CN101542764A

CN101542764A - 混合材料的rf电路和元件

Info

Publication number: CN101542764A
Application number: CN200880000109A
Authority: CN
Inventors: 柳江平
Original assignee: Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Current assignee: Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2009-09-23
Also published as: WO2010028520A1

Abstract

一个射频(RF)元件，包括一种非超导材料以及一种超导材料，其中超导材料位于RF元件的一个或多个区域，使得具有超导材料的区域比具有非超导材料的区域传导更大的电流密度。

Description

混合材料的RF电路和元件

技术领域

[0001]本发明通常涉及采用超导材料的RF元件，特别涉及采用混合材料的RF元件。

发明背景

[0002]射频(RF)电路/元件(如天线)通常是由铜制成。铜便宜、藏量丰富、且其具有相当高的传导性和极低阻抗。在天线情况里，阻抗使得能量很难被发射出去。能量反而会转换成热量，从而降低天线效率。

[0003]铜适合大多数元件，其中元件尺寸大致是固有谐振(naturalresonance)尺寸，固有谐振通常发生在λ/4或λ/2或λ上，其中λ是波长。但是，当元件尺寸相对其运行波长下降时，阻抗显著增加。这类元件的例子包括负载天线(loaded antenna)，如螺旋天线(helix antenna)，其通常将天线尺寸减少到其谐振长度的1/3或者更少。

[0004]超导材料没有阻抗(至少当材料温度降低到临界温度T_c之下时)。理论上，超导元件能够提供比全铜元件更高的效率。超导材料有许多问题，使得其很难被优先采用。第一，超导材料非常昂贵。第二，超导材料需要冷却剂以降温到T_c，例如，一些高温超导体的T_c是92°K，而其它超导体的T_c更低，如低温超导体。第三，超导材料通常是易碎的，很难将超导材料做成除了二维细平的片状或线状的其他形状。

[0005]目前已有RF系统采用超导材料。一个例子是使用超导材料制成整个系统的解决方法。这种系统通常被限制在一个二维表面，占用很大空间，并且非常昂贵。最近，随着无线基站变得越来越复杂，工程人员正面临散热问题，特别是功率放大器和滤波器。在商业领域，人们开始使用由超导材料制成的滤波器用于室外基站，由于材料和低温制冷系统导致成本上升。但是，极大地降低了空间需求，这可以抵消上升的制造成本。一个基站系统使用完全是由超导材料制成的滤波器。

[0006]另一个现有系统包括一个滤波器组，其中一些滤波器是由超导材料制成，而其它滤波器是由导电材料制成。另一个现有系统包括一个嵌入到超导球体或圆柱内的铜天线，以在它们离开天线后和在进入自由空间之前改善天线场型，类似于透镜效应(lens effect)。但是，很难建造这些采用完全由超导体制成的电路或元件的现有系统，因为超导材料易碎，而且由于超导材料成本高使得制造昂贵。

发明概述

[0007]本发明各种实施例涉及在一个给定离散元件内采用导电和超导材料的RF电路的系统和方法。在一个例子里，天线元件在具有高电流密度的部分上使用超导材料，而其它部分是由导电材料制成。一个示范方法包括设计RF电路/元件、确定电路/元件内的电流密度、将具有高电流密度的一些部分替换为超导材料。

[0008]本发明各种实施例比现有技术提供更多的优势。例如，一些实施例允许相同的设计，在制作复杂外形和三维(3D)外形时使用铜，而同时提供超导材料的性能特性。

[0009]前述已经相当广泛地阐述了本发明的特征和技术优势，以便能够更好地理解以下本发明的详细描述。本发明的额外特征和优势将在其后描述，其构成本发明的权利要求科目。本领域有经验的技术人员应该理解，在此披露的概念和具体实施例可以被利用作为一个基础，用作修改或设计其它结构以便能够执行本发明的相同目的。本领域有经验的技术人员也应该认识到，这种等同构造没有偏离在附加权利要求内阐述的本发明的精神和范围。被看作本发明特征的新颖性特征，无论是其组织和操作方法，与其它目的和优势一起，从以下的描述并结合附图将会被更好地理解。但是，应该深刻地理解，在此提供的每个附图仅是用作描述用途，不是意在作为限制本发明的定义。

附图说明

[0010]为了更完整地理解本发明，现结合附图对以下描述作出参考，其中：

[0011]图1描述本发明一个实施例的典型系统；

[0012]图2显示本发明一个实施例的典型系统；

[0013]图3显示本发明一个实施例的典型系统；

[0014]图4描述本发明一个实施例的示例耦合情景；

[0015]图5描述本发明一个实施例的典型仿真RF电路设计；

[0016]图6描述本发明一个实施例的典型设计；

[0017]图7描述本发明一个实施例的典型设计；

[0018]图8显示本发明一个实施例的具有狭缝设计的典型贴片天线；和

[0019]图9描述本发明一个实施例的典型方法。

发明详述

[0020]图1描述本发明一个实施例的典型系统100。系统100包括一个平面倒F型天线(PIFA)元件，有101、102和103部分。在此例子里，101部分在运行期间具有101、102和103之中最高的电流密度。而且，101部分是由超导材料制成，而102和103部分是由导电材料制成。通过在101部分上将导电材料替换成超导材料，系统100与仅使用导电材料的相似形状设计相比，由于具有更少的阻抗，从而可以获得更高的效率。

[0021]根据在此所述的原理，图2和3显示其它两个典型的PIFA实施例。图2显示本发明一个实施例的典型系统200。系统200是一个具有狭缝的PIFA元件，其中201部分(狭缝周围的部分)包括超导材料。图3显示本发明一个实施例的典型系统300。系统300是一个具有弯折线(meander line)的PIFA元件，其中301部分包括超导材料。本发明的范围不限于PIFA天线元件，而且实际上也不限于天线。本发明实施例可以被用于任何RF元件，如天线、滤波器、放大器、循环器(circulator)、分配器(divider)、耦合器(coupler)、传输线等。各种实施例可以利用任何超导材料以及任何导电材料的优点。例如，一些实施例使用钇钡铜氧化物(YBCO)，其基本上是一种具有很高临界温度92°K(至少对超导体而言)的陶瓷。相同或不同的实施例可以使用铜作为一种导电材料，因为其容易焊接，可以变形成各种不同形式，并有相当良好的导电特性用于RF部件。

[0022]依照本发明一个实施例，图4描述一个典型的连接情景400。图4显示101部分(图1)超导材料的近视图，并显示其如何被连接到102和103部分的导电材料。本发明的各种实施例将超导材料连接到导电材料，从而提供最佳可能的匹配。为了实现最佳匹配，其中一个选择是进行电容耦合(capacitive coupling)。电容耦合技术包括：放置超导材料使得其与导电材料重叠一部分边缘，通常是超导材料表面积的2-10％。在这种方式下，导电材料和超导材料之间重叠的表面积控制着匹配。这种技术如图4所示，其中101与102和103重叠。例如，如果“1”是50mm，与103的重叠大约是1-5mm，其随着谐振频率、几何形状、材料等不同而不同。也可以通过距离“d”控制匹配，距离“d”在不同实施例中有所不同。在一些例子里，超声波焊接(ultrasonic welding)可以被用来机械地将材料粘结在一起，从而将距离“d”收缩到最小。

[0023]根据本发明一个实施例，图5描述典型仿真RF电路设计500。电路设计500提供一个尺寸λ/50的环形天线，其中λ表示波长。非常小尺寸的天线经常遭遇低效率。在设计500的例子里，一个全铜天线将有大约9％的效率，其是通过仿真获得的。一个典型的仿真程序包括HFSS^TM，可从Ansoft公司获得，其是一个用于RF电路和天线的工业标准仿真程序。在此例子里，仿真也可以显示在天线设计500的各个点上的磁场强度。电路设计500上所有区域中，区域501-503具有最高的磁场强度，并具有最高电流密度。

[0024]仿真允许参数调整，如材料、几何图形、运行频率等。在一次示范方法里，第一次仿真是使用一个全导体参数空间进行，确定了高电流密度的区域，如区域501-503。接着，改变设计参数，在501-503部分上使用一个完美电导体(PEC)，以便近似模拟超导材料的表现。一个典型设计如图6的电路设计600。再次进行仿真，全铜设计和在高电流密度部分上替换铜的设计之间出现效率差别。全铜的有9％的效率，即仅有9％的初始能量被发射出去。设计600有15％的效率，所以将一些区域替代为超导体的结果能够使效率增倍。

[0025]环形天线仅是一个示例，本发明实施例可以采用各种几何外形的任何RF电路元件。有一些几何外形将提供较大的性能增益，而一些几何外形根本不能提供大的性能增益。例如，一个常规贴片天线(patchantenna)，其没有任何电感负载(inductive loading)区域(因此缺少高电流密度的区域)，无法通过将高电流密度部分替换为超导部分，从而不会获得较大的效率提高。相比较而言，可以期望具有狭缝的贴片天线可以获得较大的效率提高。图7显示示例的具有狭缝的仿真贴片天线设计700。在此仿真过程里，圈住的区域显示有高电流密度。该仿真也显示尺寸为λ/20的全铜设计700有大约20％的效率。图8显示示例的具有狭缝设计的贴片天线800，其中801和802部分是PEC以近似超导材料的作用。仿真显示尺寸为λ/20的设计800有大约60％的效率。

[0026]以上例子以仿真作为一种确定电流密度的方法，但是，本发明实施例可以采用任何技术来确定电流密度。例如，在一个例子里样品不是用导电材料建造的。那么，当样品发射RF能量时，在样品表面上使用金属装置探测磁场。探针被连接到一个网络分析器，其显示具有最高磁场强度的区域。另外或者，用户可以通过一个计算机程序如MATLAB^TM计算出来。

[0027]本发明实施例的许多技术包括制作RF电路和元件的方法。图9描述本发明一个实施例的典型方法900。例如，创建和/或制造RF设计的个人或团队可以执行方法900。

[0028]在步骤901，设计RF电路(或RF电路元件)。RF电路或元件可以是任何类型的RF载流(current-carrying)物体，如天线、滤波器、分配器、耦合器、传输线等。

[0029]在步骤902，确定RF电路大部分上的电流密度。在一个例子里，在由导电材料(而不是超导材料)构造的RF电路进行仿真操作。仿真将记下RF电路上的电流密度，并提供一个效率指示。步骤902也可以通过建立一个样品和测量磁场强度、分析数学模型等进行。

[0030]在步骤903，重新设计RF电路，使得第一部分包括超导材料，而第二部分包括非超导材料，其中第一部分比第二部分有更高的电流密度。换言之，一些比其它部分具有更高电流密度的导电部分，被替换为超导部分。步骤903不要求所有的高电流密度部分都被替换成超导材料，而仅仅是具有较高电流密度的一些部分被替换为超导材料。

[0031]在步骤904，确定重新设计的RF电路上的电流密度。步骤904也可以包括确定一个效率指示。通常，重新设计的电路的效率将比没有超导材料的原电路的效率更高。

[0032]在步骤905，制造重新设计的RF电路。RF电路可以使用任何类型的电导体(如铜、铝等)和超导体(如YBCO、铋锶钙铜氧化物(BSCCO)等)进行制造。在一些实施例里，使用冷铜代替超导材料。冷铜是被降温到2-3°K的铜，其与超导陶瓷材料具有类似的属性。冷铜实施例包括但不限于，部件完全是由铜制成，只是使用冷却剂对其中一些或所有的铜进行冷却，如以下所述。

[0033]一种制造技术包括在薄膜基板上建立电路，如与超导材料连在一起的薄膜基板。这种基板的一个例子包括柔性PCB、硬性PCB(如FR4)、含氟聚合物(如TEFLON^TM)等。也可以使用其它基板(如LaAlO)，特别是那些暴露在极低温度下也不会爆裂或者变形的基板。

[0034]在制造和/或实施期间各种实施例也包括一个电路的低温制冷系统。当使用高温超导材料时，液氮可以经常被用来进行制冷。当使用低温超导材料时，可以使用液氦或其它低温液体。依照一些实施例，低温制冷系统可以对元件的大部分进行制冷，或可以专注于一些有超导材料的小区域。

[0035]虽然方法900显示为一系列离散步骤，但本发明的一些实施例并不限于此。此外，实施例可以增加、忽略、重新编排和/或修改步骤。例如，一些实施例可以忽略步骤904。或者，其它实施例可以使用步骤904以提供反馈并进行反复设计修改，以便优化(或至少显著改善)电路设计的性能。在一些实施例里，步骤901-904是由一个研发(R&D)团队执行，而步骤905是由不同于研发团队的制造团队执行。

[0036]本发明实施例可能包括优于现有技术的多个优势。例如，一些现有技术系统包括用超导材料建造整个系统。这种现有技术系统非常昂贵。而且，超导材料在其外形上有诸多限制。例如，超导材料通常形成为长的细线状，并且通常不是柔软的，所以受限于基于狭长外形的二维结构。其它现有技术解决方案是将超导部件和导电部件混合在一起，如在滤波器组合里，一些滤波器是由超导材料制成，其它滤波器是由导电材料制成。再者，这种系统非常昂贵。而且，由超导材料制成的离散部件受限于二维外形。

[0037]通过比较，本发明一些实施例在元件级别对待元件本身，只处理元件的一部分，使用超导材料最受益的那部分。通过在一个离散元件内混合材料，一些实施例通过最小化使用的超导材料数量来节省成本。而且，较复杂的外形，包括三维外形，可以利用导电部分进行制造。此外，本发明实施例比传统全铜天线、特别是小型或负载天线提供更为改善的性能。

[0038]虽然已经详细说明了本发明及其优越性，但应理解，在不脱离所附权利要求定义的本发明的条件下可以做出各种改变，替换和变化。此外，本申请的范围不限定到此处说明书中描述的处理方法，机器，制造，物质构成，手段，方法和步骤等的特定实施例。从说明书可以容易理解，可以利用实质上执行了与这里说明的相应实施例相同功能或实现了相同结果的目前已有的或者将来会开发出的处理方法，机器，制造，物质构成，手段，方法和步骤。因此，所附的权利要求书旨在包括这些处理方法，机器，制造，物质构成，手段，方法或步骤。

Claims

1.一个射频(RF)元件，包括：

一种非超导材料；以及

一种超导材料，其中超导材料位于RF元件的一个或多个区域内，以至具有超导材料的区域比没有超导材料的区域传导更大的电流密度。

2.根据权利要求1所述的RF元件，包括一个天线元件。

3.根据权利要求2所述的RF元件，其中所述天线元件包括一个狭缝(slot)，所述超导材料至少部分地围在所述狭缝周围。

4.根据权利要求1所述的RF元件，包括一个滤波器。

5.根据权利要求1所述的RF元件，其中使用电容耦合将所述超导材料与所述非超导材料耦合在一起。

6.根据权利要求1所述的RF元件，还包括一个低温制冷系统(cryogenic cooling system)，其对所述超导材料进行制冷。

7.根据权利要求1所述的RF元件，其中所述元件被配制成一个三维形状。

8.一个射频(RF)电路，包括：

一个电流路径，包括第一部分，其比所述电流路径的第二部分具有更高的电流密度；

其中所述第一部分包括超导材料，所述第二部分包括非超导材料。

9.根据权利要求8所述的RF电路，还包括：

一个低温系统，对所述第一部分提供局部制冷(spot cooling)。

10.根据权利要求8所述的RF电路，其中RF电路是在1兆赫(megahertz)到10兆兆赫(terahertz)的频率范围内运行。

11.根据权利要求8所述的RF电路，其中RF电路的外形大体是平坦的。

12.根据权利要求8所述的RF电路，其中RF电路的外形是三维的。

13.一种建立电路的方法，所述方法包括：

设计一个射频(RF)元件；

确定所述RF元件设计内的电流密度；

使用所述确定的电流密度，修改所述设计的RF元件，使得第一部分包括超导材料，第二部分包括非超导材料，其中所述第一部分比所述第二部分具有更高的电流密度。

14.根据权利要求13所述的方法，其中确定电流密度包括：

测试所述RF元件样品多个区域的磁场强度。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述RF元件的所述样品包括非超导材料。

16.根据权利要求13所述的方法，其中确定电流密度包括：

对所述RF元件进行仿真操作。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述仿真忽略超导材料。

18.根据权利要求13所述的方法，还包括：

通过仿真在所述修改的、设计的RF元件内确定电流密度，其中所述仿真对所述第一部分使用一种完美电导体(perfect electrical conductor)。

19.根据权利要求13所述的方法，还包括：

制造所述修改的、设计的RF元件。

20.根据权利要求13所述的方法，还包括：

在所述修改的、设计的RF元件内确定电流密度。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括：

在所述修改的、设计的RF元件内使用所述确定的电流密度来进一步修改所述RF元件设计。

22.一个射频(RF)元件，包括：

一种非超导材料；和

一种具有超导特性的材料，其中具有超导特性的材料位于RF元件的一个或多个区域内，以至具有超导特性材料的区域比具有非超导材料的区域传导更大的电流密度。

23.根据权利要求22所述的RF元件，其中具有超导特性的所述材料包括：

冷铜(cold copper)。

24.根据权利要求22所述的RF元件，其中具有超导特性的所述材料包括：

YBCO。

25.根据权利要求22所述的RF元件，其中所述非超导材料包括：

铜。

26.一种建立电路的方法，所述方法包括：

设计一个射频(RF)元件；

确定所述RF元件设计内的电流密度；

使用所述确定的电流密度，修改所述设计的RF元件，使得第一部分包括具有超导特性的材料，并且第二部分包括非超导材料，其中所述第一部分比所述第二部分具有更高的电流密度。