CN107994305B - 一种拼装结构的超导微波滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拼装结构的超导微波滤波器，包括金属外腔，金属外腔包括从上到下依次相连的上金属外腔和下金属外腔，上金属外腔和下金属外腔之间设有至少一个金属腔体，相邻金属腔体之间设有级间耦合窗，相邻金属腔体通过级间耦合窗连通，金属腔体的内部设有高温超导带材，每个金属腔体内部的高温超导带材和金属外腔构成腔体谐振单元，级间耦合窗用于调节腔体谐振单元之间的耦合量；上金属外腔和下金属外腔之间还设有第一耦合窗和第二耦合窗，第一耦合窗和第二耦合窗与金属腔体连通，能量信号从第一耦合窗进入，经过腔体谐振单元后通过第二耦合窗输出,能量信号也可从第二耦合窗输入，经过腔体谐振单元后，从第一耦合窗输出。

Description

一种拼装结构的超导微波滤波器

技术领域

本发明属于大功率容量、高温超导滤波器件技术领域，具体涉及一种拼装结构的超导微波滤波器。

背景技术

高温超导薄膜在液氮温区的微波表面电阻比常规良导体低2-3个数量级，这种低损耗特性使得以高温超导薄膜为基础的高温超导微波无源器件,在微波波段具有常规器件无法比拟的优良特性。

目前采用高温超导材料制作的微波滤波器件功率容量大都较低，限制了其应用。随着电子技术的发展，收发系统所承载的功率越来越大，各系统间和同一系统不同信道间的干扰也越来越明显，因此急需具有高功率容量、低损耗特性的微波滤波器件以适应电子收发系统的需求；另外，当前高温超导微波滤波器件主要是采用预先沉积在衬底上的超导材料，经过对超导材料加工刻蚀，形成特殊的图形，从而得到预先设定的电性能，目前沉积在衬底上的优质高温超导薄膜最大尺寸为直径是3英寸的圆面。低功率情况下应用的高温超导滤波器可以采用螺旋绕线或电容加载的方式减小谐振单元尺寸，设计多级数滤波器，获得很好的矩形系数。由于谐振单元尺寸与频率成反比，工作频率在几百兆赫兹以下频率时，单个谐振器的尺寸往往较大，在同一片高温超导薄膜上难以实现简单耦合形式的多级数滤波器，通常采用具有加载特性的谐振单元，以减小谐振器物理尺寸，尽管在既定大小的薄膜圆面上，增加滤波器的级数，得到理想的滤波器电性能。这种手段实现的低频率高温超导滤波器物理结构大都较为复杂，且设计复杂，计算费时，调试困难。为了使滤波器结构紧凑，线条宽度一般较窄，功率容量堪忧。在常规技术中，在本行业中典型设计的低频高温超导滤波器，谐振单元采用多曲折绕线的形式实现单位面积上工作频率的降低。

高功率容量的高温超导滤波器需要将谐振单元的线宽尽可能增大，以减小其表面电流密度，获得较高的功率容量。目前，较为成熟的大功率容量高温超导滤波器，在滤波器相对带宽较窄时，功率容量较低，同时，由于不同滤波器结构单个谐振单元的尺寸较大，而目前性能良好的高温超导薄膜最大尺寸仅为直径3英寸的圆面，滤波器级数太多会导致带外滚降特性不够好，故滤波器级数不能太多，这显然不能满足目前通信系统对功率容量和带外干扰性能的要求。现有部分技术中的介质柱不易固定，导致其整个滤波器机械稳定性不佳，不利于实际应用。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种结构简单，制造方便，功率容量较大的具有拼装结构的超导微波滤波器。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种拼装结构的超导微波滤波器，包括金属外腔，金属外腔包括从上到下依次相连的上金属外腔和下金属外腔，上金属外腔和下金属外腔之间设有至少一个金属腔体，相邻金属腔体之间设有级间耦合窗，相邻金属腔体通过级间耦合窗连通，金属腔体的内部设有高温超导带材，每个金属腔体内部的高温超导带材和金属外腔构成腔体谐振单元，级间耦合窗调节腔体谐振单元之间的耦合量；上金属外腔和下金属外腔之间还设有第一耦合窗和第二耦合窗，第一耦合窗和第二耦合窗为同轴结构，第一耦合窗和第二耦合窗分别位于金属腔体的两端，第一耦合窗和第二耦合窗分别与金属腔体连通，能量信号从第一耦合窗进入，经过腔体谐振单元后通过第二耦合窗输出，能量信号也可从第二耦合窗输入，从第一耦合窗输出。

优选地，所述金属腔体位于上金属外腔与下金属外腔之间，金属腔体由上金属外腔和下金属外腔的接触面分别内凹构成。

优选地，所述金属腔体在与第一耦合窗轴线方向垂直的平面上的截面呈环形跑道形，金属腔体在下金属外腔表面的垂直投影为长方形，金属腔体在通过级间耦合窗轴线且垂直于下金属外腔表面的截面为长方形。

优选地，所述金属腔体的内表面上安装有带拼接缝的高温超导带材,高温超导带材的拼接缝位置与金属腔体的轴线方向平行。

优选地，所述金属腔体包括金属槽和金属柱，下金属外腔体内凹，形成环状的金属槽，金属柱与金属槽同轴，金属柱的高度低于金属槽的深度，金属腔体在下金属外腔上的垂直投影为圆环形。

优选地，所述金属槽和金属柱的顶部为金属，金属槽的环状内表面和金属柱的环形外表面上分别包裹安装有带拼接缝的高温超导带材，位于金属槽内表面上的高温超导带材的拼接缝位置与金属槽的轴线方向平行，位于金属柱表面上的高温超导带材的拼接缝位置与金属柱轴线方向平行。

优选地，所述上金属外腔上还设有螺杆，螺杆穿设于上金属外腔，螺杆位于上金属外腔的正中，能量信号进入谐振单元后，通过旋转螺杆调谐频率。

优选地，所述螺杆的表面镀银。

优选地，所述金属外腔的外部还设有第一接头和第二接头，第一接头和第一耦合窗连通，第二接头和第二耦合窗连通，能量信号从第一接头进入第一耦合窗，通过第二耦合窗后从第二接头输出，能量信号也可以从第二接头进入第二耦合窗，通过第一耦合窗后从第一接头输出。

本发明的有益效果是：

1、使高温超导滤波器尺寸不再受限于高温超导薄膜的大小，滤波器级数可任意。

2、腔体形式的谐振单元表面电流远低于平面结构，而无载品质因数更优，可以在保证低损耗的前提下，提高超导滤波器的功率容量。

3、高温超导腔体滤波器具有更高的带外抑制能力，可实现更强的抗干扰性能。

4、在谐振单元中央使用螺钉调谐的方式，避免了对传导电流的干扰，可对频率实现微调有利于消除机械加工误差导致的不良影响，实现设计波形。

附图说明

图1是本发明一种拼装结构的超导微波滤波器的总体结构示意图；

图2是本发明实施例一中金属腔体沿输入接头和输出接头连线法线方向的剖视图；

图3是本发明实施例一中金属腔体沿输入接头和输出接头连线方向与金属外腔顶面平行的剖视示意图；

图4是本发明实施例一中金属腔体的剖面示意图；

图5是本发明实施例二中金属腔体沿输入接头和输出接头连线方向的竖直剖面示意图；

图6是本发明实施例二中金属腔体在水平面上的剖面示意图；

图7是本发明实施例一中矩形波导主模磁场和电流密度分布示意图；

图8是本发明实施例一中无接缝的波导谐振腔结构示意图；

图9是本发明实施例一中有接缝的波导谐振腔结构示意图；

图10是本发明实施例一中矩形波导调谐螺杆结构示意图；

图11是本发明实施例一中高温超导带材展开结构示意图；

图12是本发明实施例一中高温超导带材拼接后的结构示意图；

图13是本发明实施例二中同轴线主模TEM模磁场和电流分布轴线方向示意图；

图14是本发明实施例二中同轴线主模TEM模磁场和电流分布轴线方向剖视示意图；

图15是本发明实施例二中同轴谐振腔在内部和外部的高温超导带材无接缝时的结构示意图；

图16是本发明实施例二中同轴谐振腔中金属柱上的高温超导带材有接缝，同轴谐振腔金属槽上的高温超导带材无接缝时的结构示意图；

图17是本发明实施例二中同轴谐振腔中金属槽上的高温超导带材有接缝，金属柱上的高温超导带材无接缝时的结构示意图；

图18是本发明实施例二中同轴谐振腔中的金属槽和金属柱上的高温超导带材都有接缝时的结构示意图；

图19是本发明实施例二中螺杆的结构示意图；

图20是本发明实施例二中金属柱中带高温超导带材有接缝时的结构示意图；

图21是本发明实施例二中金属槽中带高温超导带材有接缝时的结构示意图；

图22是本发明高温超导拼装后滤波器频率响应曲线图；

图23是本领域中常规设计中超导体表面的电流密度分布示意图；

图24是本发明实施例一中超导体表面的电流密度分布示意图；

图25是本发明实施例二中超导体表面的电流密度分布示意图。

附图标记说明：1、金属外腔；11、上金属外腔；12、下金属外腔；13、金属腔体；14、级间耦合窗；15、高温超导带材；16、第一耦合窗；17、第二耦合窗；18、第一接头；19、第二接头；20、螺杆；131、金属槽；132、金属柱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

实施例一

如图1到图4所示，本发明提供的一种拼装结构的超导微波滤波器，包括金属外腔1，金属外腔1包括从上到下依次相连的上金属外腔11和下金属外腔12，上金属外腔11和下金属外腔12之间设有至少一个金属腔体13，在本实施例中，金属腔体13的个数为三，相邻金属腔体13之间设有级间耦合窗14，相邻金属腔体13通过级间耦合窗14连通，金属腔体13的内部设有高温超导带材15，每个金属腔体13内部的高温超导带材15和金属外腔1构成腔体谐振单元，级间耦合窗14用于调节腔体谐振单元之间的耦合量；上金属外腔11和下金属外腔12之间还设有第一耦合窗16和第二耦合窗17，第一耦合窗16和第二耦合窗17为同轴结构，第一耦合窗16和第二耦合窗17分别位于金属腔体13的两端，第一耦合窗16和第二耦合窗17分别与金属腔体13连通，能量信号从第一耦合窗16进入，经过腔体谐振单元后通过第二耦合窗17输出，能量信号也可从第二耦合窗17输入，经过腔体谐振单元后，从第一耦合窗16输出。

金属腔体13位于上金属外腔11与下金属外腔12之间，金属腔体13由上金属外腔11和下金属外腔12的接触面分别内凹构成。金属腔体13在第一耦合窗16轴线方向垂直的平面上的截面呈环形跑道形，金属腔体13在下金属外腔12表面的垂直投影为长方形，金属腔体13在通过级间耦合窗14轴线且垂直于下金属外腔12表面的截面为长方形。金属腔体13的内表面上安装有带拼接缝的高温超导带材15，高温超导带材15的拼接缝位置与金属腔体13的轴线方向平行。

级间耦合窗14位于上金属外腔11和下金属外腔12之间，级间耦合窗14为长方形的通槽结构，级间耦合窗14与金属腔体13连通。

金属外腔1的外部还设有第一接头18和第二接头19，第一接头18和第一耦合窗16连通，第二接头19和第二耦合窗17连通。能量信号从第一接头18进入第一耦合窗16，通过第二耦合窗17后从第二接头19输出；能量信号也能够从第二接头19进入第二耦合窗17，通过第一耦合窗16后从第一接头18输出。

在采用高温超导带材15与常规金属拼接的方式形成谐振腔，最后实现滤波器的过程中，不可避免的会有接缝，为了避免接缝造成谐振腔表面电流不连续所导致的损耗增加，甚至不能谐振的问题，本实施例特别提出了高温超导带材15沿宽边中缝拼接的方式与常规金属间银层过渡的方式。

采用中缝拼接方法时，如图7到图9所示，在本发明的具体实施例一中，金属波导主模TE10模的电流密度分布，其中主模为矩形波导中的主波，如图7所示，波导宽边中央电流只有坐标系中Z方向分量。当高温超导带材15拼接缝位于宽边正中时，不会切断工作模式主模的表面电流，对谐振腔的构成没有影响。其中宽边正中指的是：高温超导带材15的两端拼接时，拼接处的缝隙的延长线与第一耦合窗16和第二耦合窗17连线方向平行。图8和图9是尺寸相同的波导谐振腔在无接缝和有接缝(缝宽0.2mm)两种情况下谐振频率f和品质因数Q的比较。其中f为谐振频率，Q为品质因数。相同尺寸波导谐振腔两种情况下的谐振频率f和品质因数Q，其中：无缝时：f＝4.99670GHz，Q＝178354，有缝时：f＝4.99669GHz，Q＝178424。

如图11和如图12所示，采用银层过渡方法时，高温超导带材15的拼接缝处先蒸镀一层金属银，金属银位于展开的高温超导带材15的两端，将高温超导带材15两端拼合后，然后再用一小块薄金属进行覆盖连接。

金属波导主模TE10模宽边正中没有传导电流，而电场最强。金属外腔1的顶部还设有螺杆20，螺杆20为镀银结构，使用镀银螺杆20进行频率调谐，以抵消机械加工误差和装配误差对谐振单元工作频率所造成的偏差，如图10所示，金属外腔1上为安装螺杆20增加的孔不影响性能。

如图22所示为本实施例中高温超导滤波器测试曲线，从图22中可以看出该曲线具有良好的滤波器波形，测试结果符合要求，说明本实施例的方法具有可行性。

实施例二

如图5到图6所示，本实施例与实施例一相比，不同之处在于金属腔体13包括金属槽131和金属柱132，下金属外腔12内凹，形成环状的金属槽131，金属柱132位于金属槽131的底部中间，下金属外腔12的厚度大于上金属腔体11，金属柱132的高度低于金属槽131的深度，金属腔体13在下金属外腔12上的垂直投影为圆环形。

如图20和图21所示，金属槽131和金属柱132的顶部为金属，金属槽131的环状内表面和金属柱132的环形表面上分别包裹安装有带拼接缝的高温超导带材15。位于金属槽131内表面上的高温超导带材15的拼接缝位置与金属槽131的轴线方向平行，位于金属柱132表面上的高温超导带材15的拼接缝位置与金属柱132轴线方向平行。

如图13到图21所示，在本实施例中，采用拼合的方式时，同轴线主模TEM模的电流密度分布如图13和图14所示，其中TEM模指的是电磁波的传输方向上没有电场和磁场分量的波导模式，高温超导带材15拼接缝位于宽边正中时，不会切断工作模式TEM模的表面电流，对谐振腔的构成没有影响。如图15到图18所示，尺寸相同的同轴谐振腔在无接缝和有接缝，两种情况下谐振频率f和品质因数Q的比较，其中接缝的宽度为0.2毫米。如图15所示，无缝时：f＝4.991GHz，Q＝27182；如图16所示，内导体有缝时：f＝4.992GHz，Q＝27161；如图17所示，内导体无缝时：f＝4.993GHz，Q＝27180；如图18所示，内外导体有缝时：f＝4.992GHz，Q＝27124。

如图20和图21所示，采用银层过渡方法时，高温超导带材15的拼接缝处事先蒸镀一层金属银，然后再用一小块薄金属进行覆盖连接。

同轴谐振腔内导体上表面和外导体下表面的正中没有传导电流，而电场最强。在本实施例中，如图19所示，上金属外腔11上穿设有螺杆20，螺杆20的长端与呈环状的金属腔体13中心轴线重合。通过调节镀银的螺杆20进入上金属外腔11的长度进行频率调谐，以抵消机械加工误差和装配误差对谐振单元工作频率所造成的偏差。

如图22到图25所示，本发明实施例一和实施例二中，滤波器采用不同平面结构和不同腔体结构时，超导体表面电流密度分布示意图。不同结构的电流密度不同，激励功率均采用1W，其中“W”为功率单位；滤波器的中心频率为5GHz，带宽为45MHz，回波损耗均大于20dB。在本技术领域中，方块切角双模谐振结构为常规设计，方块切角双模谐振结构在平面超导滤波器结构中功率容量最高，如图23所示为本技术领域中常规结构设计的谐振结果图；如图24所示，本发明的实施例一中，采用高温超导带材15和金属外腔1组合形成矩形波导结构实现的谐振结果图，如图25所示，本发明的实施例二中，采用高温超导带材15与金属外腔组合形成同轴结构实现谐振的谐振结果图。从图22到图25中可以看出，本发明实施例一所采用的矩形波导谐振结构中表面电流密度仅为常规平面电路结构表面电流密度的十六分之一，实施例二所采用的同轴谐振结构中表面电流仅为常规平面电路结构表面电流密度的六分之一。在超导滤波器中的技术领域中，滤波器的功率容量往往由超导薄膜的功率容量所决定，因此，在所使用高温超导带材15临界电流密度相同的情况下，本发明的实施例一和实施例二所采用结构的功率容量将会是现有结构技术中平面结构的256倍和7倍。而对于高温超导带材15而言，高温超导带材15的临界电流密度能达到普通薄膜材料的1.5到2倍以上，这将进一步增加本发明超导滤波器的功率容量。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种拼装结构的超导微波滤波器，其特征在于：包括金属外腔(1)，金属外腔(1)包括从上到下依次相连的上金属外腔(11)和下金属外腔(12)，上金属外腔(11)和下金属外腔(12)之间设有至少一个金属腔体(13)，相邻金属腔体(13)之间设有级间耦合窗(14)，相邻金属腔体(13)通过级间耦合窗(14)连通，金属腔体(13)的内部设有高温超导带材(15)，每个金属腔体(13)内部的高温超导带材(15)和金属外腔(1)构成腔体谐振单元，级间耦合窗(14)调节腔体谐振单元之间的耦合量；上金属外腔(11)和下金属外腔(12)之间还设有第一耦合窗(16)和第二耦合窗(17)，第一耦合窗(16)和第二耦合窗(17)为同轴结构，第一耦合窗(16)和第二耦合窗(17)分别位于金属腔体(13)的两端，第一耦合窗(16)和第二耦合窗(17)分别与金属腔体(13)连通，能量信号从第一耦合窗(16)进入，经过腔体谐振单元后通过第二耦合窗(17)输出，能量信号从第二耦合窗(17)输入，从第一耦合窗(16)输出；

所述金属腔体(13)包括金属槽(131)和金属柱(132)，下金属外腔(12)体内凹，形成环状的金属槽(131)，金属柱(132)与金属槽(131)同轴，金属柱(132)的高度低于金属槽(131)的深度，金属腔体(13)在下金属外腔(12)上的垂直投影为圆环形；

所述金属槽(131)和金属柱(132)的顶部为金属，金属槽(131)的环状内表面和金属柱(132)的环形外表面上分别包裹安装有带拼接缝的高温超导带材(15)，位于金属槽(131)内表面上的高温超导带材(15)的拼接缝位置与金属槽(131)的轴线方向平行，位于金属柱(132)表面上的高温超导带材(15)的拼接缝位置与金属柱(132)轴线方向平行。

2.根据权利要求1所述的一种拼装结构的超导微波滤波器，其特征在于：所述金属腔体(13)位于上金属外腔(11)与下金属外腔(12)之间，金属腔体(13)由上金属外腔(11)和下金属外腔(12)的接触面分别内凹构成。

3.根据权利要求2所述的一种拼装结构的超导微波滤波器，其特征在于：所述金属腔体(13)在与第一耦合窗(16)轴线方向垂直的平面上的截面呈环形跑道形，金属腔体(13)在下金属外腔(12)表面的垂直投影为长方形，金属腔体(13)在通过级间耦合窗(14)轴线且垂直于下金属外腔(12)表面的截面为长方形。

4.根据权利要求3所述的一种拼装结构的超导微波滤波器，其特征在于：所述金属腔体(13)的内表面上安装有带拼接缝的高温超导带材(15),高温超导带材(15)的拼接缝位置与金属腔体(13)的轴线方向平行。

5.根据权利要求1所述的一种拼装结构的超导微波滤波器，其特征在于：所述上金属外腔(11)上还设有螺杆(20)，螺杆(20)穿设于上金属外腔(11)，螺杆(20)位于上金属外腔(11)的正中，能量信号进入谐振单元后，通过旋转螺杆(20)调谐频率。

6.根据权利要求5所述的一种拼装结构的超导微波滤波器，其特征在于：所述螺杆(20)的表面镀银。

7.根据权利要求1所述的一种拼装结构的超导微波滤波器，其特征在于：所述金属外腔(1)的外部还设有第一接头(18)和第二接头(19)，第一接头(18)和第一耦合窗(16)连通，第二接头(19)和第二耦合窗(17)连通，能量信号从第一接头(18)进入第一耦合窗(16)，通过第二耦合窗(17)后从第二接头(19)输出，能量信号从第二接头(19)进入第二耦合窗(17)，通过第一耦合窗(16)后从第一接头(18)输出。

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