина каждого отрезка равна половине длины волны. В некоторых случаях с целью уменьшения габаритов линейные элементы фильтра изгибают, придавая им форму прямоугольной спирали. В качестве примера можно привести микрополосковый фильтр для приемного тракта системы мобильной связи, разработанный фирмой Matsushita [3]. Основные требования к фильтру — малые вносимые потери и высокая крутизна частотной характеристики, обеспечивающие очень высокую чувствительность и избирательность. Данный фильтр состоит из четырех звеньев. Он изготовлен на Tl2Ba2Ca3Cu3O7-X-пленках толщиной 700 нм, осаждаемых на обе

1.950 Частота, ГГц

2.000

Рис. 2

Фильтр [5] представляет собой цепочку из восьми связанных полуволновых резонаторов, имеющих переменный коэффициент связи: к = ДИ), к = (2,5; 1.8; 1.6; 1.4)х10-3. Особенность этого фильтра заключается в том, что при ширине полосы пропускания Д£ = 2,5 % АЧХ фильтров для различных значений добротности р Ю = 5000, 10 000, 100 000) незначительно отличаются друг от друга. Узость полосы пропускания и высокая добротность являются преимуществом использования ВТСП-фильтров. Однако при Д£ = 0,25 % АЧХ-фильтров отличаются друг от друга по величине затухания полезного сигнала в полосе прозрачности: при р = 5000 затухание составляет -1,5 дБ, а при р = 100 000 вносимые потери не превышают -0,2 дБ. Таким образом, для достижения высоких характеристик добротность фильтров

должна иметь значение до 100 000, в то время как у традиционных фильтров эта величина ограничена несколькими тысячами. При реализации данной конфигурации разработчики столкнулись с проблемой выбора расположения резонаторов и величины перекрестных связей между ними. Поскольку максимально узкая полоса фильтрации сигнала обеспечивается при слабой связи между резонаторами, то такая связь в простейшем случае реализуется путем их пространственного разнесения. Разнесение резонаторов, приводящее к требуемой величине связи между ними, требует увеличения размеров пластины. Для устранения этого недостатка с одновременным сохранением величины межрезонаторной связи было использовано круговое размещение резонаторов (рис. 3).

Конструкция рассматриваемого фильтра [5] представляет собой планарную структуру — диск Mg0 (ег=9,85) диаметром 5,08 см и толщиной 0,5 мм, по периметру которого расположено восемь кольцевых резонаторов со щелью, толщина нанесенной пленки из УБС0-керами-ки — 0,5 мкм. Углы между осями, проходящими через середину щели и центр пластины, различны и определяются коэффициентом связи между соседними резонаторами.

На рис. 2 приведены АЧХ фильтра при его экранировании и без него [5]. АЧХ фильтра была снята при охлаждении до 70 К. Соединительные провода были откалиброваны при комнатной температуре, поэтому снижение потерь в кабеле при комнатной температуре и при 70 К было скорректировано в ходе эксперимента. При экранировании спад АЧХ на границе полосы пропускания составляет 0,8 МГц/30 дБ, а без него — 0,7 МГц/30 дБ. Увеличение крутизны спада АЧХ при экранировании фильтра объясняется уменьшением паразитной связи между резонаторами.

Весьма привлекательно использование электрически перестраиваемых ВТСП-фильтров для применения их в адаптивных следящих приемниках БС. Изменяя величину внешнего магнитного поля, можно осуществлять перестройку в заданном частотном диапазоне.

Специалистами Лаборатории микроволновой электроники Санкт-Петербургского электротехнического университета был разработан такой перестраиваемый ВТСП-фильтр [7]. Особенность его конструкции состоит в практическом использовании такого физического явления, как спиновые волны. Известно, что спиновые волны распространяются в монокристаллах и эпитаксиальных пленках железо-

иттриевого граната (ЖИГ). Ферритовая эпитаксиальная пленка ЖИГ, выращенная на подложке галлий-гадолиниевого граната в форме трапеции, непосредственно прикладывается к пленочной топологии ВТСП-структуры. Для устранения отражения спиновых волн торцы структуры имеют скосы. Перестройка осуществлялась при изменении подмагничи-вающего поля. Небольшое изменение поля (на 700 Эр) смещает центральную частоту на 600 МГц (рис. 8) [7]. Подмагничивание осуществляется миниатюрными электромагнитами. Вектор напряженности магнитного поля направлен параллельно поверхности пленки.

Высокая чувствительность к перестройке параметров является перспективной для построения управляемых ВТСП-фильтров ЖИГ. АЧХ фильтра сняты с помощью панорамного измерителя КСВН и представлены на рис. 4. Ограничение характеристик на уровне - 40 дБ является следствием несовершенства используемых КИП.

Рис. 4

стоты [9]. Перестраиваемый конденсатор подключался между двумя участками микрополо-сковых линий Ь1=2 мм и Ь2= 12,95 мм.

На рис. 6 представлен рисунок топологии фильтра при его размещении на двух дюймовой сапфировой подложке.

Поскольку передаточная характеристика фильтра относительно центральной частоты не уменьшается (с точностью 0,2 дБ) и составляет ±0,25 ГГц, то это позволяет использовать данный фильтр для работы в диапазоне перестройки 30 (1927,5...2157,5 МГц) систем связи [1, 7].

Для некоторых видов радиоэлектронной аппаратуры часто необходимы блоки согласованных полосовых фильтров, которые перекрывают весь заданный диапазон частот. Одним из примеров может служить мультиплексор в центральной станции мобильной связи. Четырехканальный блок фильтров на микропо-лосковых линиях включает два гибридных ответвителя и два одинаковых фильтра в каждом канале. Блок с центральной частотой 4 ГГц изготовлен напылением УБа^^О^-пленки на ЬаА1О3-подложку толщиной 5 мм. Максимальная неравномерность характеристики в полосе пропускания составляет всего 0,1 %, а ширина полосы пропускания каждого элемента — 50 МГц [3].

Тип перестраиваемого фильтра, настройка которого осуществляется путем изменения емкости конденсатора (варактора), был также разработан в Санкт-Петербурге. Трехполюсный фильтр с центральной частотой 2 ГГц обладает

1 %-й полосой пропускания и коэффициентом перекрытия диапазона, равным 2 [9]. Нарис. 5 представлена структурная схема данного фильтра. При изменении емкости конденсатора от

1,2 до 0,6 пФ происходит сдвиг центральной ча-

На рис. 7 представлена АЧХ перестраиваемого фильтра при различных значениях емкости регулировочного конденсатора С: С1 = 1,2 пФ; С2=0,84 пФ; С3=0,6 пФ [9].

Все вышеописанные конструкции фильтров являлись исследовательскими и изготавливались в количестве не более трех экземпляров. Промышленный образец фильтра, выпускаемый серийно фирмой Superconductor Technologies Inc., представлен на рис. 8 [11].

Блоки фильтров D и E соответствуют частотным диапазонам сотовой связи PCS в США: 1865____1870 и 1885...1890 МГц соот-

ветственно. Каждый фильтр представляет

Block D Filter

У ні (Пі

Input ______т 1

output (to LNA)

Block E Filter

Рис. 8

собой цепочку из восьми связанных резонаторов, расположенных на MgO-подложке толщиной 0,5 мм. Измеренная АЧХ блока дуплексных фильтров представлена на рис. 9.

В рабочей полосе частот передатчика базовой станции данный фильтр ослабляет сигнал более чем на 80 дБ.

Резонаторы

Это одни из наиболее важных пассивных микроэлектронных компонентов СВЧ-диапа-зона. Считается, что применение ВТСП керамических пленок в резонаторах позволит снизить шумовой сигнал в 100 и более раз, а полосу пропускания уменьшить более чем в 10 раз. Однако самой высокой добротностью (до 7х105) обладают объемные резонаторы, изготовленные из металлических ВТСП [3].

Специфика географического расположения России, следствием которой является необходимость покрытия БС сотовой связи больших территорий с малой плотностью абонентов, требуют больших уровней пиковой мощности (до тысяч ватт). Для достижения поставленной задачи фильтры в традиционном исполнении не годятся в силу вырождения сверхпроводимости в ВТСП-пленке. Наиболее подходящим в данном случае является использование дисковых ВТСП-резонаторов, работающих с колебаниями вида ТМ010 и текущих радиально с ВЧ-тока-ми [6]. Если для фильтров приемных устройств большое значение имеют малые габариты, то одним из основных требований к фильтрам передающих устройств является большая допустимая пропускаемая мощность. По мнению некоторых специалистов [3], при создании компактных планарных фильтров с очень высокой добротностью (более 105) и допустимой мощностью 50 кВт или более весьма перспективно использование дисковых резонаторов. Эта концепция использовалась американскими и европейскими учеными, которые разработали фильтры на базе УБа2Си307-х и Т2Ва2Са3Си307-х пленок. Достигаемый при этом выигрыш в 8-10 раз в габаритах и массе получается при замене традиционных объемных резонаторов на дисковые с ВТСП-пленками.

Предположение о достижимых рабочих характеристиках одиночного дискового резонатора и различных типов фильтров может быть сделано, основываясь на измеренной величине критического магнитного поля [4]. Один из фильтров, реализованных на частоте 2 ГГц, — однополюсный с добротностью нагруженного фильтра около 3000. При 60 К очень хорошие ВТСП-пленки позволяют получать величину критического поля около 150 А/см. Это соответствует критической циркулирующей мощности величиной 1125 Вт и 235 Вт для сапфировой и ЬаЛ103-подложек толщиной 0,5 мм соответственно на частоте 2 ГГц. На рис. 10 изображена температурная зависимость добротности (режим ТМ010) данного ненагружен-ного дискового резонатора от температуры при разном материале подложки. Очевидно, что использование сапфировой подложки является более предпочтительным, чем ЬаЛ103, поскольку tgS слабо меняется в широком температурном диапазоне [4]. Существует резко выраженное увеличение добротности резонатора на сапфировой подложке в технически привлекательном для реализации криокулера температурном диапазоне.

На рис. 11 показано поперечное сечение трехполюсного фильтра с £0 = 1,95 ГГц [6], собранного на микрополосковых резонаторах. Каждый резонатор был изготовлен из двусторонней пленки УБС0, осажденной на подложку из лантаната алюминия (ЬаЛ103) диаметром

2 дюйма (5,08 см). Цепочка состоит из трех вертикально связанных микрополосковых дисковых резонаторов, разделенных между собой позолоченной Т1 прокладкой. Измеренная циркулирующая мощность при 50 К составляет 72 Вт и ограничивается возможностью тестовой установки [6]. Для рассмотренного примера трехполюсного фильтра при входной мощности 70 Вт, выходной ВЧ-ток составил

1,2 А, при этом диссипативные потери (нагрев) составили 40 мВт, что предъявляет определенные требования к системе охлаждения ВТСП-фильтра. Относительная полоса пропускания этого фильтра составляет 1,2% при неравномерности 0,6 дБ. Расчеты показывают, что 9-полюсный фильтр аналогичной конструкции будет иметь относительную полосу пропускания 0,75 % и сможет коммутировать ВЧ-мощность свыше 1 кВт [6].

АЧХ фильтра рассмотренной конструкции представлена на рис. 6. Фильтр был синтезирован как фильтр Чебышева с пульсацией АЧХ в полосе прозрачности 0,1 дБ и с относительной шириной полосы пропускания 0,75 % [6]. АЧХ

этого фильтра измерялась при двух уровнях входной мощности: 1 мВт и 72 Вт. Снятые при этом характеристики практически не отличались друг от друга. Вносимые затухания фильтра при 1 мВт и 72 Вт были менее 0,1 дБ и ограничивались точностью измерительных приборов. При пропускании через фильтр только одной несущей частоты £0 термометр, расположенный на корпусе фильтра, регистрировал увеличение температуры на 0,2 К, что соизмеримо с выделением фильтром около 1 Вт тепла.

Частота, ГГц

Рис. 12

Измеренная добротность ненагруженных резонаторов на 50 К составляла 100 000 и ограничивалась только диэлектрическими потерями в подложке. Расчетные вносимые затухания составили величину 0,02 дБ для Q = 100 000 при Т = 50 К. Суммарные потери на сопротивлении позолоченной гофрированной трубки — сильфоне составила 0,002 Ом. Таким образом, рассеиваемая мощность на сильфонах составила менее 40 мВт. Это согласуется с измеренной величиной вносимого затухания (менее 0,1 дБ) [6]. МММ

Окончание следует.