基於可變形高溫超導材料的腔體諧振器及濾波器的製作方法

2023-04-25 01:33:21 2

本發明屬於超導元器件設計技術領域，涉及高溫超導諧振元器件基於所述元器件的濾波器，特別涉及一種基於可變形可彎折高溫超導材料的微波腔體諧振器及濾波器。

背景技術：

高溫超導諧振器件因其良好的電路特性(如高Q值特性)被廣泛應用於國防科技、航空航天以及衛星通信等前沿領域，作為電路元件的基礎單元。

隨著通信產業的快速發展，各種通信標準同時存在使得頻率資源越來越緊張，對於無線通信系統的前端接收設備的要求也越來越高。具體表現是高效的頻譜利用率問題，即對具有高選擇性、小體積、低成本、設計靈活的射頻濾波器有著迫切需求。高溫超導技術目前發展已經較為成熟，利用高溫超導材料設計的濾波器具有插損小，帶邊陡峭，矩形係數高的特點，因此已在通信領域被廣泛使用。但是，目前普遍使用在微波波段的超導材料為基於單晶襯底的超導薄膜材料，此類材料具有幾乎不可變形、加工時容易破碎的不足，通常被用來製作平面型諧振器/濾波器。而作為微波諧振器領域另一常見的元器件-腔體諧振器/濾波器，卻難以通過此類基於單晶襯底的超導材料來實現。本申請人曾做過將基於單晶襯底的超導薄膜材料應用到腔體諧振器/濾波器的嘗試，從電路性能參數來看，確實帶來了很大的突破，但是由於此類超導材料的易碎性，加工難度較大，製作的腔體濾波器由於易碎性的影響，可調整的參數也非常有限。。

可變形高溫超導材料(如可彎折的鎳基二代高溫超導帶材)在近年來技術取得了快速發展，目前已能夠在電力傳輸中被商業化使用，並可提高電流傳輸容量5至10倍，能耗降低三分之二。此類材料的特點是可隨意彎折，可加工性強。相對於電力傳輸的低頻領域，將二代超導帶材應用到射頻、微波及更高頻率領域仍然未見嘗試或報導。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決現有的超導腔體濾波器加工製造難度大，調諧參數有限等不足，提出了一種利用可彎折高溫超導材料製作的微波腔體諧振器及其構成的濾波器。

本發明的技術方案為：基於可變形高溫超導材料的腔體諧振器，其特徵在於，包括諧振器腔體，可變形高溫超導材料以完全覆蓋的方式貼附在所述諧振器腔體電路結構表面並相互電連接以形成超導諧振腔。

優選方案，所述可變形高溫超導材料之間以導電膠粘接和/或焊接的形式實現電連接。

優選方案，所述可變形高溫超導材料為二代高溫超導帶材。

優選方案，所述諧振器腔體為導體，所述可變形高溫超導材料通過導電膠粘接在諧振器腔體相應表面。

優選方案，諧振器腔體設置有調諧結構部，用於向諧振器腔體內部插入調諧結構。

優選方案，所述調諧結構部包括調諧杆和連接部，所述調諧杆可相對於諧振器腔體並指向腔體內部做伸縮調節，所述連接部用於連接調諧杆的一端部和調諧杆對應位置的可變形高溫超導材料，用於將調諧杆執行調節時產生的應力傳遞至可變形高溫超導材料，並引起所述可變形高溫超導材料的相應形變。

優選方案，諧振器腔體設置調諧結構部的表面粘接可變形高溫超導材料時，導電膠塗覆於以調諧杆為中心的外邊緣，以使調諧杆周圍一定面域S內無導電膠固定。

優選方案，所述面域S的面積不小於諧振器設置調諧杆的內表面面積S1的1/2。

優選方案，面域S和內表面面積S1滿足如下要求，0.5S1≤S≤0.9S1。

優選方案，所述調諧結構部包括凹槽，用於實現，所述調諧杆往腔體外部調節時，可通過連接部帶動可變形高溫超導材料向腔外凸起，以增加腔體內部空間體積。

優選方案，腔體內部空間體積通過調諧杆調節可實現的最大體積V1、最小體積V2和自由狀態體積V0之間的關係滿足：V2＝n1V0，V1＝n2V0；其中，0.2≤n1≤1，1≤n2≤5。

優選方案，0.2≤n1≤0.5，2≤n2≤5。

基於可變形高溫超導材料的腔體濾波器，其特徵在於，所述濾波器由上述腔體諧振器中的一種或多種耦合形成。

本發明的有益效果：本發明將可變形高溫超導材料引入現有的腔體濾波器/諧振器設計中，實現了腔體超導濾波器設計。同時，利用可變形高溫超導帶材易於加工及不易破碎的特點，設計了可以調整諧振腔內部尺寸的調諧結構和調諧方法，給腔體超導諧振器/濾波器提供了更豐富且更有效的調諧方式，降低了諧振器的設計難度，也降低了對諧振器加工的精度要求。設計電路時通過設置與目標電路頻率的差值設計，同時解決了產品在調諧過後的使用穩定性問題。

附圖說明：

圖1為本發明的基於可變形高溫超導材料的腔體諧振器實施例：圓柱形腔體諧振器結構示意圖；

圖2為圖1所示圓柱形腔體諧振器的剖視圖；

圖3為本發明的基於可變形高溫超導材料的腔體諧振器實施例：異形腔體諧振器結構示意圖；

圖4為本發明的基於可變形高溫超導材料的腔體諧振器實施例：同軸腔體諧振器結構示意圖；

圖5為本發明的基於可變形高溫超導材料的腔體諧振器實施例：帶調諧腔體諧振器結構示意圖。

具體實施方式

本發明的實施例是依據本發明的原理而設計，下面結合附圖和以下具體實施例對本發明作進一步的闡述。

實施例1：如圖1及圖2所示，本實施例的可變形高溫超導材料微波腔體諧振器為常規腔體諧振器中的圓柱形腔體諧振器，包括諧振器腔體11，可變形高溫超導材料12以完全覆蓋的方式貼附在所述諧振器腔體電路結構表面並相互電連接以形成超導諧振腔。

實施例2：如圖3所示，本實施例的可變形高溫超導材料微波腔體諧振器為異形腔體結構的諧振器，包括諧振器腔體21，可變形高溫超導材料22以完全覆蓋的方式貼附在所述諧振器腔體電路結構表面並相互電連接以形成超導諧振腔。其中，在諧振器腔體22的主體上具有異形結構部23。異形結構部的設計方式已經在傳統的腔體濾波器中得到驗證，一方面可以根據安裝環境等客觀因素確定合適的異形結構，增加實用性；另一方面，異形結構也帶來了傳統結構難以實現的諧振方式和電路特性，具有重要價值。但是由於傳統超導工藝及材料的限制，異形結構的諧振器難以在低成本的前提下引入超導電路。本實施例結合採用的可變形超導材料的獨特性能，將異形腔體諧振器與超導相結合，形成了異形腔體超導諧振器。

實施例3：如圖4所示，本實施例的可變形高溫超導材料微波腔體諧振器為常規腔體諧振器中的圓柱形同軸腔體諧振器，包括諧振器腔體31，可變形高溫超導材料32以完全覆蓋的方式貼附在所述諧振器腔體電路結構表面並相互電連接以形成超導諧振腔。

在以上實施例中，由於高頻的微波具有趨膚效應，當電路通路中具有超導通路時，幾乎所有的電流會通過超導通路流過。因此，諧振器腔體主要用於提供超導材料形成電路時的標準電路尺寸，主要起到力學支撐及保護作用，同時還兼具包括提供調諧結構設計在內的其他作用。所述可變形高溫超導材料之間優選以導電膠粘接和/或焊接的形式實現電連接。所述可變形高溫超導材料為可彎折加工的高溫超導材料，比如二代高溫超導帶材。

優選實施例方案，所述諧振器腔體11(21或31)為導體，可變形高溫超導材料可通過導電膠粘接在諧振器腔體相應表面。採用導體作為腔體材質，可以在一定程度上提高電路的性能，具體表現在可輔助解決相互分離的超導電路片之間的連續到點問題，提高其導電的可靠性。

優選實施例：如圖5所示，諧振器腔體設置有調諧結構部，用於向諧振器腔體內部插入調諧結構，比如調諧螺釘。在本實施例中，調諧結構部具體包括設置在諧振器腔體41上的腔體內部的圓弧凹槽42，設置在腔體圓弧凹槽42上的調諧螺釘44連接到超導片43上。圖中超導片431和超導片432分別是超導片43在調諧螺釘的調諧驅動下的兩個調諧位置圖示。需要說明的是，作為優選實施例，諧振器腔體可以包括傳統的調諧結構，但這裡所述的調諧螺釘孔特指設置在諧振器腔體上的調諧螺釘孔，與該孔相對應的超導電路表面並不存在對應的開孔。其主要目的是，通過調節調諧螺釘的插入深度，可以調節該表面上超導片向腔體內部凸起的程度，進而可以改變電路腔體的內部尺寸，實現高效調諧。同時可以設計較大的調整範圍，以實現諧振器頻率的大範圍調節，大範圍調節一方面可以對加工誤差進行修正，但其主要目的還在於對不同應用場景的適應(對頻帶的大範圍調整，比如調整多個倍頻層)。具體設計可以參考以下實施例，諧振器腔體設置調諧螺釘孔的表面粘接可變形高溫超導材料時，導電膠塗覆於以調諧螺釘孔位中心的外邊緣，以使調諧螺釘孔周圍一定面域S內無導電膠固定。考慮到上述結構特徵和電路通常對調諧的需求，作為優選，所述面域S的面積不小於諧振器設置調諧螺釘孔的內表面面積S1的1/2。進一步的，面域S和內表面面積S1滿足如下要求，0.5S1≤S≤0.9S1。該範圍限定可以有效平衡超導片與腔體結合的結構強度和調諧範圍之間的關係，使二者的參數達到最優匹配。即再保證電路強度的前提下提供足夠的調諧範圍。

優選實施例方案，所述調諧結構部包括調諧杆和連接部，所述調諧杆可相對於諧振器腔體並指向腔體內部做伸縮調節，所述連接部用於連接調諧杆的一端部和調諧杆對應位置的可變形高溫超導材料，用於將調諧杆執行調節時產生的應力傳遞至可變形高溫超導材料，並引起所述可變形高溫超導材料的相應形變。

所述調諧結構部包括凹槽，用於實現，所述調諧杆往腔體外部調節時，可通過連接部帶動可變形高溫超導材料向腔外凸起，以增加腔體內部空間體積。也就是說，所述凹槽為諧振器牆體體積調大提供了空間。

優選實施例方案，腔體內部空間體積通過調諧杆調節可實現的最大體積V1、最小體積V2和自由狀態體積V0之間的關係滿足：V2＝n1V0，V1＝n2V0；其中，0.2≤n1≤1，1≤n2≤5。以此實現同一諧振器可在較寬頻率範圍內做出調整，以適應不同的需求。優選實施例方案，0.2≤n1≤0.5，2≤n2≤5。

基於可變形高溫超導材料的腔體濾波器，其特徵在於，所述濾波器由上述腔體諧振器中的一種或多種耦合形成。顯然，所述諧振器之間的耦合方式並不構成對本發明濾波器方案的限制。

基於本發明實施例的設計，本發明的諧振器包括但不限於矩形腔體諧振器、圓柱形腔體諧振器和同軸腔體諧振器等。而對於異性腔體諧振器(形成諧振器的腔體電路表面為非平面的異形結構)，本發明的方案優勢更為突出，因為本發明的可變形高溫超導可通過彎折/彎曲處理或者模具衝壓成型形成各種複雜的曲面和/或異形結構，屬於本發明的優選實施例方案。

本領域的普通技術人員將會意識到，這裡所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為本發明的保護範圍並不局限於這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發明的保護範圍內。