CN1173243A - 电磁谐振滤波器 - Google Patents

Abstract

一种处理电磁信号的滤波器具有一个装有谐振器的壳体,这些谐振器位于壳体的腔内部。谐振器,可以部分地由超导材料制作,具有不带棱角的圆滑外表面以便在谐振器周围提供更加令人满意的镀层表面和均匀电磁场。滤波器壳体由数个壳体单元组成,每个单元包含一个谐振器。这些单元可拆卸地与其它单元相接,这样可以由具体应用的要求在滤波器中添加或移走谐振器。

Description

电磁谐振滤波器

本发明是部分地在商业部授予的合作协议号为70NANB3H1381的政府资助下完成的。

发明背景

发明领域

本发明总地涉及谐振腔滤波器，更具体而言，涉及用于装有谐振器的滤波器的模块化壳体，以及那些谐振器的形状。

背景技术

普通谐振腔电磁滤波器由导电材料制作的外部壳体组成。利用介电材料，一个或多个谐振器安装在壳体内部。电磁能量通过壳体内的第一耦合器耦合进入第一谐振器，并进入壳体内的任何一个其他的谐振器，然后通过第二耦合器离开壳体。壳体和谐振器具体的设计，形状，材料和间隔将决定通过滤波器的信号频率，以及滤波器的插入损耗和品质因子(“Q”)。许多滤波器的壳体设计为具有整体器壁，因此只适用于预定数目的谐振器。如果具体应用要求的滤波器数目大于或小于预定数目，就必须构造一个全新的壳体以容纳所需数目的滤波器。

可以用于滤波器的一种谐振器类型是裂环，由弯曲成空心筒体的矩形板构成，在弯板端部具有一个从筒体顶部到底部的间隙。这样，当筒体或环的边缘是弧形时，顶部和底部将是平的，并且与筒体边缘成直角。由于两个原因，在筒体上有直角或棱角是不期望的。第一，棱角在谐振器周围的那些棱角所在的区域产生电场突变。第二，谐振器通常由导电材料制作，但是也可以镀上超导材料。对谐振器的棱角镀膜是困难的，并可能造成非均匀镀层，以及在谐振器周围引起另外的电场突变。

当谐振器包含超导材料时，由于需要把材料冷却到极低温度以实现超导特性，又将遇到其它问题。滤波器壳体，谐振器和固定谐振器的介电材料可能具有完全不同的热膨胀系数，并且在冷却和升温的过程中处于极宽的温度范围内。因此应当采取对滤波器材料膨胀和收缩的预防措施，以确保在浸入液氮或其它深冷液体时，或者在与低温制冷机相接时，滤波器的所有部件都处于正确位置。确保通过液氮或其它位于壳体外部的低温制冷方法使谐振器得到充分地冷却也是很重要的。

发明概述

根据本发明提供的滤波器具有一个内有腔的壳体，该壳体包含一个裂环谐振器。谐振器具有外表面，第一端面和第二端面，其中外表面是圆形的，第一和第二端面相互面对而形成一个间隙。

谐振器可以具有圆形剖面或者是椭圆形剖面。谐振器可以由包含YBa₂Cu₃O₇膜在内的超导材料制作。

滤波器可以具有一个支撑谐振器的载板，在壳体的内表面有一个用于插入载板的槽。一个销安置在槽的第一端用于固定载板，一个弹簧安置在槽的另一端用于支持载板，同时允许载板由于壳体或载板的膨胀和收缩而相对于槽移动。

导热气体可以装在腔内以便从谐振器向壳体传热，当壳体安置在低温环境下时有助于冷却谐振器。由绝缘材料制作并用于支撑谐振器的载板可以安置在壳体内，壳体可以由镀银的铝制作。

滤波器可以具有数个壳体单元，每个单元包含一个谐振器，滤波器可具有把电磁能量从每个谐振器耦合到相邻谐振器的装置。每个单元可具有带有上表面和下表面的单元器壁，并在上表面和下表面附近包含用于把该单元可拆卸地连接到相邻单元或端板的装置。

第一末端单元和第二末端单元可以具有固定在第一末端单元上表面的第一端板和固定在第二末端单元下表面的第二端板。第一末端单元可以包含使电磁能量穿过壳体耦合到谐振器的装置，第二末端单元可以包含把电磁能量从谐振器耦合到壳体的装置。

把电磁能量从各个谐振器耦合到相邻谐振器的装置可以包含带有孔的平板。壳体单元的表面可以具有定位销，平板可以具有定位孔，其中定位销插入定位孔以便把平板固定到单元上的预定位置。

根据本发明的另一实施方案，组合式滤波器可以有数个壳体单元，每个单元在上表面和下表面具有连接其它单元的装置。每个单元在其内部有一个腔，数个谐振器位于这些单元的腔内。有装置用来使电磁信号穿过单元壁传送到该单元内的谐振器，把电磁能量从第一单元的谐振器传送到第二单元的谐振器，把电磁能量从第二单元的谐振器传出单元壁。

根据本发明的另一实施方案，滤波器具有一个滤波器壳体，该壳体具有一个界定一个腔的器壁。谐振器由超导材料制作并安装在载板上。壳体壁内表面上的槽用于插入载板，在槽的第一端装有把载板固定在槽内的装置。在槽另一端的弹簧装置用于固定载板，同时允许载板由于热膨胀或收缩而相对于槽移动。壳体可以由低温制冷机冷却。

其它的特点和优点在申请专利的和公开的滤波器中是特有的，或者结合附图下列详细描述对于本领域的技术人员会显而易见。

附图简述：

图一是在本发明滤波器的一个实施方案中使用的谐振器和载板的透视图；

图二是在两个孔板之间的图一中的谐振器和载板的透视图；

图三是本发明滤波器壳体单元的顶视图；

图四是图三壳体单元的侧视图；

图五是在图三壳体单元内部的槽的侧视图；

图六是包含谐振器和载板的图三壳体单元的底视图；

图七是本发明滤波器的壳体末端单元的侧视图；

图八是图七壳体单元的底视图；

图九是本发明滤波器一个实施方案的壳体端板的顶视图；

图十是在本发明滤波器中使用的谐振器和载板的一个实施方案；

图十一是本发明滤波器的分解图；

图十二是沿图一中的线12--12得到的剖面图；

图十三是沿图十中的线13--13得到的剖面图；

详细描述：

首先参照图一，二和十二，裂环谐振器200安装在载板202上，可以在谐振器200与载板202接触的地方使用少量的胶(未示出)。谐振器200具有圆形剖面(图12)，由圆柱形金属件制成，它被弯成一个环形，使得端面204和端面206相邻但不互相接触，以形成一个大致由207所示的间隙。由于谐振器200的圆形剖面，它的外表面208，由除端面204和端面206之外的谐振器200的全部表面组成，没有转角或棱角。谐振器可以全部或部分地由金属制作(例如铜，镀银黄铜，或者铝)，或者全部或部分的由绝缘材料(例如聚合材料或者陶瓷，例如氧化锆，钛酸盐酯或氧化铝)和导电材料(例如铜，银或者铝)制作。谐振器200可以由超导材料制作或镀以超导材料，优选地是YBa₂Cu₃O₇。超导材料可以是体材料或薄膜材料，但优选的是厚膜形式(.025～.100mm厚)，并根据美国专利NO.5340797的原理在此应用，该专利在此引用作为参考。在谐振器200的外表面208上没有棱角或角形物使得在谐振器200上电镀超导材料薄膜。另外，没有棱角可在谐振器周围产生更加均匀的电场，由此使包含这种谐振器的滤波器具有优良的特性。

当安装到滤波器中时，谐振器200和载板202通常位于耦合板210之间。每个耦合板210具有一个孔212，该孔大致与载板202对准。耦合板210具有定位孔213，该孔与滤波器壳体上的销(在下面描述)配合。耦合板210用于控制从一个谐振器传递到相邻谐振器的电磁能量，因此孔212的尺寸形状和位置对于在相邻谐振器间提供预期的耦合是十分关键的。没有一个耦合板的设计适用于所有的应用，因为每个滤波器应用可能要求不同的滤波特性。

现在参照图三和四，大致由214指示的中间壳体单元具有大致由215指示的圆形壁，该壁由上表面216，下表面218，内表面220和外表面222界定。器壁215的内表面220在单元214的内部界定一个腔223。在上表面216上形成有几个螺栓孔224和定位孔228。在下表面218上具有几个螺栓226和定位杆230。缩径部分232形成于单元器壁215中以在上表面216附近界定一个环形缘234。一个单元的螺栓226和定位杆230分别插入相邻单元的螺栓孔224和销孔228。然后螺栓226穿过环形缘234并进入相邻单元的部分232，并用螺帽(用3-6中未画出)固定以把两单元紧扣在一起。为了确保在深冷温度下单元间的密封，可以在单元间的上表面216和下表面218上使用铟焊料或其它密封材料。

在内表面220上形成有两个相对成180度的矩形槽235。在每个槽235的一端是一个半圆形销锁236。在每个销锁236内有一个环238，它部分的包含一个弹簧240(图五)。在槽235的另一端附近有一个销242。载板202安装到在销242和弹簧240之间的各个槽235内，这样载板202不能移过销242或弹簧240。弹簧240允许材料在各个单元内膨胀和收缩，这样载板202和谐振器200在经历温度由室温变化到深冷或超导温度时能够保持在预定位置。载板202的厚度和槽235的宽度应当近乎相等，以减小载板202和谐振器200在垂直于槽235长度方向上的任何移动。在插入槽235之前把少量的尼龙胶带或者其它韧性材料放在载板202的端部可以减小载板202的移动并保持其预定对准位置。

在内表面202上还有一个调谐盘244。调谐盘244位于谐振器200的间隙207附近，并可以通过旋转位于单元214的器壁215上的螺丝(未示出)，使调谐盘244靠近或远离间隙207以调节谐振器的电容。调谐盘可以由镀银黄铜盘制作，调节机构可以由一个杆和螺纹组成，并可由黄铜制作。

在外表面222上有一个具有两个螺栓246的盖板245。盖板245用来在钻有一个孔以放置调谐盘244和附属调节机构的区域密封单元214。。在外表面222上还有两个位于销242外侧的销盖板248。销盖板248固定销242到位并盖住孔，以使从外部来密封单元内部，这些孔钻通单元器壁以插入销242。盖板245和销盖板248可以用铟焊料在外表面222上。

在下表面218与内表面220相接的区域形成一个圆形架250。圆形架250的外径近似等于耦合板210(图二)的外径，从架250的顶端到上表面216的距离近似等于耦合板210的厚度。当耦合板210放入架250中时板的顶端将与上表面218齐平，并将由相邻单元的上表面216固定在架250上。定位销252位于架250上并放进孔径板210上的定位孔213中。当载板和谐振器200插入到壳体单元214的槽234中时定位孔确保孔径212与载板202对准。

现参照图七和八，大致由254指示的壳体末端单元适合作为滤波器壳体的第一个或最后一个单元。末端单元254与中间单元214相似，只是具有一些下述的修改以使之适于用作滤波器壳体的两端。与中间单元214的部件相同的末端单元254的每个部件标为中间单元部件的参考标号。

末端单元254具有一个衬垫256，由导电材料制作，优选的是铜，由螺栓258固定在末端单元上。在套垫256的外部是一个同轴管形连接器260，该连接器把电磁信号传送到或传送出滤波器。连接器260的外层与衬垫256是电接触的，而连接器260的内引线262与衬垫260绝缘并穿过衬垫256。在穿过衬垫256之后，内引线262在靠近环路一端与环路263接触，环路263的另一端与衬垫256的内部相连。穿过环路263的信号由此耦合到谐振器200。通过卸下螺栓258，可以取下衬垫256以便于调节环路263。

另外对于盖板245，末端单元254具有通过螺栓246和铟焊料固定到外表面222上的盖板264。盖板264用于覆盖位于单元器壁215中的开孔，这样其它设备可以连接或者穿过末端单元254。例如，可能希望用氦气来增加滤波器壳体的内部压力，以提高到谐振器的导热性，同时阻止制冷液体，例如液氮，进入滤波器壳体的腔223，并防止对谐振器200电学特性的干扰。因此氦耦合可以在盖板264区域穿过单元器壁215。各种监控设备还可以由盖板264覆盖的孔插入到单元中以测量滤波器性能或工作特性。

末端单元254的一边以对中间单元所采用的上述方式与另一个单元相连接。末端单元254的上表面216利用螺栓226与另一单元的下表面218相接(图7)，螺栓226穿过凸缘234并用螺帽266固定。图七中的末端单元254的下表面218不与另一个单元相接，而是与大致由268指示的端板(图九)相接。端板268具有环绕内部分272的外缘270。孔274沿外缘270间隔分布，这样螺栓226可以穿过这些孔由螺帽固定(未示出)。端板268的内部分272偏离外缘270，这样内部分272的边缘将与末端单元254的架250接触，同时外缘270与下表面218接触。在滤波器壳体的另一端，第二端板268与位于滤波器壳体端部的末端单元的上表面216以类似的方式接触，即与端板268和下表面218的连接方式相似。同样地，第二末端单元在其下表面218与相邻单元上表面216相接。两个端板都可以使用铟焊料来密封末端单元。

现参照图十一，组合式滤波器276具有由三个单元组成的壳体：中间单元214和两个末端单元254。中间单元214和各个末端单元254包含一个由载板202固定在单元上的谐振器200。当组合式滤波器组装好时，电磁信号通过同轴连接器260传入衬垫256以耦合到在一个末端单元254内的谐振器中。然后，信号穿过耦合板210到达中间单元214的谐振器200。信号继续穿过第二耦合板210到达末端单元254的谐振器200，并通过另一个同轴连接器260传出。一旦滤波器组装好后，调节调谐盘244可使谐振器调谐到预定的滤波特性，这在本领域是众所周知的。如果谐振器200包含超导材料，滤波器276必须在调节全部完成后浸入超冷液体中，例如液氮。如不使用液氮，滤波器可以放置在低温制冷机中，例如由APD Cryogenics of Allentowb，Pennsylyania制造的CryoTiger。滤波器276设计得很容易密封，这样不会有超冷液体进入滤波器内部，同时以允许拆卸各个单元以便于维护和添加单元。滤波器276的单元、耦合板和端板可以由各种导电材料制作，但优选地是由镀银的铝制作。

尽管组合式滤波器276只示出了三个单元，仍然可以添加更多的单元以把滤波器特性调节到期望值，这在本领域是众知的。增加单元可以在单元相互分离开的条件下，通过把装有谐振器200的附加中间单元214插入到滤波器中间来完成。可用于组合式滤波器276的超导谐振器具有极低的插入损耗，因此在给定的滤波器中可以使用多个谐振器而不会使输出信号衰减到不能承受。模块化壳体276的一个主要优点是它可以方便地通过增加额外的谐振器来获得预期的滤波器特性。

根据本发明原理构造的滤波器的滤波特性可以按本领域技术人员孰知的步骤设计。例如，参见，A.I.Azverev的“滤波器分析手册”，威利父子出版社，纽约，1967(A。I。Azverev，“Handbook ofFilter Synthesis”，J。Wiley and Sons，Inc。，New York，1967)。简单地说，设计者首先选择预期的滤波器响应和滤波器类型，然后利用众知的图算法确定所需的谐振器数目。利用(归一化)常规参数k和q的已知图表，可以确定品质因子Q和耦合系数K的需要值。利用已知的解调和调节步骤，把末端谐振器设置为所需的Qs。根据作为谐振器间距的函数的数据列表K，可以确定产生所需K值的谐振器间隔。

参照图十，另一个谐振器278大致成圆筒形，其外表面280、内表面282、上表面284和下表面286共同构成谐振器278的外表面。端面288和端面290相互面对形成间隙292。谐振器固定在载板294上，该载板与在谐振器200中使用的载板202相似。象谐振器200一样，谐振器278具有无任何棱角的圆滑外表面，因此具有如图十三所示的椭圆形剖面。谐振器278还具有谐振器200有关镀层和均匀电磁场的许多优点。谐振器278比谐振器200大，所以谐振器278的壳体必须比谐振器200的壳体大，但是在其它方面可以是相同的。

前面给出的详细描述只是为了理解清楚，应当认为其中没有多余的限制，因为进行改进对于本领域的技术人员是显而易见的。

Claims (23)

1.一种滤波器，包括：

一个在其内部具有腔的壳体；

一个安装在壳体腔内的裂环谐振器，该谐振器具有一个外表面，一个第一端面和一个第二端面，外表面是圆滑的，第一和第二端面相互面对而形成间隙；和

使电磁能量穿过壳体耦合到谐振器的装置。

2.如权利要求1所述的滤波器，其中谐振器具有圆形剖面。

3.如权利要求1所述的滤波器，其中谐振器具有椭圆形剖面。

4.如权利要求1所述的滤波器，其中谐振器包含超导材料。

5.如权利要求4所述的滤波器，其中超导材料包含YBa₂Cu₃O₇薄膜。

6.如权利要求4所述的滤波器，还包含：

一个支撑谐振器的载板；

一个位于壳体内表面、用于插入载板的槽；

一个位于槽的第一端、用于固定载板的销；和

位于槽的另一端的弹簧装置，用于固定载板同时允许载板由于壳体和载板的膨胀或收缩而相对于槽移动。

7.如权利要求4所述的滤波器还包含腔内的导热气体，当壳体放置在低温环境下时，该气体从谐振器向壳体传热以冷却谐振器。

8.如权利要求1所述的滤波器还包括由绝缘材料制作，用来在壳体内支撑谐振器的载板。

9.如权利要求1所述的滤波器，其中壳体包含镀银的铝。

10.如权利要求1所述的滤波器，还包括：

数个壳体单元，每个单元包含一个谐振器；和

把电磁能量从各个谐振器耦合到相邻谐振器的装置。

11.如权利要求10所述的滤波器，其中每个单元包含一个具有上表面和下表面的单元器壁，并在上表面和下表面附近包含用来把该单元和相邻单元或端板可拆卸地相连的装置。

12.如权利要求11所述的滤波器，其中数个单元包括第一末端单元和第二末端单元，第一端板固定在第一末端单元的上表面，第二端板固定在第二末端单元的下表面。

13.如权利要求10所述的滤波器还包含第一末端单元和第二末端单元，其中第一末端单元包含使电磁能量穿过壳体耦合到谐振器的装置，第二末端单元包含使电磁能量穿过壳体耦合出谐振器的装置。

14.如权利要求10所述的滤波器，其中把电磁能量从各个谐振器耦合到相邻谐振器的装置包含在其上带有孔的平板。

15.如权利要求14所述的滤波器，其中壳体单元的表面具有定位销，平板上具有定位孔，定位销插入定位孔以把平板固定在单元上的所需位置。

16.一种组合式滤波器包括：

数个壳体单元，每个单元在上表面和下表面装有连接其它单元的装置，每个单元在其内部具有一个腔；

数个安装在这些单元腔内的谐振器；

使电磁信号穿过单元器壁传到该单元内部谐振器的第一装置；

使电磁信号从第一单元中的谐振器传输到第二单元中的谐振器的第二装置；

和使电磁信号从第二单元中的谐振器传输穿过单元器壁的第三装置。

17.如权利要求16所述的组合式滤波器，其中数个单元包括第一末端单元和第二末端单元，第一端板固定在第一末端单元的上表面，第二端板固定在第二末端单元的下表面。

18.如权利要求16所述的组合式滤波器，其中第二装置包括在其上带有孔的平板。

19.一种滤波器包括：

具有界定一个腔的器壁的滤波器壳体；

由超导材料制作并安装在载板上的谐振器；

位于壳体器壁内表面的用于插入载板的槽；

位于槽的第一端用于使载板固定在槽内的装置；和

位于槽的另一端的弹簧装置，用于固定载板同时允许载板由于热膨胀或收缩而相对于槽移动。

20.如权利要求19所述的滤波器还包括腔内的导热气体，当壳体放置在低温环境下时，该气体使热量从谐振器传输到壳体以冷却谐振器。

21.如权利要求20所述的滤波器，其中壳体放置在超冷液体中，并增加腔内气体的压力以防止超冷液体进入腔内。

22.如权利要求21所述的滤波器，其中导热气体是氦气。

23.如权利要求20所述的滤波器，其中壳体由低温制冷机冷却。

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