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Submitted on 1 Jan 1994
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Realisation d’un filtre supraconducteur a 10 GHz
E. Husse, P. Lepercq, J. Carru, C. Thivet, A. Perrin
To cite this version:
E. Husse, P. Lepercq, J. Carru, C. Thivet, A. Perrin. Realisation d’un filtre supraconducteur a 10 GHz.
Journal de Physique III, EDP Sciences, 1994, 4 (4), pp.615-619. �10.1051/jp3:1994150�. �jpa-00249128�
Classification Physic-s Abstracts
74.75 74.90
Rdalisation d'un filtre supraconducteur h 10 GHz
E. Husse ('), P. Lepercq ('), J. C. Carru I'), C. Thivet (~) et A. Perrin (~)
(') Institut d'Electronique et de Micro61ectronique du Nord, D6partement Hyperfr6quences et
Semiconducteurs, Domaine Universitaire de Villeneuve d'Ascq, Avenue Poincar6, B-P. 69, 59652 Vilieneuve d'Ascq Cedex, France
(2) Universitd de Rennes I, URA CNRS n 1495, Laboratoire de Chimie du Solide et Inorganique Mo16culaire, Avenue du G6n6ral Leclerc, 35042 Rennes Cedex, France
(Re~,u le J5 juillei1993, rdvisd le 20 septembre J993, acceptd le 8 noi'embre J993)
Rksumk. Dans cet article, nous prdsentons la conception, la rdalisation et la caract6risation d'un
fiitre planaire supraconducteur h bande dtroite h 10GHz. A 77K ses performances sont
comparabies h cellos d'un filtre analogue en or et en accord avec ies pr6visions thdoriques. On estime quo ie filtre supraconducteur sea prdsente des pertes inf6rieures h 0,2 dB h 77 K.
Abstract. In this paper, we show the design, the realization and the characterization of a 10 GHz superconducting planar filter with a narrow band. At 77 K it compares favourably with a gold filter one and the results are in accordance with the simulation. The insertion loss of the
superconducting filter are considered inferior to 0.2 dB at 77 K.
1. Introduction.
La bande X (8-12 GHz) est trbs utilisde en tdldcommunication : on peut citer l'exemple de la tdldvision par satellite. Dans ce domaine il est particulibrement intdressant de rdduire le poids et [es dimensions des circuits passifs notamment. Parmi ces circuits, [es filtres micro-ondes ont une place importante. Dans [es satellites, [es filtres sont en guides d'ondes et donc trbs encombrants. Les filtres m6talliques planaires ne sont pas utilisables car leurs pertes d'insertion sont trop dlevdes. Par contre, on peut espdrer minimiser ces pertes avec un matdriau supraconducteur, ce qui ouvre la voie h de nouvelles possibilitds [1].
2. Conception du filtre.
Nous avons choisi de rdaliser un filtre passe-bande, de frdquence centrale 10 GHz et de bande
passante h 3 dB de 4 fb environ, soit 400 MHz. Ce filtre est conpu en technologie microruban,
sur une surface de 15 x lsmm2 limitde dans cette Etude par [es dimensions du ddpbt
supraconducteur. Nous avons choisi une gdomdtrie de lignes quart d'onde coupldes et une
structure de type Tchebycheff, qui nous perrnet de v6rifier nos critkres sans prendre un ordre
trks 61ev6 pour le filtre.
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L'6tude th60rique a 6t6 men6e h l'aide de r6f6rence classique [2-4] pour ce type de problkme
et comp16t6e par une optimisation et une simulation sur le logiciel Touchstone (EESOF, Inc. ),
dans le cas de l'or h 300 K et 77 K. Nous avons abouti h un filtre d'ordre 4 (Fig. I), dont [es
caract6ristiques en transmission (Fig. 2) r6pondent h nos souhaits. L'augmentation de la
13 mm
Fig. I. Fiitre passe-bande 4 p61es h iignes quart d'onde coupides.
[4-pole parallel-coupled line bandpass filter.]
F(GHz)
e,o ».# »,i e.8 e,e to to,t to,i to,> to~4 to,o
0
'
.
,
-is
S21(dB)
-2O
,
~,
m
'
m
K
Fig. 2.
300 K.
Simulation of
300 K-1
fr6quence centrale entre 300 K et 77 K est like h la variation de la permittivitd du substrat de
MgO (d'aprbs la littdrature 9,9 h 300 K contre 9,6 h 77 K).
3. Processus technologique.
3.1 DfP6T Du FILM MINCE. Le film supraconducteur d'YBa~CU~O~ a dtd ddposd [5] par
ablation laser sur un substrat (100) MgO, h la tempdrature de 752 °C et sous une pression de 0,3 mbar d'oxygbne pur. La vitesse de ddpbt est de 100 1par minute, l'dpaisseur finale du film
dtant de 3000h, le film est orientd
c, l'dpitaxie dtant vdrifide in situ par Rheed. La
tempdrature critique T~ (R
=
0 est de 85,7 K (Fig. 3).
o.e
~ o
,o
~o
o
o o o
o o
is
Fig. 3. - Transition 6sistive du film
[DC, resistive transition of the YBaCUO film as a function of temperature.]
3.2 RfALISATION Du FILTRE. Nous avons rdalisd deux filtres un filtre prototype en or et le filtre supraconducteur. Ils ont dtd effectuds sur un substrat de MgO poli deux faces de 0,5 mm
d'dpaisseur.
Un plan de masse en or a dtd ddposd par 6vaporation sur une couche d'accrochage de titane
puis dpaississement dlectrolytique jusqu'h une dpaisseur de 3 ~Lm. La gravure des lignes a dtd faite par voie humide dans )es deux cas. Pour le filtre supraconducteur, nous avons effectud
une mdtallisation en or des lignes d'entrde et de sortie par « lift off
».
4. Caractkrisation.
Les mesures ont dtd rdalisdes avec un analyseur de rdseaux HP8510B et un cryostat h hdlium.
Le filtre est placd dans un boitier et insdrd dans la canne de mesure, relide h l'analyseur de rdseaux par des cibles cryogdniques semi-rigides et des fiches de type K.
La caractdristique du filtre en or montre un accord excellent avec la simulation, aussi bien h 77 K qu'h 300 K (Tab. I). En effet, la frdquence centrale est proche de 10 GHz et la bande
passante est de 4 fb.
618 JOURNAL DE PHYSIQUE III N° 4
Tableau I. Valeurs caractdristiques des filtres.
[Characteristic values of filters.]
Penes Penes Ida)
centrale passante (%) fi#re fi#re seul
(GHz) +battier
Mesures 10.3 4
10.4
4
La rdponse en transmission du filtre supraconducteur correspond h nos prdvisions, l'dcart de 3 fb sur la frdquence centrale est h attribuer h l'imprdcision sur la valeur de la permittivitd du
substrat MgO utilisd.
Les mesures des pertes du dispositif supraconducteur en fonction de la tempdrature ont
permis de mettre en Evidence la transition de phase en micro-onde h 86 K. Cette temp6rature de transition est en bon accord avec celle ddterrninde en continu. En ce qui conceme [es pertes minimales d'insertion des filtres, nous avons effectud une estimation. En effet la mesure directe ne permet pas d'accdder aux pertes du filtre seul, mais correspond aux penes globales
de l'ensemble filtre + cellule + connecteurs. Nous avons donc mesurd )es pertes de la cellule et
des connecteurs h l'aide d'une ligne 50 Q en cuivre, dont [es pertes sont ndgligeables. Nous
ioxzi
S21 (dB) .10
~,
,~
.15
YBaCUO Or
Fig. 4. Rdponse en transmission des filtres supraconducteur et mdtallique h 77 K.
[Transmission response of superconductor and metallic filters at 77 K-j
wwERATuAEjx~
n n at 03 a5 a7 oa
o
"""+---« ---+
--+
~ "~~
-, ,
''»
-to ".
~
-is
$
mmm (dB) ~,
« i
I,
I
m 1
)
4o ",
+
m
Fig. 5. Evolution des pertes en transmission h la frdquence centrale du filtre supraconducteur en
fonction de la tempdrature.
[Evolution of insertion loss at central frequency of the superconductor filter as a function of temperature.
avons obtenu alors 1,4 dB, ce qui donne alors pour le filtre en or 0,6 dB et pour le filtre
supraconducteur des pertes infdrieurs h 0,2 dB (aux erreurs de mesures prbs).
Ce rdsultat encourageant montre l'intdrEt potentiel des films supraconducteurs h haute tempdrature critique. La rdalisation d'un filtre h bande trbs dtroite (~ l fb sur un substrat MgO
de 20 x 20 x 0.25 mm~ est
en cours.
Bibliographic
j Ii Hedges S. J., Humphreys R. G., Chew N. G., Goodyear S. W., Development of planar microwave filters from double sided YBCO thin films on MgO substrates, Electron. Lett. 27 (1991).
[2] Matthai, Young, Jones, Microwave filters impedance matching networks and coupling structures
(Artech house, 1980).
[3] Malherbe J. A. G., Microwave transmission line filters (Artech house, 1980).
[41 Edwards T. C., Conception des circuits micro-ondes (Masson, 1984).
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