專利名稱：使用超導(dǎo)諧振器的雙工作模式濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及濾波器，更具體地說涉及用超導(dǎo)諧振器的雙工作模式全溫度濾波器。
背景技術(shù)：
射頻(RF)濾波器與蜂窩式基站和其他電信設(shè)備一起使用已有時日。這些濾波器一般用于濾除噪聲和其他不想要的信號。例如，帶通濾波器通常用來濾除或阻斷除一個或多個預(yù)定頻帶以外的射頻信號。又例如陷波濾波器一般用來阻斷預(yù)定的射頻頻帶中的信號。
超導(dǎo)技術(shù)的新近進展已導(dǎo)致一種新型RF濾波器，即高溫超導(dǎo)(HTSC)濾波器。HTSC濾波器含有處于77K的液氮溫度或高于該溫度的超導(dǎo)體的元件。與傳統(tǒng)的濾波器相比，這種濾波器極大地提高了靈敏度(選擇信號的能力)和選擇性(從不需要的噪聲和其他話務(wù)量中區(qū)分出所需信號的能力)的性能。然而，由于已知的高溫超導(dǎo)(HTSC)材料只在相對低溫(例如90K左右或更低)下具有超導(dǎo)性，而在環(huán)境溫度下它是相對差的導(dǎo)體，這種超導(dǎo)濾波器要求輔助的冷卻系統(tǒng)以保證在使用中把濾波器保持在適當(dāng)溫度上。結(jié)果，傳統(tǒng)的超導(dǎo)濾波器受到電源可靠性的牽制。具體地說，如在一段時間內(nèi)電源(例商用電源分布系統(tǒng))有故障(例如斷電或電壓下降)，則冷卻系統(tǒng)將同樣有問題，于是當(dāng)相應(yīng)的超導(dǎo)濾波器升溫而喪失超導(dǎo)性時，濾波器也將失效。
為防止這種濾波器提供的系統(tǒng)在電源中斷期間的失效，在恢復(fù)適當(dāng)?shù)睦鋮s環(huán)境之前經(jīng)常需要RF旁路電路形式的附加電路來切換失效的濾波器。這種旁路電路增加了已知系統(tǒng)的花費和復(fù)雜性。
發(fā)明概述按照本發(fā)明的一個方面提供了一種濾波器。所述濾波器包含一個限定至少兩個腔體、一個輸入端口和一個輸出端口的殼體。它還包括置于第一腔體中的第一非超導(dǎo)諧振器；以及置于第二腔體中的第一超導(dǎo)諧振器。
較好的是超導(dǎo)諧振器包括含有8-15％重量百分?jǐn)?shù)的銀的超導(dǎo)材料。
在一些實施例中，濾波器還設(shè)有置于第三腔體中的第二超導(dǎo)諧振器和置于第四腔體中的第二非超導(dǎo)諧振器。在這些實施例中，可任選地限定第一腔體為輸入腔體，可任選地限定第四腔體為輸出腔體。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了包括一個雙工作模式濾波器和與該雙工作模式濾波器級聯(lián)的傳統(tǒng)濾波器的組合。雙工作模式濾波器在低于閾值溫度的溫度上提供第一級(level)濾波和在高于閾值溫度的溫度上提供第二級濾波。第一級高于第二級。
在一些實施例中，低噪聲放大器耦合于雙工作模式濾波器和傳統(tǒng)濾波器之間。在另一些實施例中，隔離器耦合于雙工作模式濾波器和傳統(tǒng)濾波器之間。
在一些實施例中，雙工作模式濾波器包含一帶通濾波器。
其他的特征和優(yōu)點包含在所要求的和所揭示的設(shè)備中，或通過以下詳細說明及其附圖將對本專業(yè)內(nèi)熟練人士將變得明顯起來。
附圖簡述

圖1是按本發(fā)明的主旨構(gòu)成的雙式作模式全溫度濾波器的示意圖。
圖2為圖1的濾波器的截面圖。
圖3是按本發(fā)明的主旨構(gòu)成的第二雙工作模式全溫度濾波器的示意圖。
圖4是采用雙工作模式濾波器的電路的示意圖。
較佳實施例的說明圖1示出按本發(fā)明的主旨構(gòu)成的雙工作模式全溫度濾波器10。如下所述，濾波器10在其溫度保持在低于閾值溫度的溫度時提供第一級濾波，在其溫度超過閾值時提供小于第一級的第二級濾波。更具體地說，當(dāng)保持在冷卻的環(huán)境中時，濾波器10產(chǎn)生HTSC濾波器所期望的增強級(高抑制(rejection)且低插入損耗)濾波，但當(dāng)暴露于非冷卻環(huán)境(例如由致冷系統(tǒng)失效而致)時，濾波器10提供傳統(tǒng)(非HTSC)RF濾波器所期望的級別(高抑制而有某種插入損耗)的濾波。因此，所揭示的濾波器10與傳統(tǒng)濾波器相比，提高了性能，與現(xiàn)有HTSC濾波器相比，提高了可靠性。具體地說，在多數(shù)情況下它提供了增強的濾波級別并保證在諸如電源中斷的不利環(huán)境中保持可接受的濾波等級。
雖然所揭示的濾波器10特別適用于無線電信系統(tǒng)，并且這里將在這一意義上進行討論，但本專業(yè)內(nèi)一般技術(shù)人員將容易理解本發(fā)明的主旨決不限于這種使用環(huán)境。相反，按本發(fā)明主旨構(gòu)成的濾波器可在從它提供的高性能濾波和提高的可靠性中獲益的任何應(yīng)用中使用，而不偏離本發(fā)明的范圍和精神。
為限定容納、引導(dǎo)電源信號并對其進行濾波的腔室，濾波器10設(shè)有一殼體12。如圖1所示，殼體12包含一對端壁14、頂壁16、底壁18以及通過常規(guī)緊固件如螺栓等固定到端壁14、頂壁16和/或底壁18上的一對側(cè)板(未示出)。
為將殼體腔室分成多個諧振腔20，殼體12進而設(shè)置有內(nèi)間隔壁22和多個內(nèi)壁24。如圖1所示，內(nèi)間隔壁22和內(nèi)壁24共同限定兩排平行的諧振腔20。為耦合這兩排諧振腔20，內(nèi)間隔壁22限定耦合孔28。
為將電磁信號輸入到殼體12并從殼體12重新得到經(jīng)濾波的信號，殼體12的端壁14分別限定輸入孔30和輸出孔32。如圖1所示，輸入和輸出孔30、32被限定在與耦合孔28相對的殼體12的一端上。因而，經(jīng)輸入孔30送到濾波器10的電磁信號將沿第一排諧振腔20行進，穿過耦合孔28，順著第二排傳回，從輸出端口30輸出。
內(nèi)間隔壁22的厚度選擇最好與將電磁信號傳送到該濾波器10所用的耦合機構(gòu)的要求相適應(yīng)。與限定輸入和輸出孔30、32的端壁相鄰的兩個諧振腔20形成輸入腔36和輸出腔38，此輸入和輸出腔36、38接納至少一部分常規(guī)輸入耦合機構(gòu)和常規(guī)輸出耦合機構(gòu)(未示出)。在所揭示的實施例中，輸入和輸出腔36、38由內(nèi)間隔壁22的加厚部分42所隔開。該加厚部分42近似為內(nèi)間隔壁22其余部分厚度的兩倍。如本專業(yè)的一般技術(shù)人員所理解，內(nèi)間隔壁22的加厚部分42的精確尺寸將根據(jù)該濾波器所要求適應(yīng)的頻率和負(fù)載條件來選取。
如常規(guī)的那樣，輸入和輸出耦合機構(gòu)被連接到各自的RF傳輸線(未示出)，這些傳輸線將RF信號送到濾波器10，或從濾波器10送出去。一般，每一耦合機構(gòu)包含在輸入和輸出腔體36和38中用來傳播(或收集)電磁波的天線(未示出)。天線可包括簡單的導(dǎo)電回路或更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以對腔體36、38內(nèi)的導(dǎo)體元件的位置進行機械調(diào)節(jié)。這種耦合機構(gòu)的例子在美國專利5,731,269中有描述，這里全部引入其內(nèi)容作為參考。
為了調(diào)諧每個腔體20以除去被處理的RF信號中不需要的頻率或頻率范圍，每個諧振腔20設(shè)置有諧振器46。(為簡化圖示，圖1中只示出兩個諧振器46)。盡管本專業(yè)的一般技術(shù)人員容易理解可使用各種類型諧振器來完成這種作用而不偏離本發(fā)明的范圍或精神，但本較佳實施例中，諧振器46由開口環(huán)的環(huán)形諧振器46來較佳地實現(xiàn)。諧振器46各自位于其諧振腔20中，如圖1和2所示。每個諧振器在其各自的諧振腔內(nèi)單獨可調(diào)。如本專業(yè)內(nèi)的技術(shù)人員所知，通過選擇諧振器的取向，可以調(diào)節(jié)在其腔內(nèi)每個諧振器46和電磁信號之間的耦合度和耦合型式。每個諧振器46用電介質(zhì)安裝機構(gòu)(圖2中的48所示)固定于底壁18。通過穿過壁18中所限定的孔(未示出)延伸的常規(guī)緊固件(未示出)如螺栓等將安裝機構(gòu)48固定于底壁18，。例示的安裝機構(gòu)的進一步細節(jié)可在美國專利申請第08/556,371號中找到，這里全部引入作為參考。另一適用的電介質(zhì)安裝機構(gòu)在美國專利申請第08/869,399號中有說明和圖示，這里也全部引入作為參考。
為單獨地調(diào)諧腔體，每個腔體設(shè)置有調(diào)諧盤52(圖2)。調(diào)諧盤52是調(diào)諧諧振腔20的主要機構(gòu)。如從圖2中最容易看到，每個調(diào)諧盤52伸入有關(guān)諧振腔20，接近諧振器46中的間隙54(圖2看得最清楚)。較佳地，每個調(diào)諧盤52耦合到穿過頂壁16中所限定的通孔58(圖1)延伸的螺栓組件56(圖2)。這樣一種調(diào)諧開口環(huán)諧振器的機構(gòu)是本專業(yè)內(nèi)人士所熟知的，不再在此描述。但是，其進一步細節(jié)可在美國專利申請第08/556,371號中找到，此處全部引入作為參考。
為了有助于各對諧振腔20之間的電磁信號的傳輸，置于RF濾波器20的鄰接耦合諧振器22之間的內(nèi)壁32限定了耦合孔60。各耦合孔60的大小和形狀可以大不相同，這是本專業(yè)人士所知曉的。例如如圖2所示，耦合孔60一般為矩形形狀。與之對照，其他鄰接諧振腔22由較大的和/或不同形狀的孔(如T形孔)耦合在一起。
為了進一步調(diào)諧RF濾波器20并由此建立器件的特定響應(yīng)曲線，傳統(tǒng)上鄰接諧振腔22之間的耦合調(diào)節(jié)還可以通過置入頂壁28中的孔(未圖示)中的耦合螺栓(未圖示)來實現(xiàn)。這些孔較佳地如此定位，從而使每個耦合螺栓伸入各個耦合孔60之中。
RF濾波器20的殼體24最好由鍍銀的鋁制成，但也可用各種低電阻率的材料來做。
按照本發(fā)明的一個方面，至少一個但非全部的諧振器46由摻雜8-15％的銀的高溫超導(dǎo)(HTSC)材料制成。這種高級別的銀摻雜(常規(guī)的級別在1-2％的數(shù)量級上)使得在高于超導(dǎo)閥值的溫度上使HTSC材料保持合適的導(dǎo)電級別(即在正常環(huán)境溫度下具有合適的高的Q因子)。
濾波器10中的至少一個諧振器46不由HTSC材料做成。取而代之，這些濾波器是用常規(guī)導(dǎo)電材料(諸如銅)做成的。因此，在較高的環(huán)境溫度(諸如室溫等)下，銅諧振器是表現(xiàn)出常規(guī)的導(dǎo)電級別。
更具體地，在圖3所示的較佳實施例中，提供一四極點濾波器100，它包括四個諧振腔20和四個諧振器46(見圖1)。在所揭示的實施例中，輸入和輸出腔36、38中的諧振器46由不具備高溫超導(dǎo)特性的銅環(huán)來實現(xiàn)。其余兩個諧振器46也是環(huán)形的。但是，后兩個諧振器46是由摻雜了約10％的銀的HTSC材料制成的。結(jié)果，當(dāng)濾波器100被冷卻到低于超導(dǎo)閥值溫度(一般約77K)時，超導(dǎo)環(huán)46表現(xiàn)出其超導(dǎo)特性，因而濾波器100將獲得與HTSC濾波器有關(guān)的增強的濾波性能。如果冷卻系統(tǒng)失效(例如電源故障)，則濾波器100將在一段停工時間內(nèi)(通常為幾小時的數(shù)量級)繼續(xù)工作與增強的濾波級別，直到濾波器100熱到超導(dǎo)閾值以上為止。一旦濾波器100發(fā)生這種升溫，HTSC諧振器46的高銀摻雜將保證HTSC諧振器46仍在常規(guī)級別上(即非超導(dǎo)級別上)運作。由于HTSC諧振器46的這種特性的結(jié)果以及存在常規(guī)(非HTSC)濾波器46的結(jié)果，濾波器100自動地切換到常規(guī)的濾波工作模式，其中濾波器100進行信號濾波，就像常規(guī)(即非超導(dǎo))濾波器那樣。在回到超冷卻狀態(tài)后(例如冷卻系統(tǒng)的電源恢復(fù)后)，濾波器100自動地切換到它的超高性能模式，那時它以HTSC濾波器的增強級進行濾波。按本發(fā)明構(gòu)造的濾波器呈現(xiàn)非常低的插入損耗。例如，圖3所示的四極點濾波器100在室溫下的插入損耗為2-5dB，在77K溫度下的插入損耗為0.2dB。
如本專業(yè)內(nèi)人員所知曉的，雙工作模式濾波器10、100在工作模式之間的自動切換能力使得濾波器100能在全溫度上運作，由此消除了與現(xiàn)有HTSC濾波器有關(guān)的RF旁路電路和/或溫控電路的需要。這種電路的消除帶來了濾波器100的尺寸和成本。因而，濾波器100比常規(guī)HTSC濾波器的更便宜、更可靠和更小型。
制造HTSC諧振器46的工藝在1998年8月4日發(fā)布的美國專利第5,789,347號中有所揭示，在此全部引入作參考。然而，′347號專利揭示了在HTSC材料中使用2％重量百分?jǐn)?shù)的銀粉。本發(fā)明的濾波器中所用的HTSC諧振器46可按照′347專利揭示的工藝，使用提高到8-15％重量百分?jǐn)?shù)的銀摻雜級別來制造。盡管相信8-15％范圍內(nèi)的銀摻雜是可以接受的，但目前約10％級別的摻雜是較佳的。此外，盡管上述的HTSC諧振器可由重?fù)诫s銀的HTSC材料制成，但本專業(yè)內(nèi)人員將理解采用其他方法也不偏離本發(fā)明的范圍或精神。例如，可用被按照上述指定范圍的重?fù)诫s銀的HTSC材料所涂敷的不銹鋼環(huán)來制成HTSC諧振器46，而不偏離本發(fā)明的主旨。
本專業(yè)內(nèi)的人士容易理解，盡管較佳實施例中使用高摻雜銀來提高其HTSC諧振器46的環(huán)境溫度導(dǎo)電性，但可用其他導(dǎo)電的摻雜材料來完成此任務(wù)而不偏離本發(fā)明的范圍或精神。業(yè)內(nèi)一般人士還將理解，雖然這里揭示的濾波器是具有六個或更少極點的低階濾波器，但可按照本發(fā)明的主旨構(gòu)成有其他極點數(shù)目的濾波器。但是，四至六極點的濾波器較佳。
圖1和圖3所示的濾波器10、100是帶通濾波器(使預(yù)定范圍的頻率通過并阻塞高于和低于此范圍的頻率的信號)。但業(yè)內(nèi)一般人士將理解本發(fā)明的主旨不限于此種濾波器。例如可根據(jù)本發(fā)明的主旨構(gòu)成陷波濾波器(即設(shè)計成阻塞預(yù)定范圍中的頻率的濾波器)。這種濾波器與上述帶通濾波器10、100不同，它使用其HTSC材料不摻雜的HTSC諧振器46(以在室溫下完全去耦合)。與上述帶通濾波器10、100一樣，陷波濾波器在溫度處于或低于超導(dǎo)閾值時它以增強級別HTSC濾波器狀態(tài)進行濾波。但當(dāng)陷波濾波器升溫到高于閾值時它起到預(yù)定范圍內(nèi)的通過濾波器的作用(即在預(yù)定范圍內(nèi)停止阻塞信號)。結(jié)果，如與陷波濾波器有關(guān)的冷卻系統(tǒng)失效，則陷波濾波器將允許預(yù)定范圍內(nèi)的頻率信號通過而不加阻塞，因而不阻止在用的電信設(shè)備(如基站)的工作。陷波濾波器達到這種結(jié)果是因為在環(huán)境溫度下陷波范圍偏移到不同的范圍。因而較之在超導(dǎo)溫度下，在環(huán)境溫度下它將阻塞不同的頻率范圍。濾波器設(shè)計人員應(yīng)考慮這種偏移以保證在環(huán)境溫度下不阻塞所需要的信號。
在美國未決專利申請第08/556,371號中揭示一個示例性的陷波濾波器，這里全部引入作為參考。本文中所述的陷波濾波器和′371公報中的陷波濾波器一樣地構(gòu)成，但有上述的諧振器修改(且最好限于六或更少的極點)。因而，對HTSC陷波濾波器的實施細節(jié)的詳細討論，有興趣的讀者可參考‘371公報。
為增強雙工作模式濾波器10、100的濾波性能，可將雙工作模式濾波器(帶通或陷波式)10、100與1個或多個常規(guī)濾波器50相級聯(lián)，如圖4所示。通過使用級聯(lián)濾波器50，有可能在只使用低極點濾波器時獲得典型的高階濾波器的高性能濾波。在美國專利申請申請第09/130,274號(1998年8月6日提交)中提供了級聯(lián)濾波器優(yōu)點的詳細討論，這里全部引入作為參考。
如圖4所示，常規(guī)濾波器50最好通過低噪放大器52或隔離器54連接到雙工作模式濾波器10、100。當(dāng)在常規(guī)濾波器50的濾波前需要放大由雙工作模式濾波器10、100輸出的經(jīng)濾波的信號的應(yīng)用中要使用低噪聲放大器52。當(dāng)要求濾波器10、100和50之間低損耗傳輸?shù)幌ＭＲ?guī)濾波器50的工作影響雙工作模式濾波器10、100的工作的應(yīng)用中要使用隔離器54。用雙工作模式的4極點帶通濾波器100、隔離器54、常規(guī)高抑制濾波器50實施的級聯(lián)濾波器的插入損耗比上述引用的統(tǒng)計數(shù)字來得高，但經(jīng)過調(diào)諧同時獲得大于20dB/1MHz的抑制。
業(yè)內(nèi)的一般人士將理解，射頻譜分成A、B、A′和B′波段。B波段分離A和A′波段。A′波段分離B和B′波段。這些人士還知曉，通常希望在A和A′波段廣播而不在B波段廣播，和/或在B和B′波段廣播而不在A′波段廣播。現(xiàn)有系統(tǒng)通過采用兩個帶通濾波器并聯(lián)并多路復(fù)用該并聯(lián)濾波器的輸出來解決這一問題。
用帶通濾波器(常規(guī)或雙工作模式)與陷波濾波器(常規(guī)或雙工作模式)相級聯(lián)，可獲得同樣結(jié)果而不需要多路復(fù)用。例如，設(shè)計帶通濾波器使A、B和A′波段的信號通過且陷波濾波器阻塞B波段的信號，則可獲得A、A′波段濾波器?；蛘?，設(shè)計帶通濾波器使B、A′和B′波段的信號通過且設(shè)計陷波濾波器阻塞A′波段信號，則獲得B、B′波段濾波器。
盡管已說明了本發(fā)明的主旨的某些例示，但本發(fā)明涵蓋的范圍不限于此。相反，本專利涵蓋落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)，不論文字上的或該學(xué)說的等效物的本發(fā)明的主旨的所有例示。
權(quán)利要求
1.一種濾波器，其特征在于，包括限定至少兩個腔體、一個輸入端口和一個輸出端口的殼體；置于所述第一腔體中的第一非超導(dǎo)諧振器；和置于所述第二腔體中的第一超導(dǎo)諧振器。
2.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其特征在于所述超導(dǎo)諧振器包括含有8-15％重量百分?jǐn)?shù)的銀的超導(dǎo)材料。
3.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其特征在于進一步包括置于第三腔體中的第二超導(dǎo)諧振器和置于第四腔體中的第二非超導(dǎo)諧振器。
4.如權(quán)利要求3所述的濾波器，其特征在于所述第一腔體限定輸入腔體以及所述第四腔體限定輸出腔體。
5.組合，在低于閾值溫度的溫度上提供第一級濾波和在高于閾值溫度的溫度上提供第二級濾波的雙工作模式濾波器，第一級別高于第二級別；和與所述雙工作模式濾波器級聯(lián)的傳統(tǒng)濾波器。
6.如權(quán)利要求5所述的組合，其特征在于進一步包括耦合于所述雙工作模式濾波器和所述傳統(tǒng)濾波器之間的低噪聲放大器。
7.如權(quán)利要求5所述的組合，其特征在于進一步包括耦合于所述雙工作模式濾波器和所述傳統(tǒng)濾波器之間的隔離體。
8.如權(quán)利要求5所述的組合，其特征在于所述雙工作模式濾波器包括帶通濾波器。
9.如權(quán)利要求8所述的組合，其特征在于所述雙工作模式濾波器使A、B和A′波段中的信號通過，所述傳統(tǒng)濾波器包括阻塞B波段中的信號的陷波濾波器。
10.如權(quán)利要求5所述的組合，其特征在于包括由二極點濾波器、三極點濾波器、四極點濾波器、五極點濾波器和六極點濾波器組成的組中的一個。
全文摘要
提供一種雙工作模式全溫度濾波器。所述雙工作模式濾波器設(shè)有一殼體,用于限定至少兩個腔體,一個輸入端口和一個輸出端口。它還設(shè)有置于第一腔體中的非超導(dǎo)諧振器和置于第二腔體中的超導(dǎo)諧振器。第二諧振器包含含有8－15%的銀的超導(dǎo)材料。雙工作模式濾波器在低于閾值溫度的溫度上在相對高的級別上進行濾波并在高于閾值溫度的溫度上在較低的傳統(tǒng)級別上進行濾波。
文檔編號H01P7/08GK1348618SQ99813497
公開日2002年5月8日 申請日期1999年9月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月22日
發(fā)明者A·阿夫德莫倫 申請人:伊利諾伊超導(dǎo)股份有限公司