CN1348618A - 使用超导谐振器的双工作模式滤波器 - Google Patents

使用超导谐振器的双工作模式滤波器 Download PDF

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Abstract

提供一种双工作模式全温度滤波器。所述双工作模式滤波器设有一壳体,用于限定至少两个腔体,一个输入端口和一个输出端口。它还设有置于第一腔体中的非超导谐振器和置于第二腔体中的超导谐振器。第二谐振器包含含有8－15%的银的超导材料。双工作模式滤波器在低于阈值温度的温度上在相对高的级别上进行滤波并在高于阈值温度的温度上在较低的传统级别上进行滤波。

Description

使用超导谐振器的双工作模式滤波器
发明领域
本发明一般涉及滤波器，更具体地说涉及用超导谐振器的双工作模式全温度滤波器。
发明背景
射频(RF)滤波器与蜂窝式基站和其他电信设备一起使用已有时日。这些滤波器一般用于滤除噪声和其他不想要的信号。例如，带通滤波器通常用来滤除或阻断除一个或多个预定频带以外的射频信号。又例如陷波滤波器一般用来阻断预定的射频频带中的信号。
超导技术的新近进展已导致一种新型RF滤波器，即高温超导(HTSC)滤波器。HTSC滤波器含有处于77K的液氮温度或高于该温度的超导体的元件。与传统的滤波器相比，这种滤波器极大地提高了灵敏度(选择信号的能力)和选择性(从不需要的噪声和其他话务量中区分出所需信号的能力)的性能。然而，由于已知的高温超导(HTSC)材料只在相对低温(例如90K左右或更低)下具有超导性，而在环境温度下它是相对差的导体，这种超导滤波器要求辅助的冷却系统以保证在使用中把滤波器保持在适当温度上。结果，传统的超导滤波器受到电源可靠性的牵制。具体地说，如在一段时间内电源(例商用电源分布系统)有故障(例如断电或电压下降)，则冷却系统将同样有问题，于是当相应的超导滤波器升温而丧失超导性时，滤波器也将失效。
为防止这种滤波器提供的系统在电源中断期间的失效，在恢复适当的冷却环境之前经常需要RF旁路电路形式的附加电路来切换失效的滤波器。这种旁路电路增加了已知系统的花费和复杂性。
发明概述
按照本发明的一个方面提供了一种滤波器。所述滤波器包含一个限定至少两个腔体、一个输入端口和一个输出端口的壳体。它还包括置于第一腔体中的第一非超导谐振器；以及置于第二腔体中的第一超导谐振器。
较好的是超导谐振器包括含有8-15％重量百分数的银的超导材料。
在一些实施例中，滤波器还设有置于第三腔体中的第二超导谐振器和置于第四腔体中的第二非超导谐振器。在这些实施例中，可任选地限定第一腔体为输入腔体，可任选地限定第四腔体为输出腔体。
按照本发明的另一方面，提供了包括一个双工作模式滤波器和与该双工作模式滤波器级联的传统滤波器的组合。双工作模式滤波器在低于阈值温度的温度上提供第一级(level)滤波和在高于阈值温度的温度上提供第二级滤波。第一级高于第二级。
在一些实施例中，低噪声放大器耦合于双工作模式滤波器和传统滤波器之间。在另一些实施例中，隔离器耦合于双工作模式滤波器和传统滤波器之间。
在一些实施例中，双工作模式滤波器包含一带通滤波器。
其他的特征和优点包含在所要求的和所揭示的设备中，或通过以下详细说明及其附图将对本专业内熟练人士将变得明显起来。
附图简述
图1是按本发明的主旨构成的双式作模式全温度滤波器的示意图。
图2为图1的滤波器的截面图。
图3是按本发明的主旨构成的第二双工作模式全温度滤波器的示意图。
图4是采用双工作模式滤波器的电路的示意图。
较佳实施例的说明
图1示出按本发明的主旨构成的双工作模式全温度滤波器10。如下所述，滤波器10在其温度保持在低于阈值温度的温度时提供第一级滤波，在其温度超过阈值时提供小于第一级的第二级滤波。更具体地说，当保持在冷却的环境中时，滤波器10产生HTSC滤波器所期望的增强级(高抑制(rejection)且低插入损耗)滤波，但当暴露于非冷却环境(例如由致冷系统失效而致)时，滤波器10提供传统(非HTSC)RF滤波器所期望的级别(高抑制而有某种插入损耗)的滤波。因此，所揭示的滤波器10与传统滤波器相比，提高了性能，与现有HTSC滤波器相比，提高了可靠性。具体地说，在多数情况下它提供了增强的滤波级别并保证在诸如电源中断的不利环境中保持可接受的滤波等级。
虽然所揭示的滤波器10特别适用于无线电信系统，并且这里将在这一意义上进行讨论，但本专业内一般技术人员将容易理解本发明的主旨决不限于这种使用环境。相反，按本发明主旨构成的滤波器可在从它提供的高性能滤波和提高的可靠性中获益的任何应用中使用，而不偏离本发明的范围和精神。
为限定容纳、引导电源信号并对其进行滤波的腔室，滤波器10设有一壳体12。如图1所示，壳体12包含一对端壁14、顶壁16、底壁18以及通过常规紧固件如螺栓等固定到端壁14、顶壁16和/或底壁18上的一对侧板(未示出)。
为将壳体腔室分成多个谐振腔20，壳体12进而设置有内间隔壁22和多个内壁24。如图1所示，内间隔壁22和内壁24共同限定两排平行的谐振腔20。为耦合这两排谐振腔20，内间隔壁22限定耦合孔28。
为将电磁信号输入到壳体12并从壳体12重新得到经滤波的信号，壳体12的端壁14分别限定输入孔30和输出孔32。如图1所示，输入和输出孔30、32被限定在与耦合孔28相对的壳体12的一端上。因而，经输入孔30送到滤波器10的电磁信号将沿第一排谐振腔20行进，穿过耦合孔28，顺着第二排传回，从输出端口30输出。
内间隔壁22的厚度选择最好与将电磁信号传送到该滤波器10所用的耦合机构的要求相适应。与限定输入和输出孔30、32的端壁相邻的两个谐振腔20形成输入腔36和输出腔38，此输入和输出腔36、38接纳至少一部分常规输入耦合机构和常规输出耦合机构(未示出)。在所揭示的实施例中，输入和输出腔36、38由内间隔壁22的加厚部分42所隔开。该加厚部分42近似为内间隔壁22其余部分厚度的两倍。如本专业的一般技术人员所理解，内间隔壁22的加厚部分42的精确尺寸将根据该滤波器所要求适应的频率和负载条件来选取。
如常规的那样，输入和输出耦合机构被连接到各自的RF传输线(未示出)，这些传输线将RF信号送到滤波器10，或从滤波器10送出去。一般，每一耦合机构包含在输入和输出腔体36和38中用来传播(或收集)电磁波的天线(未示出)。天线可包括简单的导电回路或更复杂的结构，以对腔体36、38内的导体元件的位置进行机械调节。这种耦合机构的例子在美国专利5,731,269中有描述，这里全部引入其内容作为参考。
为了调谐每个腔体20以除去被处理的RF信号中不需要的频率或频率范围，每个谐振腔20设置有谐振器46。(为简化图示，图1中只示出两个谐振器46)。尽管本专业的一般技术人员容易理解可使用各种类型谐振器来完成这种作用而不偏离本发明的范围或精神，但本较佳实施例中，谐振器46由开口环的环形谐振器46来较佳地实现。谐振器46各自位于其谐振腔20中，如图1和2所示。每个谐振器在其各自的谐振腔内单独可调。如本专业内的技术人员所知，通过选择谐振器的取向，可以调节在其腔内每个谐振器46和电磁信号之间的耦合度和耦合型式。每个谐振器46用电介质安装机构(图2中的48所示)固定于底壁18。通过穿过壁18中所限定的孔(未示出)延伸的常规紧固件(未示出)如螺栓等将安装机构48固定于底壁18，。例示的安装机构的进一步细节可在美国专利申请第08/556,371号中找到，这里全部引入作为参考。另一适用的电介质安装机构在美国专利申请第08/869,399号中有说明和图示，这里也全部引入作为参考。
为单独地调谐腔体，每个腔体设置有调谐盘52(图2)。调谐盘52是调谐谐振腔20的主要机构。如从图2中最容易看到，每个调谐盘52伸入有关谐振腔20，接近谐振器46中的间隙54(图2看得最清楚)。较佳地，每个调谐盘52耦合到穿过顶壁16中所限定的通孔58(图1)延伸的螺栓组件56(图2)。这样一种调谐开口环谐振器的机构是本专业内人士所熟知的，不再在此描述。但是，其进一步细节可在美国专利申请第08/556,371号中找到，此处全部引入作为参考。
为了有助于各对谐振腔20之间的电磁信号的传输，置于RF滤波器20的邻接耦合谐振器22之间的内壁32限定了耦合孔60。各耦合孔60的大小和形状可以大不相同，这是本专业人士所知晓的。例如如图2所示，耦合孔60一般为矩形形状。与之对照，其他邻接谐振腔22由较大的和/或不同形状的孔(如T形孔)耦合在一起。
为了进一步调谐RF滤波器20并由此建立器件的特定响应曲线，传统上邻接谐振腔22之间的耦合调节还可以通过置入顶壁28中的孔(未图示)中的耦合螺栓(未图示)来实现。这些孔较佳地如此定位，从而使每个耦合螺栓伸入各个耦合孔60之中。
RF滤波器20的壳体24最好由镀银的铝制成，但也可用各种低电阻率的材料来做。
按照本发明的一个方面，至少一个但非全部的谐振器46由掺杂8-15％的银的高温超导(HTSC)材料制成。这种高级别的银掺杂(常规的级别在1-2％的数量级上)使得在高于超导阀值的温度上使HTSC材料保持合适的导电级别(即在正常环境温度下具有合适的高的Q因子)。
滤波器10中的至少一个谐振器46不由HTSC材料做成。取而代之，这些滤波器是用常规导电材料(诸如铜)做成的。因此，在较高的环境温度(诸如室温等)下，铜谐振器是表现出常规的导电级别。
更具体地，在图3所示的较佳实施例中，提供一四极点滤波器100，它包括四个谐振腔20和四个谐振器46(见图1)。在所揭示的实施例中，输入和输出腔36、38中的谐振器46由不具备高温超导特性的铜环来实现。其余两个谐振器46也是环形的。但是，后两个谐振器46是由掺杂了约10％的银的HTSC材料制成的。结果，当滤波器100被冷却到低于超导阀值温度(一般约77K)时，超导环46表现出其超导特性，因而滤波器100将获得与HTSC滤波器有关的增强的滤波性能。如果冷却系统失效(例如电源故障)，则滤波器100将在一段停工时间内(通常为几小时的数量级)继续工作与增强的滤波级别，直到滤波器100热到超导阈值以上为止。一旦滤波器100发生这种升温，HTSC谐振器46的高银掺杂将保证HTSC谐振器46仍在常规级别上(即非超导级别上)运作。由于HTSC谐振器46的这种特性的结果以及存在常规(非HTSC)滤波器46的结果，滤波器100自动地切换到常规的滤波工作模式，其中滤波器100进行信号滤波，就像常规(即非超导)滤波器那样。在回到超冷却状态后(例如冷却系统的电源恢复后)，滤波器100自动地切换到它的超高性能模式，那时它以HTSC滤波器的增强级进行滤波。按本发明构造的滤波器呈现非常低的插入损耗。例如，图3所示的四极点滤波器100在室温下的插入损耗为2-5dB，在77K温度下的插入损耗为0.2dB。
如本专业内人员所知晓的，双工作模式滤波器10、100在工作模式之间的自动切换能力使得滤波器100能在全温度上运作，由此消除了与现有HTSC滤波器有关的RF旁路电路和/或温控电路的需要。这种电路的消除带来了滤波器100的尺寸和成本。因而，滤波器100比常规HTSC滤波器的更便宜、更可靠和更小型。
制造HTSC谐振器46的工艺在1998年8月4日发布的美国专利第5,789,347号中有所揭示，在此全部引入作参考。然而，′347号专利揭示了在HTSC材料中使用2％重量百分数的银粉。本发明的滤波器中所用的HTSC谐振器46可按照′347专利揭示的工艺，使用提高到8-15％重量百分数的银掺杂级别来制造。尽管相信8-15％范围内的银掺杂是可以接受的，但目前约10％级别的掺杂是较佳的。此外，尽管上述的HTSC谐振器可由重掺杂银的HTSC材料制成，但本专业内人员将理解采用其他方法也不偏离本发明的范围或精神。例如，可用被按照上述指定范围的重掺杂银的HTSC材料所涂敷的不锈钢环来制成HTSC谐振器46，而不偏离本发明的主旨。
本专业内的人士容易理解，尽管较佳实施例中使用高掺杂银来提高其HTSC谐振器46的环境温度导电性，但可用其他导电的掺杂材料来完成此任务而不偏离本发明的范围或精神。业内一般人士还将理解，虽然这里揭示的滤波器是具有六个或更少极点的低阶滤波器，但可按照本发明的主旨构成有其他极点数目的滤波器。但是，四至六极点的滤波器较佳。
图1和图3所示的滤波器10、100是带通滤波器(使预定范围的频率通过并阻塞高于和低于此范围的频率的信号)。但业内一般人士将理解本发明的主旨不限于此种滤波器。例如可根据本发明的主旨构成陷波滤波器(即设计成阻塞预定范围中的频率的滤波器)。这种滤波器与上述带通滤波器10、100不同，它使用其HTSC材料不掺杂的HTSC谐振器46(以在室温下完全去耦合)。与上述带通滤波器10、100一样，陷波滤波器在温度处于或低于超导阈值时它以增强级别HTSC滤波器状态进行滤波。但当陷波滤波器升温到高于阈值时它起到预定范围内的通过滤波器的作用(即在预定范围内停止阻塞信号)。结果，如与陷波滤波器有关的冷却系统失效，则陷波滤波器将允许预定范围内的频率信号通过而不加阻塞，因而不阻止在用的电信设备(如基站)的工作。陷波滤波器达到这种结果是因为在环境温度下陷波范围偏移到不同的范围。因而较之在超导温度下，在环境温度下它将阻塞不同的频率范围。滤波器设计人员应考虑这种偏移以保证在环境温度下不阻塞所需要的信号。
在美国未决专利申请第08/556,371号中揭示一个示例性的陷波滤波器，这里全部引入作为参考。本文中所述的陷波滤波器和′371公报中的陷波滤波器一样地构成，但有上述的谐振器修改(且最好限于六或更少的极点)。因而，对HTSC陷波滤波器的实施细节的详细讨论，有兴趣的读者可参考‘371公报。
为增强双工作模式滤波器10、100的滤波性能，可将双工作模式滤波器(带通或陷波式)10、100与1个或多个常规滤波器50相级联，如图4所示。通过使用级联滤波器50，有可能在只使用低极点滤波器时获得典型的高阶滤波器的高性能滤波。在美国专利申请申请第09/130,274号(1998年8月6日提交)中提供了级联滤波器优点的详细讨论，这里全部引入作为参考。
如图4所示，常规滤波器50最好通过低噪放大器52或隔离器54连接到双工作模式滤波器10、100。当在常规滤波器50的滤波前需要放大由双工作模式滤波器10、100输出的经滤波的信号的应用中要使用低噪声放大器52。当要求滤波器10、100和50之间低损耗传输但不希望常规滤波器50的工作影响双工作模式滤波器10、100的工作的应用中要使用隔离器54。用双工作模式的4极点带通滤波器100、隔离器54、常规高抑制滤波器50实施的级联滤波器的插入损耗比上述引用的统计数字来得高，但经过调谐同时获得大于20dB/1MHz的抑制。
业内的一般人士将理解，射频谱分成A、B、A′和B′波段。B波段分离A和A′波段。A′波段分离B和B′波段。这些人士还知晓，通常希望在A和A′波段广播而不在B波段广播，和/或在B和B′波段广播而不在A′波段广播。现有系统通过采用两个带通滤波器并联并多路复用该并联滤波器的输出来解决这一问题。
用带通滤波器(常规或双工作模式)与陷波滤波器(常规或双工作模式)相级联，可获得同样结果而不需要多路复用。例如，设计带通滤波器使A、B和A′波段的信号通过且陷波滤波器阻塞B波段的信号，则可获得A、A′波段滤波器。或者，设计带通滤波器使B、A′和B′波段的信号通过且设计陷波滤波器阻塞A′波段信号，则获得B、B′波段滤波器。
尽管已说明了本发明的主旨的某些例示，但本发明涵盖的范围不限于此。相反，本专利涵盖落入所附权利要求范围内，不论文字上的或该学说的等效物的本发明的主旨的所有例示。

Claims (10)

1.一种滤波器，其特征在于，包括：
限定至少两个腔体、一个输入端口和一个输出端口的壳体；
置于所述第一腔体中的第一非超导谐振器；和
置于所述第二腔体中的第一超导谐振器。
2.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于所述超导谐振器包括含有8-15％重量百分数的银的超导材料。
3.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于进一步包括置于第三腔体中的第二超导谐振器和置于第四腔体中的第二非超导谐振器。
4.如权利要求3所述的滤波器，其特征在于所述第一腔体限定输入腔体以及所述第四腔体限定输出腔体。
5.组合，
在低于阈值温度的温度上提供第一级滤波和在高于阈值温度的温度上提供第二级滤波的双工作模式滤波器，第一级别高于第二级别；和
与所述双工作模式滤波器级联的传统滤波器。
6.如权利要求5所述的组合，其特征在于进一步包括耦合于所述双工作模式滤波器和所述传统滤波器之间的低噪声放大器。
7.如权利要求5所述的组合，其特征在于进一步包括耦合于所述双工作模式滤波器和所述传统滤波器之间的隔离体。
8.如权利要求5所述的组合，其特征在于所述双工作模式滤波器包括带通滤波器。
9.如权利要求8所述的组合，其特征在于所述双工作模式滤波器使A、B和A′波段中的信号通过，所述传统滤波器包括阻塞B波段中的信号的陷波滤波器。
10.如权利要求5所述的组合，其特征在于包括由二极点滤波器、三极点滤波器、四极点滤波器、五极点滤波器和六极点滤波器组成的组中的一个。
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