基于可变形高温超导材料的腔体谐振器及滤波器的制作方法

本发明属于超导元器件设计技术领域，涉及高温超导谐振元器件基于所述元器件的滤波器，特别涉及一种基于可变形可弯折高温超导材料的微波腔体谐振器及滤波器。

背景技术：

高温超导谐振器件因其良好的电路特性(如高Q值特性)被广泛应用于国防科技、航空航天以及卫星通信等前沿领域，作为电路元件的基础单元。

随着通信产业的快速发展，各种通信标准同时存在使得频率资源越来越紧张，对于无线通信系统的前端接收设备的要求也越来越高。具体表现是高效的频谱利用率问题，即对具有高选择性、小体积、低成本、设计灵活的射频滤波器有着迫切需求。高温超导技术目前发展已经较为成熟，利用高温超导材料设计的滤波器具有插损小，带边陡峭，矩形系数高的特点，因此已在通信领域被广泛使用。但是，目前普遍使用在微波波段的超导材料为基于单晶衬底的超导薄膜材料，此类材料具有几乎不可变形、加工时容易破碎的不足，通常被用来制作平面型谐振器/滤波器。而作为微波谐振器领域另一常见的元器件-腔体谐振器/滤波器，却难以通过此类基于单晶衬底的超导材料来实现。本申请人曾做过将基于单晶衬底的超导薄膜材料应用到腔体谐振器/滤波器的尝试，从电路性能参数来看，确实带来了很大的突破，但是由于此类超导材料的易碎性，加工难度较大，制作的腔体滤波器由于易碎性的影响，可调整的参数也非常有限。。

可变形高温超导材料(如可弯折的镍基二代高温超导带材)在近年来技术取得了快速发展，目前已能够在电力传输中被商业化使用，并可提高电流传输容量5至10倍，能耗降低三分之二。此类材料的特点是可随意弯折，可加工性强。相对于电力传输的低频领域，将二代超导带材应用到射频、微波及更高频率领域仍然未见尝试或报道。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的超导腔体滤波器加工制造难度大，调谐参数有限等不足，提出了一种利用可弯折高温超导材料制作的微波腔体谐振器及其构成的滤波器。

本发明的技术方案为：基于可变形高温超导材料的腔体谐振器，其特征在于，包括谐振器腔体，可变形高温超导材料以完全覆盖的方式贴附在所述谐振器腔体电路结构表面并相互电连接以形成超导谐振腔。

优选方案，所述可变形高温超导材料之间以导电胶粘接和/或焊接的形式实现电连接。

优选方案，所述可变形高温超导材料为二代高温超导带材。

优选方案，所述谐振器腔体为导体，所述可变形高温超导材料通过导电胶粘接在谐振器腔体相应表面。

优选方案，谐振器腔体设置有调谐结构部，用于向谐振器腔体内部插入调谐结构。

优选方案，所述调谐结构部包括调谐杆和连接部，所述调谐杆可相对于谐振器腔体并指向腔体内部做伸缩调节，所述连接部用于连接调谐杆的一端部和调谐杆对应位置的可变形高温超导材料，用于将调谐杆执行调节时产生的应力传递至可变形高温超导材料，并引起所述可变形高温超导材料的相应形变。

优选方案，谐振器腔体设置调谐结构部的表面粘接可变形高温超导材料时，导电胶涂覆于以调谐杆为中心的外边缘，以使调谐杆周围一定面域S内无导电胶固定。

优选方案，所述面域S的面积不小于谐振器设置调谐杆的内表面面积S₁的1/2。

优选方案，面域S和内表面面积S₁满足如下要求，0.5S₁≤S≤0.9S₁。

优选方案，所述调谐结构部包括凹槽，用于实现，所述调谐杆往腔体外部调节时，可通过连接部带动可变形高温超导材料向腔外凸起，以增加腔体内部空间体积。

优选方案，腔体内部空间体积通过调谐杆调节可实现的最大体积V₁、最小体积V₂和自由状态体积V₀之间的关系满足：V₂＝n₁V₀，V₁＝n₂V₀；其中，0.2≤n₁≤1，1≤n₂≤5。

优选方案，0.2≤n₁≤0.5，2≤n₂≤5。

基于可变形高温超导材料的腔体滤波器，其特征在于，所述滤波器由上述腔体谐振器中的一种或多种耦合形成。

本发明的有益效果：本发明将可变形高温超导材料引入现有的腔体滤波器/谐振器设计中，实现了腔体超导滤波器设计。同时，利用可变形高温超导带材易于加工及不易破碎的特点，设计了可以调整谐振腔内部尺寸的调谐结构和调谐方法，给腔体超导谐振器/滤波器提供了更丰富且更有效的调谐方式，降低了谐振器的设计难度，也降低了对谐振器加工的精度要求。设计电路时通过设置与目标电路频率的差值设计，同时解决了产品在调谐过后的使用稳定性问题。

附图说明：

图1为本发明的基于可变形高温超导材料的腔体谐振器实施例：圆柱形腔体谐振器结构示意图；

图2为图1所示圆柱形腔体谐振器的剖视图；

图3为本发明的基于可变形高温超导材料的腔体谐振器实施例：异形腔体谐振器结构示意图；

图4为本发明的基于可变形高温超导材料的腔体谐振器实施例：同轴腔体谐振器结构示意图；

图5为本发明的基于可变形高温超导材料的腔体谐振器实施例：带调谐腔体谐振器结构示意图。

具体实施方式

本发明的实施例是依据本发明的原理而设计，下面结合附图和以下具体实施例对本发明作进一步的阐述。

实施例1：如图1及图2所示，本实施例的可变形高温超导材料微波腔体谐振器为常规腔体谐振器中的圆柱形腔体谐振器，包括谐振器腔体11，可变形高温超导材料12以完全覆盖的方式贴附在所述谐振器腔体电路结构表面并相互电连接以形成超导谐振腔。

实施例2：如图3所示，本实施例的可变形高温超导材料微波腔体谐振器为异形腔体结构的谐振器，包括谐振器腔体21，可变形高温超导材料22以完全覆盖的方式贴附在所述谐振器腔体电路结构表面并相互电连接以形成超导谐振腔。其中，在谐振器腔体22的主体上具有异形结构部23。异形结构部的设计方式已经在传统的腔体滤波器中得到验证，一方面可以根据安装环境等客观因素确定合适的异形结构，增加实用性；另一方面，异形结构也带来了传统结构难以实现的谐振方式和电路特性，具有重要价值。但是由于传统超导工艺及材料的限制，异形结构的谐振器难以在低成本的前提下引入超导电路。本实施例结合采用的可变形超导材料的独特性能，将异形腔体谐振器与超导相结合，形成了异形腔体超导谐振器。

实施例3：如图4所示，本实施例的可变形高温超导材料微波腔体谐振器为常规腔体谐振器中的圆柱形同轴腔体谐振器，包括谐振器腔体31，可变形高温超导材料32以完全覆盖的方式贴附在所述谐振器腔体电路结构表面并相互电连接以形成超导谐振腔。

在以上实施例中，由于高频的微波具有趋肤效应，当电路通路中具有超导通路时，几乎所有的电流会通过超导通路流过。因此，谐振器腔体主要用于提供超导材料形成电路时的标准电路尺寸，主要起到力学支撑及保护作用，同时还兼具包括提供调谐结构设计在内的其他作用。所述可变形高温超导材料之间优选以导电胶粘接和/或焊接的形式实现电连接。所述可变形高温超导材料为可弯折加工的高温超导材料，比如二代高温超导带材。

优选实施例方案，所述谐振器腔体11(21或31)为导体，可变形高温超导材料可通过导电胶粘接在谐振器腔体相应表面。采用导体作为腔体材质，可以在一定程度上提高电路的性能，具体表现在可辅助解决相互分离的超导电路片之间的连续到点问题，提高其导电的可靠性。

优选实施例：如图5所示，谐振器腔体设置有调谐结构部，用于向谐振器腔体内部插入调谐结构，比如调谐螺钉。在本实施例中，调谐结构部具体包括设置在谐振器腔体41上的腔体内部的圆弧凹槽42，设置在腔体圆弧凹槽42上的调谐螺钉44连接到超导片43上。图中超导片431和超导片432分别是超导片43在调谐螺钉的调谐驱动下的两个调谐位置图示。需要说明的是，作为优选实施例，谐振器腔体可以包括传统的调谐结构，但这里所述的调谐螺钉孔特指设置在谐振器腔体上的调谐螺钉孔，与该孔相对应的超导电路表面并不存在对应的开孔。其主要目的是，通过调节调谐螺钉的插入深度，可以调节该表面上超导片向腔体内部凸起的程度，进而可以改变电路腔体的内部尺寸，实现高效调谐。同时可以设计较大的调整范围，以实现谐振器频率的大范围调节，大范围调节一方面可以对加工误差进行修正，但其主要目的还在于对不同应用场景的适应(对频带的大范围调整，比如调整多个倍频层)。具体设计可以参考以下实施例，谐振器腔体设置调谐螺钉孔的表面粘接可变形高温超导材料时，导电胶涂覆于以调谐螺钉孔位中心的外边缘，以使调谐螺钉孔周围一定面域S内无导电胶固定。考虑到上述结构特征和电路通常对调谐的需求，作为优选，所述面域S的面积不小于谐振器设置调谐螺钉孔的内表面面积S₁的1/2。进一步的，面域S和内表面面积S₁满足如下要求，0.5S₁≤S≤0.9S₁。该范围限定可以有效平衡超导片与腔体结合的结构强度和调谐范围之间的关系，使二者的参数达到最优匹配。即再保证电路强度的前提下提供足够的调谐范围。

优选实施例方案，所述调谐结构部包括调谐杆和连接部，所述调谐杆可相对于谐振器腔体并指向腔体内部做伸缩调节，所述连接部用于连接调谐杆的一端部和调谐杆对应位置的可变形高温超导材料，用于将调谐杆执行调节时产生的应力传递至可变形高温超导材料，并引起所述可变形高温超导材料的相应形变。

所述调谐结构部包括凹槽，用于实现，所述调谐杆往腔体外部调节时，可通过连接部带动可变形高温超导材料向腔外凸起，以增加腔体内部空间体积。也就是说，所述凹槽为谐振器墙体体积调大提供了空间。

优选实施例方案，腔体内部空间体积通过调谐杆调节可实现的最大体积V₁、最小体积V₂和自由状态体积V₀之间的关系满足：V₂＝n₁V₀，V₁＝n₂V₀；其中，0.2≤n₁≤1，1≤n₂≤5。以此实现同一谐振器可在较宽频率范围内做出调整，以适应不同的需求。优选实施例方案，0.2≤n₁≤0.5，2≤n₂≤5。

基于可变形高温超导材料的腔体滤波器，其特征在于，所述滤波器由上述腔体谐振器中的一种或多种耦合形成。显然，所述谐振器之间的耦合方式并不构成对本发明滤波器方案的限制。

基于本发明实施例的设计，本发明的谐振器包括但不限于矩形腔体谐振器、圆柱形腔体谐振器和同轴腔体谐振器等。而对于异性腔体谐振器(形成谐振器的腔体电路表面为非平面的异形结构)，本发明的方案优势更为突出，因为本发明的可变形高温超导可通过弯折/弯曲处理或者模具冲压成型形成各种复杂的曲面和/或异形结构，属于本发明的优选实施例方案。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。