CN1666379A - 滤波器组件 - Google Patents

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Abstract

一种具有平面(48)或空腔(30)的几何形状且其上施加温度超导(HTS)材料涂层(38、39、50、53)的滤波器元件(28)，其特征在于所述滤波元件(28)或者所述HTS材料层具有多孔结构(49A)，或与多个冷却通道(29、40、42、55)相连，用于在所述滤波元件(28)连接到冷却回路时为制冷剂提供通道。本发明还包括冷却回路，该回路具有连接到置于真空室(20)中的热交换组件(19)的压缩机(18)，其中该热交换组件(19)包括流入线(22)，与流入线(22)相连的第一热交换单元(21)，与滤波器(28)相连的螺旋阀(23)，与滤波器(28)相连的第二热交换单元(25)和回到压缩机(18)的返回线(26)。

Description

滤波器组件
技术领域
本发明涉及一种用于低温环境的滤波器组件，更具体地说，这种滤波器组件可以工作在大于或等于77K(开氏温度)的环境温度下。在无线通信中，这种滤波器组件可以作为射频(RF)或微波的滤波器组件使用。
背景技术
在第6,212,404号美国专利中，描述了一种低温滤波器组件。该引用文件主要涉及一种无线通信系统，该系统包含一种塔，该塔具有一根或多根连接到模块上的天线，而这种模块则包含带通波导空腔滤波器和低噪声放大器，且通过一根或多根同轴电缆连接到接收电路系统上。空腔滤波器连接到包含热交换单元和冷却产生单元的低温冷却装置上。在第6,212,404号美国专利中也阐述了传统的农用天线反向组件(retro-fitting)，该组件包含一种塔，该塔具有一根或多根连接到RX滤波器和低噪声放大器以及TX滤波器上的天线，其中低温冷却装置也适用于RX滤波器和/或低噪声放大器。低温冷却组件的使用是基于无线通信系统敏感度的显著增加和噪声因数的显著降低。在第6,212,404号美国专利中所描述的低温冷却系统包括连接到热交换单元的压缩机，气态制冷剂在热交换单元和压缩机之间连续循环流动。这样，冷却且被压缩的流体通过高压管线进入热交换单元，而热的膨胀的流体则通过低压管线从热交换单元返回压缩机。热交换单元置于真空容器中，同时波导空腔滤波器也位于其中，并且滤波器直接与冷却的指状热交换单元直接接触。这样，在这种配置的情况下，波导空腔滤波器与低温冷却装置的冷却头直接接触，通常会具有冷却电路的过分复杂缺点，从而会出现令人担心的操作效率的下降。
然而需要指出的是，与第5,936,490号美国专利一样，在第6,212,404号美国专利中仅仅描述了一种波导空腔滤波器，却没描述这种滤波器所使用的高温超导(HTS)材料。在构造大的空载Q因数的共振器方面，这种HTS材料很具优势。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种能够降低前述缺点的微波滤波器组件。
微波滤波器组件包括滤波元件，该元件具有平面或空腔的几何形状且被涂覆一层高温超导(HTS)材料，其特征在于所述滤波元件或者所述HTS材料层具有多孔结构，或与多个冷却通道相连，用于在所述滤波元件连接到冷却回路时为制冷剂提供通道。
这种滤波元件可能具有平面的几何形状，因此可较佳地包含一个或多个平板或层的电介质衬底。这种平板或层可以有0.3毫米到2.0毫米厚。适宜的是，HTS材料涂层可以任何合适的样式施加其上，因此可以是条状或带状形式的传输线，这种传输线可以用于电介质平板或层的一个宽阔表面，如有必要也可置于电介质平板的另一侧宽阔表面。
这种作为导体或有源元件的HTS材料可以施加到电介质衬底以形成具有带状线、微带状线或槽状线特征的传输线，这种传输线在“微波集成电路带状传输线”(作者Bhat和Koul，1989年由Wiley EasternLimited发行，在此引用作为参考)一文中有表述。因此，有关以带状线、微带状线和槽状线不同命名的悬浮带状线，悬浮微带状线，反向微带状共面波导以及共面带在此出版物中也有述及。正如在此出版物中描述的那样，连续的HTS材料层可以一个或多个水平面的形式施加到的电介质衬底。
通常认为HTS材料可以施加到电介质衬底以形成任何合适形状的共振结构，这些形状例如由传输线连接的圆、矩形、多边形等等。
在此项发明中，滤波元件也可以具有一个空腔几何形状，这样，它也可以包含一种像在第6,212,404号美国专利中描述的波导空腔滤波器。合适类型的波导空腔滤波器在第5,936,490号美国专利也有述及。通常，一个空腔滤波器包含一个像空管或波导一样的大的中空体，此中空体具有最小厚度的壁，厚度约为0.01到5.0毫米。空腔类滤波器的电介质媒介或绝缘体是空气。中空体可以具有一个或更多的具有形成共振结构的孔或通道的部分。作为选择，电介质共振器形式的共振结构可以同轴地形成在管内，它可以是任何一种合适的截面形状。或者，可以从大的固体块形成空腔类型滤波器，大的固体块具有通过机械加工或在大的固体块外钻孔形成的通道或孔。按照本发明，由HTS材料所形成的传导层也施加到空腔滤波器的中空内腔。
像上面所描述的那样，作为沉积HTS材料的衬底，可以是任何可应用HTS材料的合适材料，诸如MgO、Al2O3、LaAlO3、LaSrAlO4、Si、(La Sr)(Al Ta)O3、Y锆石、YBa2 NbO6、NdBa2NbO6、Ba ZrO3、GdBa2HfO5.5、(Pr，Sm，Gd)Ba2SbO6、YBa2SnO5.5、PrBa2NbO6、SmBa2NbO6和EuBa2NbO6。然而，钇稳定氧化锆(YSZ)在上面提及的衬底应用中是首选的。MgO、LaAlO3、Al2O3、La SrAlO4、Si和(La Sr)(Al Ta)O3更适合于薄膜沉积，而上面提及的衬底材料中剩下的则更适合于厚膜沉积。薄膜通常厚为0.5至2微米，而厚膜通常厚为10到100微米。
可以从YBa2Cu3Ox(YBCO)Tl2Ba2Ca2Cu3Ox(TBCCO 2223)、Tl2Ba2Ca1Cu2Ox(TBCCO 2212)和Biz(Pb)Sr2Ca2Cu3Ox(BSCCO 223)等化合物中选取HTS材料。所有这些物质中，YBCO已经广泛的应用。这些材料适合于厚膜沉积，同时由于它们价格低，能够施加在弯曲表面上以及适合于在大的、平的多晶衬底上制造，有时也用于薄膜沉积。
正如1999年在法国Millau的微波超导NATO高级研究学会(NATOAdvanced Study Institute on Microwave Superconductivity)学报中由Weinstock和Nisenoff编写的“微波超导”一文所阐述的那样，上面提及的合适的衬底HTS薄膜层的制造方法可以包括蒸发、激光烧蚀、有机金属化学气相沉积(MOVCD)溅射和液相外延。该出版物由KluwerAcademic Publishers Dordrecht于2001年在荷兰出版发行。作为参考在此引用此出版物。通常，蒸发涉及在氧气存在的条件下把HTS材料蒸发到热的衬底上。通常情况是将衬底安在一个旋转的台上，让它交替地进入HTS材料已蒸发且的区域然后进入高压氧的区域。在这两个区域，维持较大的压力差。
脉冲的激光烧蚀过程包括使用脉冲的紫外激光通过含有氧气的室，形成与热的衬底接触的可见的羽烟，通常此衬底关于羽烟旋转。
在MOVCD过程中，金属阳离子以挥发的有机化合物的形式传输，其分解以将HTS材料沉积到随后被氧化的热的衬底上。
溅射包括使用由直流或射频放电产生等离子体，其中等离子体中的离子打击理论配比的(stoichiometric)陶瓷靶，打出的原子溅射并沉积到热的衬底上。放电过程通常由磁场来确保和维持。
液相外延包括一种工艺，其中将衬底插入理论配比的(stoichiometric)融熔的环境中，像单晶的生长一样，外延生长需要较小的温度变化和一定的倾斜度。薄膜的生长须要较低的氧含量并且必须通过退火进行氧化。
为了与发明的首选的情况一致，在其上施加HTS材料的衬底中必须形成直径20微米到5毫米的毛细通道。作为选择，纳米毛细管在下文中也有提到。这样，当平面滤波器的衬底以电介质平板的形式存在时，可以使用纳米毛细管。或者如上面所提及的那样，当衬底是形成空腔的管或块时，可以使用滤波器毛细管。在任何一种条件下，制冷剂连续流经与HTS层或条接触的毛细通道，该通道形成了滤波器的活性层或功能部分。作为选择，衬底可能是可渗透的材料且制冷剂流过可渗透的材料的空隙。
作为选择，蛇形管子结构可以由直径在20微米到5毫米之间的铜管或其它的合适传导材料构成，在应用前面讨论的任一涂覆技术的HTS材料之前，使用合适的粘合剂可以把这种管子结构粘合到邻近的衬底层上。
附图说明
图1示出通信可以使用本发明滤波器的无线通信系统的示意图；
图2示出可用于本发明滤波器的特定的频率范围示意图；
图3示出使用了微波滤波器的传统冷却回路的示意图；
图4示出本发明的冷却回路示意图；
图5示出本发明的空腔类型滤波器的透视图；
图5A示出沿图5中A-A线的剖面图；
图6示出图5中具有HTS材料涂层的空腔类型滤波器的透视图；
图6A示出沿图6中A-A线的剖面图；
图7示出了在HTS材料层中形成毛细通道的蛇形排列的方法；
图8示出了连接到末端歧管(manifolds)的毛细管的排列；
图9示出本发明的平面型滤波器；
图10示出本发明的平面型滤波器的另一实施例；
图11是图10所示平面滤波器的中空体的部分；
图12至13示出的是图4中为压缩机提供冷却管的本发明的另一
实施例；
图14至15示出的是图4中为热交换单元提供冷却管的本发明另一实施例。
具体实施方式
图1描述了无线通信系统10的一个实例，无线通信系统10包括天线12，滤波器13和13A，以及连接到电子电路14的接收线(RX)和传输线(TX)。滤波器13和13A依照本发明构造并广泛用于系统10中，用以区别需要的和不需要的信号频率。滤波器是双端口网络，通过允许滤波器的通带传输和阻带衰减用于控制射频或微波系统频率响应。普通滤波器响应包括低通、高通，带通和带阻或带抑制。
依照本发明所构造滤波器的目的是增强滤波器的性能，以便能够有效地利用防护频带或干涉频带15内的频率，如图2所示这一频带目前是不能用于GSM(移动通信特别小组)16和CDMA(码分多址)17之间的。相关的频率以例子的形式在图2中也有表述。
图3表述了一种现有技术的冷却回路，其中压缩机18与热交换组件19的冷却头相连，组件19置于真空室里或真空瓶20里。压缩机18更适宜采用包含一对常规活塞的线性压缩机的形式，这对活塞由线性马达驱动以压缩进入压缩机的制冷剂。热交换组件包括与流入线或向前线22相通的热交换单元21，节流阀23，膨胀室24，热交换单元25，返回线26和指状冷却器27组成。热交换单元21和25也可称为“指状冷却器”，且都具有液体膨胀的膨胀空间和压缩液体的压缩空间。如图所示的指状冷却器27与平面或空腔型的微波滤波器28直接接触，或者冷却头19和滤波器28分隔开。不同的示意布局见第6,212,404号美国专利。正如在第6,212,404号美国专利中所描述的那样，以惰性气态形式存在的制冷剂，诸如氮气、氩气、氪气或氦气通过管线22和26在如图3所示回路中循环，这增强了滤波器28的工作效率。
在图4中，类似的冷却回路却有例外：液体直接流经滤波器28，而不像图3所示的流经滤波器28旁边。在图4中，在滤波器28的范围内利用箭头充分描述了这一情况。
图5描述了具有中空结构的空腔滤波器30或块31，这一滤波器装配具有输入口33和输出口34的中空的腔体32。在此也描述了以柱形角35形式存在的共振结构，它形成了电介质共振器。同时图5也描述了通过扣件(未描述)连接到块31的盖或帽36，此扣件与连接孔37紧密配合。为了方便在图5中忽略了HTS材料层，但在图6中有描述。图5A是沿A-A方向的剖面图，在此用矩形来说明。图5A也描述了内部管道29，其对应于上面所述的毛细管道，这些毛细管道可以通过对中空体31进行机械加工、钻孔或其它操作加工而形成。
按照本发明，图6也描述了以涂覆或层38的形式施加在体31的HTS材料。HTS材料也可以涂覆或层39形式施加到盖36的下侧面。层38和39同样具有大量的中空的管道，这些管道的存在形式如图6A中沿B-B方向的剖面图所示。还提供了HTS材料构成的周围层41。
图7描述了一种通过应用毛细管42在层38和39中形成毛细通道40的方法，毛细管42可粘在如图9和图10中所描述的滤波器30或平面滤波器48的表面43上。例如，可以用环氧基树脂将毛细管42粘在43的表面上。毛细管42也可以纳米管形式存在，纳米管以氮化硼或碳形式存在。这些纳米管厚度为10至20纳米，直径大约1.4纳米，这在杂志美国科学家(第85期，324-337页，1997年)中题为“FullereneNanotubes：C1,000,000 and Beyond”(由Yakobson和Smalley著)的文章中有阐述，作为参考在此引用。在物理学消息(第531期，2001年3月22日)中，Schewe，Stein和Riordan报导了直径为0.9至2.8纳米的碳的纳米管。在美国专利6,190,634；6,083,624；5,997,832；5,985,446；5,951,832；5,919,429；5,716,708和5,627,140中也描述了可用于目前发明的纳米管结构的生产过程。
图8描述了一种包含歧管44、45和进口46、出口47以及它们排列情况的毛细管42结构，该结构与43的表面粘接。在空腔滤波器30情形中，毛细管42可以修改成具有符合中空内腔32的形状，这也就符合了连续内表面32A的形状。这样，在图5中，表面43的形状与内表面32A相符合。
图9到图10描述了一种平面型滤波器48，它包括以平板49形式存在的电介质衬底，平板49具有与传输线51相连的共振结构50，这些传输线51由施加到宽阔表面52上的一层HTS材料形成。还显示了HTS材料的底层53，形成了滤波器48的地平面。按照本发明，在层53中提供了大量的毛细通道54，如图10所示，它们与歧管60和61相连。作为选择或附加情况，平板49也具有纳米管通道55(在投影图所示)，它们也与歧管相连(没有显示)。
如图10到11所示在另一个实施例中，平板49A是由合适的可渗透的材料如陶瓷材料构成的。气态冷却剂61进入歧管的进口56，在平板49的可渗透材料中扩散后才流出歧管60的出口57，这一过程在图11中有很好的描述。
在图12中描述了压缩机18，它可以是任何一种类型但最好是本领域所熟知的线性电动压缩机，如图12所示，这种压缩机具有圆柱状的外形并且具有包在压缩机的侧壁18A上的铜皮19A的圆柱外套。
在此还描述了由铜构成的冷却管18C，它们每一个都连到独立的较小的冷却管18D，18E，18F和18G上，这些冷却管又连接到分开或独立的螺旋阀S1，S2，S3和S4。管18D与管18E平行，同时管18F平行于18G。
图14到15显示了另一个实施例，其中与图12到13类似的冷却管包围热交换单元25，在此冷却管18C包围热交换单元25，热交换单元25也是具有连续侧壁25A的圆柱形式。管子18C又形成了包围侧壁25A的一部分铜板19A。在此图中还显示了较小的冷却管18I和18H，这们每一个分别与分开或独立的螺旋阀S5和S6相连。
在图12至13和图14至15所描述的每一个冷却管18C安置的目的是分别精确控制热量，热交换单元和冷却头25能处理不同条件下的运行状态和不同微波滤波器的状态。所选择的冷却液体是二氧化碳或上面所提到的其它的惰性气体，这些气体传送进冷却管18C，其在通道中的活动则由图12至14中的螺旋阀S1至S4和图14至15中的螺旋阀S5至S6控制。螺旋阀的控制信号则由闭环控制系统提供(没有显示)，该系统测量冷却头25的温度，压缩机18外表面的温度以及室温。然后控制系统确定将要传送到冷却管18A的冷却气的频率和数量，这样可以保持冷却头所需要的温度进而保证微波滤波器28的温度。在这点上，微波滤波器28的HTS材料的温度必须精确控制，以确保设计和制造过程中操作频率。
在本发明的另一方面，本提供了一种与本发明滤波器一体化的冷却回路，以及具有由HTS材料组成的内层的空腔滤波器。
值得注意的是，在HTS材料上包覆1到10微米厚的薄金层，更适宜的是包覆5微米的薄金层，可以使HTS材料免遭外界环境诸潮汽和水汽玷污。随着时间的过去，这可以保护和保持HTS的性能，进而保护和维持滤波器的性能。

Claims (27)

1.一种具有平面或空腔的几何形状且被涂覆一层温度超导(HTS)材料的滤波器元件，其特征在于所述滤波元件或者所述HTS材料层具有多孔结构，或与多个冷却通道相连，用于在所述滤波元件连接到冷却回路时为制冷剂提供通道。
2.如权利要求1所述的滤波器元件具有平面的几何形状，该结构具有一个或多个平板或层的电介质衬底，衬底厚度为0.3至2.0毫米，其中HTS材料涂层以条状或带状形式的传输线方式施加在平板或层的一个宽阔表面上。
3.如权利要求2所述的滤波器元件，其中在电介质衬底上施加带状或条状，以形成具有带状线、微带状线或槽状线特征的传输线。
4.如权利要求3所述的滤波器元件，其中包括悬浮带状线，悬浮微带状线，反向微带状共面波导以及共面带的各种带状线、微带状线和槽状线被施加到电介质衬底。
5.如权利要求2至4中任一所述的滤波器元件，其中HTS材料施加到电介质衬底上以形成由传输线互连的共振结构。
6.如权利要求5所述的滤波器元件，其中共振结构是圆形、矩形或多边形。
7.如权利要求1所述的滤波器元件具有空腔几何形状，其包括波导空腔滤波器。
8.如权利要求7所述的滤波器元件，其中空腔滤波器包含具有中空内部的体和最小厚度为0.01到5.0毫米的壁。
9.如权利要求8所述的滤波器元件，其中中空体具有一个或多个具有形成共振结构的孔或通道的部分。
10.如权利要求8所述的滤波器元件，其中中空体是管，其具有同轴地形成在管内的电介质共振器。
11.如权利要求8所述的滤波器元件，其中空腔类型滤波器由固体块形成，固体块具有通过机械加工或在固体块外钻孔形成的通道或孔。
12.如权利要求7至11中任一所述的滤波器元件，其中HTS材料的传导层被施加在空腔滤波器的中空内腔上。
13.如任一前述权利要求所述的滤波器元件，其中HTS材料由YSZ、YBCO、TBCCO 2223、TBCCO 2212和BSCCO 223形成。
14.如权利要求13所述的滤波器元件，其中HTS材料由YBCO形成。
15.如任一前述权利要求所述的滤波器元件，其中在滤波器元件的体内形成层具有直径为20微米到5毫米的冷却通道或者纳米管毛细通道。
16.如权利要求15所述的滤波器元件，其中滤波器体包括具有平面几何结构的滤波器的电介质平板。
17.如权利要求15所述的滤波器元件，其中滤波器体是管，或者是具有冷却通道或者纳米管毛细通道的块。
18.如权利要求15、16或17所述的滤波器元件，其中滤波器体由具有内间隙的可浸透材料形成，冷却剂流过可浸透材料的内间隙。
19.如权利要求1所述的滤波器元件，其中以蛇形管的形式形成冷却通道，蛇形管是由施加到滤波器元件体上的直径20微米到5毫米的铜或其它合适的传导材料构成。
20.如权利要求1所述的滤波器，其中冷却通道形成在HTS涂层中。
21.如权利要求20所述的滤波器，其中滤波器冷却通道直径为20微米到5毫米，或者冷却通道由纳米管毛细通道形成。
22.如权利要求1所述的滤波器，其中滤波器基本上以参考附图所述的一样。
23.一种与任一前述权利要求所述的滤波器结合的冷却回路。
24.如权利要求23所述的冷却回路，具有连接到位于真空室中的热交换组件的压缩机，其中热交换组件包括流入线、与流入线相连的第一热交换单元、与滤波器相连的螺旋阀、与滤波器相连的第二热交换单元以及回到压缩机的返回线。
25.如权利要求24所述的冷却回路，其中冷却通道粘接在压缩机的侧壁上。
26.如权利要求24或25所述的冷却回路，其中冷却通道粘接在第二热交换单元的侧壁上。
27.一种具有施加到空腔类型滤波器的中空内腔的HTS材料传导层的空腔类型滤波器。
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