專利名稱：濾波器組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于低溫環(huán)境的濾波器組件，更具體地說，這種濾波器組件可以工作在大于或等于77K(開氏溫度)的環(huán)境溫度下。在無線通信中，這種濾波器組件可以作為射頻(RF)或微波的濾波器組件使用。
背景技術(shù)：
在第6,212,404號美國專利中，描述了一種低溫濾波器組件。該引用文件主要涉及一種無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一種塔，該塔具有一根或多根連接到模塊上的天線，而這種模塊則包含帶通波導空腔濾波器和低噪聲放大器，且通過一根或多根同軸電纜連接到接收電路系統(tǒng)上?？涨粸V波器連接到包含熱交換單元和冷卻產(chǎn)生單元的低溫冷卻裝置上。在第6,212,404號美國專利中也闡述了傳統(tǒng)的農(nóng)用天線反向組件(retro-fitting)，該組件包含一種塔，該塔具有一根或多根連接到RX濾波器和低噪聲放大器以及TX濾波器上的天線，其中低溫冷卻裝置也適用于RX濾波器和/或低噪聲放大器。低溫冷卻組件的使用是基于無線通信系統(tǒng)敏感度的顯著增加和噪聲因數(shù)的顯著降低。在第6,212,404號美國專利中所描述的低溫冷卻系統(tǒng)包括連接到熱交換單元的壓縮機，氣態(tài)制冷劑在熱交換單元和壓縮機之間連續(xù)循環(huán)流動。這樣，冷卻且被壓縮的流體通過高壓管線進入熱交換單元，而熱的膨脹的流體則通過低壓管線從熱交換單元返回壓縮機。熱交換單元置于真空容器中，同時波導空腔濾波器也位于其中，并且濾波器直接與冷卻的指狀熱交換單元直接接觸。這樣，在這種配置的情況下，波導空腔濾波器與低溫冷卻裝置的冷卻頭直接接觸，通常會具有冷卻電路的過分復雜缺點，從而會出現(xiàn)令人擔心的操作效率的下降。
然而需要指出的是，與第5,936,490號美國專利一樣，在第6,212,404號美國專利中僅僅描述了一種波導空腔濾波器，卻沒描述這種濾波器所使用的高溫超導(HTS)材料。在構(gòu)造大的空載Q因數(shù)的共振器方面，這種HTS材料很具優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目標是提供一種能夠降低前述缺點的微波濾波器組件。
微波濾波器組件包括濾波元件，該元件具有平面或空腔的幾何形狀且被涂覆一層高溫超導(HTS)材料，其特征在于所述濾波元件或者所述HTS材料層具有多孔結(jié)構(gòu)，或與多個冷卻通道相連，用于在所述濾波元件連接到冷卻回路時為制冷劑提供通道。
這種濾波元件可能具有平面的幾何形狀，因此可較佳地包含一個或多個平板或?qū)拥碾娊橘|(zhì)襯底。這種平板或?qū)涌梢杂?.3毫米到2.0毫米厚。適宜的是，HTS材料涂層可以任何合適的樣式施加其上，因此可以是條狀或帶狀形式的傳輸線，這種傳輸線可以用于電介質(zhì)平板或?qū)拥囊粋€寬闊表面，如有必要也可置于電介質(zhì)平板的另一側(cè)寬闊表面。
這種作為導體或有源元件的HTS材料可以施加到電介質(zhì)襯底以形成具有帶狀線、微帶狀線或槽狀線特征的傳輸線，這種傳輸線在“微波集成電路帶狀傳輸線”(作者Bhat和Koul，1989年由Wiley EasternLimited發(fā)行，在此引用作為參考)一文中有表述。因此，有關(guān)以帶狀線、微帶狀線和槽狀線不同命名的懸浮帶狀線，懸浮微帶狀線，反向微帶狀共面波導以及共面帶在此出版物中也有述及。正如在此出版物中描述的那樣，連續(xù)的HTS材料層可以一個或多個水平面的形式施加到的電介質(zhì)襯底。
通常認為HTS材料可以施加到電介質(zhì)襯底以形成任何合適形狀的共振結(jié)構(gòu)，這些形狀例如由傳輸線連接的圓、矩形、多邊形等等。
在此項發(fā)明中，濾波元件也可以具有一個空腔幾何形狀，這樣，它也可以包含一種像在第6,212,404號美國專利中描述的波導空腔濾波器。合適類型的波導空腔濾波器在第5,936,490號美國專利也有述及。通常，一個空腔濾波器包含一個像空管或波導一樣的大的中空體，此中空體具有最小厚度的壁，厚度約為0.01到5.0毫米?？涨活悶V波器的電介質(zhì)媒介或絕緣體是空氣。中空體可以具有一個或更多的具有形成共振結(jié)構(gòu)的孔或通道的部分。作為選擇，電介質(zhì)共振器形式的共振結(jié)構(gòu)可以同軸地形成在管內(nèi)，它可以是任何一種合適的截面形狀?；蛘?，可以從大的固體塊形成空腔類型濾波器，大的固體塊具有通過機械加工或在大的固體塊外鉆孔形成的通道或孔。按照本發(fā)明，由HTS材料所形成的傳導層也施加到空腔濾波器的中空內(nèi)腔。
像上面所描述的那樣，作為沉積HTS材料的襯底，可以是任何可應用HTS材料的合適材料，諸如MgO、Al2O3、LaAlO3、LaSrAlO4、Si、(La Sr)(Al Ta)O3、Y鋯石、YBa2NbO6、NdBa2NbO6、Ba ZrO3、GdBa2HfO5.5、(Pr，Sm，Gd)Ba2SbO6、YBa2SnO5.5、PrBa2NbO6、SmBa2NbO6和EuBa2NbO6。然而，釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)在上面提及的襯底應用中是首選的。MgO、LaAlO3、Al2O3、La SrAlO4、Si和(La Sr)(Al Ta)O3更適合于薄膜沉積，而上面提及的襯底材料中剩下的則更適合于厚膜沉積。薄膜通常厚為0.5至2微米，而厚膜通常厚為10到100微米。
可以從YBa2Cu3Ox(YBCO)Tl2Ba2Ca2Cu3Ox(TBCCO 2223)、Tl2Ba2Ca1Cu2Ox(TBCCO 2212)和Biz(Pb)Sr2Ca2Cu3Ox(BSCCO 223)等化合物中選取HTS材料。所有這些物質(zhì)中，YBCO已經(jīng)廣泛的應用。這些材料適合于厚膜沉積，同時由于它們價格低，能夠施加在彎曲表面上以及適合于在大的、平的多晶襯底上制造，有時也用于薄膜沉積。
正如1999年在法國Millau的微波超導NATO高級研究學會(NATOAdvanced Study Institute on Microwave Superconductivity)學報中由Weinstock和Nisenoff編寫的“微波超導”一文所闡述的那樣，上面提及的合適的襯底HTS薄膜層的制造方法可以包括蒸發(fā)、激光燒蝕、有機金屬化學氣相沉積(MOVCD)濺射和液相外延。該出版物由KluwerAcademic Publishers Dordrecht于2001年在荷蘭出版發(fā)行。作為參考在此引用此出版物。通常，蒸發(fā)涉及在氧氣存在的條件下把HTS材料蒸發(fā)到熱的襯底上。通常情況是將襯底安在一個旋轉(zhuǎn)的臺上，讓它交替地進入HTS材料已蒸發(fā)且的區(qū)域然后進入高壓氧的區(qū)域。在這兩個區(qū)域，維持較大的壓力差。
脈沖的激光燒蝕過程包括使用脈沖的紫外激光通過含有氧氣的室，形成與熱的襯底接觸的可見的羽煙，通常此襯底關(guān)于羽煙旋轉(zhuǎn)。
在MOVCD過程中，金屬陽離子以揮發(fā)的有機化合物的形式傳輸，其分解以將HTS材料沉積到隨后被氧化的熱的襯底上。
濺射包括使用由直流或射頻放電產(chǎn)生等離子體，其中等離子體中的離子打擊理論配比的(stoichiometric)陶瓷靶，打出的原子濺射并沉積到熱的襯底上。放電過程通常由磁場來確保和維持。
液相外延包括一種工藝，其中將襯底插入理論配比的(stoichiometric)融熔的環(huán)境中，像單晶的生長一樣，外延生長需要較小的溫度變化和一定的傾斜度。薄膜的生長須要較低的氧含量并且必須通過退火進行氧化。
為了與發(fā)明的首選的情況一致，在其上施加HTS材料的襯底中必須形成直徑20微米到5毫米的毛細通道。作為選擇，納米毛細管在下文中也有提到。這樣，當平面濾波器的襯底以電介質(zhì)平板的形式存在時，可以使用納米毛細管。或者如上面所提及的那樣，當襯底是形成空腔的管或塊時，可以使用濾波器毛細管。在任何一種條件下，制冷劑連續(xù)流經(jīng)與HTS層或條接觸的毛細通道，該通道形成了濾波器的活性層或功能部分。作為選擇，襯底可能是可滲透的材料且制冷劑流過可滲透的材料的空隙。
作為選擇，蛇形管子結(jié)構(gòu)可以由直徑在20微米到5毫米之間的銅管或其它的合適傳導材料構(gòu)成，在應用前面討論的任一涂覆技術(shù)的HTS材料之前，使用合適的粘合劑可以把這種管子結(jié)構(gòu)粘合到鄰近的襯底層上。


圖1示出通信可以使用本發(fā)明濾波器的無線通信系統(tǒng)的示意圖；圖2示出可用于本發(fā)明濾波器的特定的頻率范圍示意圖；圖3示出使用了微波濾波器的傳統(tǒng)冷卻回路的示意圖；圖4示出本發(fā)明的冷卻回路示意圖；圖5示出本發(fā)明的空腔類型濾波器的透視圖；圖5A示出沿圖5中A-A線的剖面圖；圖6示出圖5中具有HTS材料涂層的空腔類型濾波器的透視圖；圖6A示出沿圖6中A-A線的剖面圖；圖7示出了在HTS材料層中形成毛細通道的蛇形排列的方法；圖8示出了連接到末端歧管(manifolds)的毛細管的排列；圖9示出本發(fā)明的平面型濾波器；圖10示出本發(fā)明的平面型濾波器的另一實施例；圖11是圖10所示平面濾波器的中空體的部分；圖12至13示出的是圖4中為壓縮機提供冷卻管的本發(fā)明的另一
具體實施例方式
圖1描述了無線通信系統(tǒng)10的一個實例，無線通信系統(tǒng)10包括天線12，濾波器13和13A，以及連接到電子電路14的接收線(RX)和傳輸線(TX)。濾波器13和13A依照本發(fā)明構(gòu)造并廣泛用于系統(tǒng)10中，用以區(qū)別需要的和不需要的信號頻率。濾波器是雙端口網(wǎng)絡，通過允許濾波器的通帶傳輸和阻帶衰減用于控制射頻或微波系統(tǒng)頻率響應。普通濾波器響應包括低通、高通，帶通和帶阻或帶抑制。
依照本發(fā)明所構(gòu)造濾波器的目的是增強濾波器的性能，以便能夠有效地利用防護頻帶或干涉頻帶15內(nèi)的頻率，如圖2所示這一頻帶目前是不能用于GSM(移動通信特別小組)16和CDMA(碼分多址)17之間的。相關(guān)的頻率以例子的形式在圖2中也有表述。
圖3表述了一種現(xiàn)有技術(shù)的冷卻回路，其中壓縮機18與熱交換組件19的冷卻頭相連，組件19置于真空室里或真空瓶20里。壓縮機18更適宜采用包含一對常規(guī)活塞的線性壓縮機的形式，這對活塞由線性馬達驅(qū)動以壓縮進入壓縮機的制冷劑。熱交換組件包括與流入線或向前線22相通的熱交換單元21，節(jié)流閥23，膨脹室24，熱交換單元25，返回線26和指狀冷卻器27組成。熱交換單元21和25也可稱為“指狀冷卻器”，且都具有液體膨脹的膨脹空間和壓縮液體的壓縮空間。如圖所示的指狀冷卻器27與平面或空腔型的微波濾波器28直接接觸，或者冷卻頭19和濾波器28分隔開。不同的示意布局見第6,212,404號美國專利。正如在第6,212,404號美國專利中所描述的那樣，以惰性氣態(tài)形式存在的制冷劑，諸如氮氣、氬氣、氪氣或氦氣通過管線22和26在如圖3所示回路中循環(huán)，這增強了濾波器28的工作效率。
在圖4中，類似的冷卻回路卻有例外液體直接流經(jīng)濾波器28，而不像圖3所示的流經(jīng)濾波器28旁邊。在圖4中，在濾波器28的范圍內(nèi)利用箭頭充分描述了這一情況。
圖5描述了具有中空結(jié)構(gòu)的空腔濾波器30或塊31，這一濾波器裝配具有輸入口33和輸出口34的中空的腔體32。在此也描述了以柱形角35形式存在的共振結(jié)構(gòu)，它形成了電介質(zhì)共振器。同時圖5也描述了通過扣件(未描述)連接到塊31的蓋或帽36，此扣件與連接孔37緊密配合。為了方便在圖5中忽略了HTS材料層，但在圖6中有描述。圖5A是沿A-A方向的剖面圖，在此用矩形來說明。圖5A也描述了內(nèi)部管道29，其對應于上面所述的毛細管道，這些毛細管道可以通過對中空體31進行機械加工、鉆孔或其它操作加工而形成。
按照本發(fā)明，圖6也描述了以涂覆或?qū)?8的形式施加在體31的HTS材料。HTS材料也可以涂覆或?qū)?9形式施加到蓋36的下側(cè)面。層38和39同樣具有大量的中空的管道，這些管道的存在形式如圖6A中沿B-B方向的剖面圖所示。還提供了HTS材料構(gòu)成的周圍層41。
圖7描述了一種通過應用毛細管42在層38和39中形成毛細通道40的方法，毛細管42可粘在如圖9和圖10中所描述的濾波器30或平面濾波器48的表面43上。例如，可以用環(huán)氧基樹脂將毛細管42粘在43的表面上。毛細管42也可以納米管形式存在，納米管以氮化硼或碳形式存在。這些納米管厚度為10至20納米，直徑大約1.4納米，這在雜志美國科學家(第85期，324-337頁，1997年)中題為“FullereneNanotubesC1,000,000 and Beyond”(由Yakobson和Smalley著)的文章中有闡述，作為參考在此引用。在物理學消息(第531期，2001年3月22日)中，Schewe，Stein和Riordan報導了直徑為0.9至2.8納米的碳的納米管。在美國專利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發(fā)明的納米管結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)過程。
圖8描述了一種包含歧管44、45和進口46、出口47以及它們排列情況的毛細管42結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與43的表面粘接。在空腔濾波器30情形中，毛細管42可以修改成具有符合中空內(nèi)腔32的形狀，這也就符合了連續(xù)內(nèi)表面32A的形狀。這樣，在圖5中，表面43的形狀與內(nèi)表面32A相符合。
圖9到圖10描述了一種平面型濾波器48，它包括以平板49形式存在的電介質(zhì)襯底，平板49具有與傳輸線51相連的共振結(jié)構(gòu)50，這些傳輸線51由施加到寬闊表面52上的一層HTS材料形成。還顯示了HTS材料的底層53，形成了濾波器48的地平面。按照本發(fā)明，在層53中提供了大量的毛細通道54，如圖10所示，它們與歧管60和61相連。作為選擇或附加情況，平板49也具有納米管通道55(在投影圖所示)，它們也與歧管相連(沒有顯示)。
如圖10到11所示在另一個實施例中，平板49A是由合適的可滲透的材料如陶瓷材料構(gòu)成的。氣態(tài)冷卻劑61進入歧管的進口56，在平板49的可滲透材料中擴散后才流出歧管60的出口57，這一過程在圖11中有很好的描述。
在圖12中描述了壓縮機18，它可以是任何一種類型但最好是本領(lǐng)域所熟知的線性電動壓縮機，如圖12所示，這種壓縮機具有圓柱狀的外形并且具有包在壓縮機的側(cè)壁18A上的銅皮19A的圓柱外套。
在此還描述了由銅構(gòu)成的冷卻管18C，它們每一個都連到獨立的較小的冷卻管18D，18E，18F和18G上，這些冷卻管又連接到分開或獨立的螺旋閥S1，S2，S3和S4。管18D與管18E平行，同時管18F平行于18G。
圖14到15顯示了另一個實施例，其中與圖12到13類似的冷卻管包圍熱交換單元25，在此冷卻管18C包圍熱交換單元25，熱交換單元25也是具有連續(xù)側(cè)壁25A的圓柱形式。管子18C又形成了包圍側(cè)壁25A的一部分銅板19A。在此圖中還顯示了較小的冷卻管18I和18H，這們每一個分別與分開或獨立的螺旋閥S5和S6相連。
在圖12至13和圖14至15所描述的每一個冷卻管18C安置的目的是分別精確控制熱量，熱交換單元和冷卻頭25能處理不同條件下的運行狀態(tài)和不同微波濾波器的狀態(tài)。所選擇的冷卻液體是二氧化碳或上面所提到的其它的惰性氣體，這些氣體傳送進冷卻管18C，其在通道中的活動則由圖12至14中的螺旋閥S1至S4和圖14至15中的螺旋閥S5至S6控制。螺旋閥的控制信號則由閉環(huán)控制系統(tǒng)提供(沒有顯示)，該系統(tǒng)測量冷卻頭25的溫度，壓縮機18外表面的溫度以及室溫。然后控制系統(tǒng)確定將要傳送到冷卻管18A的冷卻氣的頻率和數(shù)量，這樣可以保持冷卻頭所需要的溫度進而保證微波濾波器28的溫度。在這點上，微波濾波器28的HTS材料的溫度必須精確控制，以確保設計和制造過程中操作頻率。
在本發(fā)明的另一方面，本提供了一種與本發(fā)明濾波器一體化的冷卻回路，以及具有由HTS材料組成的內(nèi)層的空腔濾波器。
值得注意的是，在HTS材料上包覆1到10微米厚的薄金層，更適宜的是包覆5微米的薄金層，可以使HTS材料免遭外界環(huán)境諸潮汽和水汽玷污。隨著時間的過去，這可以保護和保持HTS的性能，進而保護和維持濾波器的性能。
權(quán)利要求
1.一種具有平面或空腔的幾何形狀且被涂覆一層溫度超導(HTS)材料的濾波器元件，其特征在于所述濾波元件或者所述HTS材料層具有多孔結(jié)構(gòu)，或與多個冷卻通道相連，用于在所述濾波元件連接到冷卻回路時為制冷劑提供通道。
2.如權(quán)利要求1所述的濾波器元件具有平面的幾何形狀，該結(jié)構(gòu)具有一個或多個平板或?qū)拥碾娊橘|(zhì)襯底，襯底厚度為0.3至2.0毫米，其中HTS材料涂層以條狀或帶狀形式的傳輸線方式施加在平板或?qū)拥囊粋€寬闊表面上。
3.如權(quán)利要求2所述的濾波器元件，其中在電介質(zhì)襯底上施加帶狀或條狀，以形成具有帶狀線、微帶狀線或槽狀線特征的傳輸線。
4.如權(quán)利要求3所述的濾波器元件，其中包括懸浮帶狀線，懸浮微帶狀線，反向微帶狀共面波導以及共面帶的各種帶狀線、微帶狀線和槽狀線被施加到電介質(zhì)襯底。
5.如權(quán)利要求2至4中任一所述的濾波器元件，其中HTS材料施加到電介質(zhì)襯底上以形成由傳輸線互連的共振結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求5所述的濾波器元件，其中共振結(jié)構(gòu)是圓形、矩形或多邊形。
7.如權(quán)利要求1所述的濾波器元件具有空腔幾何形狀，其包括波導空腔濾波器。
8.如權(quán)利要求7所述的濾波器元件，其中空腔濾波器包含具有中空內(nèi)部的體和最小厚度為0.01到5.0毫米的壁。
9.如權(quán)利要求8所述的濾波器元件，其中中空體具有一個或多個具有形成共振結(jié)構(gòu)的孔或通道的部分。
10.如權(quán)利要求8所述的濾波器元件，其中中空體是管，其具有同軸地形成在管內(nèi)的電介質(zhì)共振器。
11.如權(quán)利要求8所述的濾波器元件，其中空腔類型濾波器由固體塊形成，固體塊具有通過機械加工或在固體塊外鉆孔形成的通道或孔。
12.如權(quán)利要求7至11中任一所述的濾波器元件，其中HTS材料的傳導層被施加在空腔濾波器的中空內(nèi)腔上。
13.如任一前述權(quán)利要求所述的濾波器元件，其中HTS材料由YSZ、YBCO、TBCCO 2223、TBCCO 2212和BSCCO 223形成。
14.如權(quán)利要求13所述的濾波器元件，其中HTS材料由YBCO形成。
15.如任一前述權(quán)利要求所述的濾波器元件，其中在濾波器元件的體內(nèi)形成層具有直徑為20微米到5毫米的冷卻通道或者納米管毛細通道。
16.如權(quán)利要求15所述的濾波器元件，其中濾波器體包括具有平面幾何結(jié)構(gòu)的濾波器的電介質(zhì)平板。
17.如權(quán)利要求15所述的濾波器元件，其中濾波器體是管，或者是具有冷卻通道或者納米管毛細通道的塊。
18.如權(quán)利要求15、16或17所述的濾波器元件，其中濾波器體由具有內(nèi)間隙的可浸透材料形成，冷卻劑流過可浸透材料的內(nèi)間隙。
19.如權(quán)利要求1所述的濾波器元件，其中以蛇形管的形式形成冷卻通道，蛇形管是由施加到濾波器元件體上的直徑20微米到5毫米的銅或其它合適的傳導材料構(gòu)成。
20.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其中冷卻通道形成在HTS涂層中。
21.如權(quán)利要求20所述的濾波器，其中濾波器冷卻通道直徑為20微米到5毫米，或者冷卻通道由納米管毛細通道形成。
22.如權(quán)利要求1所述的濾波器，其中濾波器基本上以參考附圖所述的一樣。
23.一種與任一前述權(quán)利要求所述的濾波器結(jié)合的冷卻回路。
24.如權(quán)利要求23所述的冷卻回路，具有連接到位于真空室中的熱交換組件的壓縮機，其中熱交換組件包括流入線、與流入線相連的第一熱交換單元、與濾波器相連的螺旋閥、與濾波器相連的第二熱交換單元以及回到壓縮機的返回線。
25.如權(quán)利要求24所述的冷卻回路，其中冷卻通道粘接在壓縮機的側(cè)壁上。
26.如權(quán)利要求24或25所述的冷卻回路，其中冷卻通道粘接在第二熱交換單元的側(cè)壁上。
27.一種具有施加到空腔類型濾波器的中空內(nèi)腔的HTS材料傳導層的空腔類型濾波器。
全文摘要
一種具有平面(48)或空腔(30)的幾何形狀且其上施加溫度超導(HTS)材料涂層(38、39、50、53)的濾波器元件(28)，其特征在于所述濾波元件(28)或者所述HTS材料層具有多孔結(jié)構(gòu)(49A)，或與多個冷卻通道(29、40、42、55)相連，用于在所述濾波元件(28)連接到冷卻回路時為制冷劑提供通道。本發(fā)明還包括冷卻回路，該回路具有連接到置于真空室(20)中的熱交換組件(19)的壓縮機(18)，其中該熱交換組件(19)包括流入線(22)，與流入線(22)相連的第一熱交換單元(21)，與濾波器(28)相連的螺旋閥(23)，與濾波器(28)相連的第二熱交換單元(25)和回到壓縮機(18)的返回線(26)。
文檔編號H04B1/036GK1666379SQ03816041
公開日2005年9月7日 申請日期2003年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月7日
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