專利名稱：諧振器調(diào)諧組件和方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及調(diào)諧電子濾波器，更具體來說，涉及用于使用一個或多個調(diào)諧栓(tuning pin)在較寬的頻率范圍內(nèi)機械地調(diào)諧濾波器的設備和方法。
背景技術：
電子濾波器廣泛用于包括無線通信的多種應用中?，F(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對濾波器性能有嚴格要求。不斷增加的對通信信道的需求則要求對所分配的頻譜縫隙的更有效使用。各種應用日益要求具有精確中心頻率并在帶寬內(nèi)具有高信號吞吐率的非常窄帶的帶通濾波器(如窄至0.05％帶寬)，以及具有精確中心頻率和高抑制的帶阻濾波器。在兩種情況下，濾波器的響應曲線必須具有陡峭的邊緣以便利用最大數(shù)量的可用帶寬而不產(chǎn)生不可接受的串擾水平。濾波器還必須有較高質(zhì)量因數(shù)——或Q因數(shù)——(例如5000或更高)來最小化信號衰減。
已經(jīng)使用多種調(diào)諧裝置來獲得精確的濾波器中心頻率。例如，被轉讓給Conductus有限公司的美國專利第5,968,876公開了使用一個具有超導、電介質(zhì)或磁調(diào)諧端的彈簧式調(diào)諧栓來調(diào)諧一個諧振器的諧振頻率。通過調(diào)節(jié)所述調(diào)諧端到諧振器的距離來調(diào)節(jié)諧振頻率。這樣的調(diào)諧機制一般被用來保持濾波器的中心頻率而不是實際上改變中心頻率，因為在保持其他性能參數(shù)的同時所獲得的中心頻率的范圍一般是非常小的。例如，對于在美國專利第5,968,876中公開的那類調(diào)諧設備，調(diào)諧端一般被設計成向諧振器的行進不超過5mm。對于850MHz到1.9GHz數(shù)量級的中心頻率，調(diào)諧范圍通常是幾兆赫茲。
本文公開的本發(fā)明使得濾波器的寬范圍調(diào)諧成為可能，以適用于廣泛的應用。

發(fā)明內(nèi)容
一般來說，本發(fā)明提供了調(diào)諧組件及方法，用于在保持諧振器和濾波器性能的同時在較寬的頻率范圍內(nèi)精確地機械調(diào)諧平面諧振器和濾波器。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，調(diào)諧組件包括調(diào)諧端和調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器被設置并適于在距諧振器或其一部分的充足距離范圍內(nèi)移動所述調(diào)諧端，以便在至少0.01％或更小的一個增量內(nèi)改變諧振器的諧振頻率至少未調(diào)諧頻率的10％。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)內(nèi)使用調(diào)節(jié)器和位置傳感設備來控制調(diào)諧端的位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，調(diào)諧濾波器的方法包括在距諧振器的充足距離范圍內(nèi)移動調(diào)諧端，以便在至少0.01％或更小的一個增量內(nèi)改變諧振器諧振頻率的至少約10％。


通過閱讀下面的詳細說明并參照附圖，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點將更為清楚，在附圖中圖1示意地示出本發(fā)明的一個實施方式；圖2示意地示出本發(fā)明的另一實施方式；圖3示意地示出圖2中的一部分調(diào)節(jié)器的細節(jié)；圖4示意地示出用于圖2的調(diào)節(jié)器中的熱隔離器的細節(jié)；圖5示意地示出一個4極點陷波濾波器，在圖6中示出了對它的各諧振器的調(diào)諧結果；圖6示意地示出圖5的陷波濾波器中各諧振器的作為調(diào)諧端移動的函數(shù)的諧振頻率；
圖7示意地示出一個4極點帶通濾波器，在圖8中示出了對它的各諧振器的調(diào)諧結果；圖8示意地示出圖7的帶通濾波器中各諧振器的作為調(diào)諧端移動的函數(shù)的諧振頻率；圖9(a)示出圖7的帶通濾波器的頻率相應；圖9(b)示出圖7的帶通濾波器的頻率相應，該濾波器的中心頻率在十倍于濾波器帶寬的范圍內(nèi)被調(diào)諧；圖10(a)示出圖7的帶通濾波器的頻率相應，該濾波器的中心頻率在3％的范圍內(nèi)被調(diào)諧；圖10(b)更詳細地示出圖10(a)中所示的頻率響應的一部分；圖11(a)示出圖7的帶通濾波器的頻率相應，該濾波器的中心頻率在5％的范圍內(nèi)被調(diào)諧；圖11(b)更詳細地示出圖11(a)中所示的頻率響應的一部分；圖12(a)示出圖7的帶通濾波器的頻率相應，該濾波器的中心頻率在10％的范圍內(nèi)被調(diào)諧；圖12(b)更詳細地示出圖12(a)中所示的頻率響應的一部分；圖13以框圖的形式示出具有根據(jù)本發(fā)明另一方面的反饋控制電路的調(diào)諧組件；圖14a以框圖的形式示出所述反饋控制電路；圖14b以框圖的形式示出具有根據(jù)本發(fā)明另一方面的另一反饋控制電路的調(diào)諧組件；圖15a示意地示出根據(jù)本發(fā)明另一方面的調(diào)諧組件；圖15b是圖15a中所示調(diào)諧組件的分解圖；圖15c示意地示出根據(jù)本發(fā)明一個方面的調(diào)諧調(diào)節(jié)器；圖16a圖示在根據(jù)本發(fā)明的一個方面執(zhí)行自動調(diào)諧之前的濾波器的頻率響應；圖16b圖示在根據(jù)本發(fā)明的一個方面執(zhí)行自動調(diào)諧之后的所述同一濾波器的頻率響應，其調(diào)諧前的頻率響應示于圖16a中；圖17示出調(diào)諧至不同中心頻率的4極點陷波濾波器的Q因數(shù)測量結果；圖18a和18b示意地示出根據(jù)本發(fā)明的一個方面的4極點帶通濾波器的兩個設置，調(diào)諧組件的調(diào)諧端可被放置在半環(huán)電感器或交叉指狀電容器上方；圖19示意地示出通過在圖18a和18b所示的那類濾波器電路中將調(diào)諧端分別放置在半環(huán)電感器和交叉指狀電容器上方所獲得的調(diào)諧范圍；圖20以框圖的形式示出本發(fā)明的各組件。
本發(fā)明雖易于做各種修改并具有各種替換形式，只有其中的特定實施方式以舉例的方式示于附圖中并被詳細描述。然而應當看到本文中對特定實施方式的描述并不希望將本發(fā)明限制于所公開的具體形式，相反地，本發(fā)明希望包含落在由所附權利要求書確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等效形式及替換形式。
具體實施例方式
本文中描述的本發(fā)明實施方式是用于微波傳輸帶設置中的濾波器和諧振器。在微波傳輸帶設置中，包括導電材料或超導材料的接地面沉積在電介質(zhì)襯底的一個表面上。另一表面摹制有一個或多個諧振器，每一諧振器包括電感和電容性元件。諧振器可以是不同類型，包括如U形(hairpin)諧振器之類的分布式形式和集總元件類諧振器。實踐中的諧振器也可以具有頻率依賴的組件，比如并聯(lián)有一個交叉指狀電容器的半環(huán)電感器，所述電容器位于電感器的環(huán)pf中。本發(fā)明還可實踐為其他的平面濾波器設置。通常依照本發(fā)明，所述調(diào)協(xié)組件包括調(diào)諧端——其可以是沉積在襯底上的超導膜——和適于連接到該調(diào)諧端的調(diào)節(jié)器?；蛘撸{(diào)諧端可以由塊狀超導體構成。調(diào)節(jié)器被設置成在距諧振器的一個距離范圍內(nèi)移動調(diào)諧端。該范圍足夠大以使諧振器的諧振頻率至少可以改變10％。調(diào)諧端的尺寸和形狀被確定以確保諧振器的性能(例如Q)在諧振頻率的整個變化范圍內(nèi)基本上保持。調(diào)節(jié)器還可被設置成以足夠小的步幅在距諧振器的一個距離范圍內(nèi)移動調(diào)諧端，以使得每一步可使諧振頻率變化0.01％或更少。
使用依照本發(fā)明的調(diào)諧組件，在濾波器性能基本保持的同時可以將濾波器的中心頻率至少改變10％。在一個優(yōu)選實施方式中，超導調(diào)諧端精確地位于距諧振器250nm范圍內(nèi)。
圖1中示意地圖示了依照本發(fā)明一個方面的調(diào)諧組件的一般特征。調(diào)諧組件100包括一個調(diào)諧端110。調(diào)諧端110由調(diào)節(jié)器120支撐并可以由它移動。調(diào)節(jié)器120包括驅動器122和連接到驅動器122的移動臂124。調(diào)諧端110被連接到移動臂124。
調(diào)諧組件100被設置成將調(diào)諧端110置于至少一部分濾波器電路的上方，該濾波器電路可以包括幾個諧振器140(圖1中只示出一個)。例如，諧振器140可以是內(nèi)部具有交叉指狀電容器144的半環(huán)電感器142。諧振器可以由摹制在電介質(zhì)襯底150上的超導體構成。調(diào)諧組件100包括至少一個——但一般是多個——調(diào)諧端110。每個調(diào)諧端110可以獨立地向各自調(diào)節(jié)器移動或從各自調(diào)節(jié)器移開。
為了在一個較寬范圍內(nèi)調(diào)諧中心頻率，調(diào)諧端110由超導材料構成。例如，其可以是沉積在電介質(zhì)襯底(諸如鎂氧化物、藍寶石或鋁酸鑭單晶)上的諸如釔鋇銅氧化物(YBCO)之類的氧化物超導體薄膜。其也可以是如YBCO棒或YBCO盤之類的塊狀超導體或其他超導體。發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)，其他方面相同的調(diào)諧組件中，超導調(diào)諧端比電介質(zhì)調(diào)諧端產(chǎn)生寬的多的可調(diào)諧范圍。然而，如以下更詳細的描述，電介質(zhì)調(diào)諧端可以與超導體調(diào)諧端組合使用以獲得較寬頻率范圍內(nèi)的精確調(diào)諧。
驅動器122可以是能夠移動所述移動臂124的各類設備。驅動器122還可以是電信號控制設備。例如，驅動器122可以是可由計算機控制的步進馬達。也可以使用如線性伺服馬達和壓電調(diào)節(jié)器之類的其他設備。
當需要時，可以使用齒輪以使調(diào)諧端線性運動。例如，可是用蝸輪來前送或拉回移動臂124和調(diào)諧端110。
每一調(diào)諧端110被設置成位于諧振器140(例如半環(huán)142和交叉指狀電容器144的組合)的至少一部分上方。當調(diào)諧端離諧振器140足夠近時，諧振器140的諧振頻率受調(diào)諧端影響。因此，諧振器140的諧振頻率依調(diào)諧端和諧振器140間的距離而變化。調(diào)節(jié)器有足夠的范圍來移動調(diào)諧端以將諧振器140的諧振頻率至少改變例如約3％、5％和10％。發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)，通過將調(diào)諧端移動至距諧振器非常小的各個距離(例如250nm內(nèi))可以獲得如此寬范圍的調(diào)諧而不顯著降低諧振器的Q因數(shù)。已經(jīng)可以獲得50％的調(diào)諧范圍，并且應該能夠獲得大得多的范圍。
調(diào)節(jié)器還需足夠精確，以使得可以通過移動調(diào)諧端進而使諧振器140的諧振頻率的改變小于0.01％的諧振頻率增量。例如，對Picomotor8321-V調(diào)節(jié)器(可從加州圣何塞的New Focus有限公司購得)來說，其最小步幅＜30nm，對應于在900MHz附近小于10KHz的頻率增量。如以下更詳細的描述，也可以采用其他設備和方法來獲得精確調(diào)諧。
調(diào)諧端優(yōu)選地位于諧振器電流密度最高部分的上方。一般來說，這要求將調(diào)諧端置于電感器上方。如圖19中所示，如果超導調(diào)諧端位于電感器而不是電容器的上方，則對于移向諧振器的每一增量可以獲得更大的中心頻率的改變。
調(diào)諧端的形狀和尺寸被確定以在整個所希望的諧振頻率范圍內(nèi)保持諧振器140的Q因數(shù)。據(jù)信Q因數(shù)的衰減主要由通過邊緣場的輻射能量損失引起。要在整個調(diào)諧范圍內(nèi)保持Q因數(shù)，則使調(diào)諧端至少和電感器142同樣大小是有利的。其他因素可能會限制調(diào)諧端100的尺寸。例如，調(diào)諧端100的大小通常認為不應大于諧振器140，否則調(diào)諧端100將與諧振器140附近設備的操作嚴重交疊和干擾。因此，通常希望調(diào)諧端與其下方的電感器的底座具有大致相同的尺寸和形狀。例如，對于包括其中具有交叉指狀電容器的方形半環(huán)的諧振器，通常希望具有和該半環(huán)近似尺寸的方形調(diào)諧端。
在操作中，調(diào)節(jié)器120將調(diào)諧端110向前送向諧振器140，或將調(diào)諧端110拉離諧振器140，由此改變諧振器的諧振頻率。對于多極點濾波器的情況，各諧振器被集中調(diào)諧以改變?yōu)V波器的頻率特性。在整個頻率改變范圍內(nèi)，濾波器的Q因數(shù)被保持在約10,000或更高。
在圖2和3中示意地圖示的本發(fā)明的說明性實施方式中，用于具有四個諧振器的濾波器250的調(diào)諧組件200對每個諧振器包括一個調(diào)諧子組件。調(diào)諧組件200和濾波器250一起固定安裝在真空容器(未示出)中。每個子組件包括調(diào)諧端210和調(diào)節(jié)器220。每個調(diào)節(jié)器220是真空兼容直流千分尺伺服馬達包(產(chǎn)品型號M-227.25，可從PolytecPI購得)中的四個伺服馬達之一。該伺服馬達包還包括用作各伺服馬達與計算機的接口的四通道控制板(未示出)，其用來控制馬達軸222的移動。每個伺服馬達220可以以60nm的精確度在約2.5mm的距離上移動軸222。
每個非旋轉式的軸222構成移動臂224的部分。移動臂224的剩余部分包括連接到軸222的熱隔離器226、滑動栓推板228和滑動栓組件230(230a-230d之一)。
特別參照圖3，滑動栓組件230包括滑動栓232、套管234和偏動簧片236。滑動栓232在其一端連接到調(diào)諧栓210并在另一端形成一個凸緣238。套管234套住滑動栓232并基本上限制滑動栓232沿它們的共同軸滑動。偏動簧片236位于套管234的凹陷處和凸緣238之間并當調(diào)諧組件200被安裝在待調(diào)諧的濾波器上方時將調(diào)諧端210偏離諧振器。
滑動栓組件230的各元件可由任何適合的材料制成。為工作于低溫——即超導體濾波器和調(diào)諧端的設計工作溫度(例如對特定氧化物超導體來說是60-70K)，各元件由允許元件在該溫度下執(zhí)行其所希望的功能的材料制成。例如，彈簧238和套管234可由鈹銅合金或其它在低溫下保持充分彈性的材料制成?；瑒铀捎刹讳P鋼、鋇銅合金及其他適合的材料制成。
再參照圖2并更詳細地參照圖4，熱隔離器226被設計成允許調(diào)諧端210工作于低溫，同時允許各伺服馬達工作于非低溫。在示例性實施方式中熱隔離器226是切除大部分壁的不銹鋼管。剩下的不銹鋼窄帶227提供移動臂224的結構完整性和沿移動臂224的高抗熱性。也可使用其他材料和形狀的熱隔離器。
在示例性實施方式中，滑動栓推板228由不銹鋼制成，但也可以用任何適合低溫的材料制成。每個推板在熱隔離器226和滑動栓組件230間延伸并可容納兩者間未對準之處。例如，在圖2中所示的示例性實施方式中，滑動栓組件230a-d被安排成線性陣列，而各伺服馬達軸被束成2×2的方形矩陣。因此，一些推板(例如228b和228c)橫向伸展以分別連接在熱隔離器226b、226c和滑動栓組件230b、230c之間。
在所述示例性實施方式中，調(diào)諧組件200以下面的方式被安裝在濾波器250的上方濾波器250被封裝入黃銅罩252中，該罩被安裝在由黃銅制成的冷卻臺260上。也可使用鈹銅合金罩或冷卻臺。在冷卻臺260上還安裝有如環(huán)氧浸漬玻璃纖維(G10，可從多種來源獲得)之類的絕緣體制成的絕緣框270。調(diào)諧組件200安裝在黃銅框280上，該黃銅框280又安裝在絕緣框270上。移動臂224穿過黃銅框280和絕緣框270伸向濾波器250。滑動栓組件的套管234通過在罩252上的各個開口安裝在罩252上?；瑒铀?32穿過套管234和罩252上的開口。調(diào)諧端210從而位于濾波器250的諧振器的上方。
在操作中，濾波器250和調(diào)諧端210被低溫制冷器通過冷卻盤260和罩252冷卻至低溫。當伺服馬達將其軸向諧振器驅動時，相應的滑動栓232及相應的調(diào)諧端210被逆著偏動簧片236的偏壓推向諧振器。當伺服馬達將其軸驅離諧振器時，相應的偏動簧片236伸展并將滑動栓232和調(diào)諧端210拉離諧振器。
使用圖2、3和4中圖示的調(diào)諧組件來改變圖5簡示的四極點陷波濾波器500中的各諧振器的諧振頻率。濾波器500由摹制在鋁酸鑭襯底上的YBCO制成。半環(huán)電感器510的尺寸近似為3mm×3.4mm。每個近似為平方5mm的方形YBCO調(diào)諧端被面對面地置于半環(huán)電感器510和交叉指狀電容器520的組合上方。
各伺服馬達由一臺計算機控制，該計算機被編程以與所述伺服馬達包的控制板連接并在一個查找表中存儲伺服馬達的不同位置。該查找表通過僅僅取回所存儲的調(diào)諧參數(shù)來啟用諧振器頻率的簡單切換?；蛘撸梢源鎯碜孕蔬\行的最佳擬合曲線的參數(shù)并且可以稍候使用這些參數(shù)來計算所需要的調(diào)諧參數(shù)。
如在圖6的各頻率對調(diào)諧端運動曲線中所示，圖5中所示的濾波器具有約10MHz的未調(diào)諧帶寬(即調(diào)諧端離諧振器足夠遠以致對諧振器的諧振頻率基本上沒有影響)以及約835MHz的中心頻率(相對移動＝0)。當各調(diào)諧端被移向其各自諧振器時，諧振頻率增加。在各伺服馬達的機械范圍(2.5mm)內(nèi)，諧振器的諧振頻率可以以10％或更高的因子改變。例如，通過將諧振器上方的調(diào)協(xié)端前送#1約0.8mm、#2約1.2mm、#3約1.7mm、#4約1.7mm，諧振頻率被調(diào)協(xié)至約890和900MHz之間。
類似的一組措施也實施在圖7中示意地示出的四極點帶通濾波器700上。該濾波器包括四個諧振器，其中每一個包括一個包含交叉指狀電容器720的半環(huán)電感器710。該濾波器還包括不同電容性極板730用于在諧振器和接地面間進行耦合。另外，未調(diào)諧諧振器的諧振頻率在830和840MHz之間。如圖8中所示，諧振器的諧振頻率隨著調(diào)諧端向諧振器的前送而增加?？梢垣@得達到約10％的頻率改變范圍。
圖7中示意地示出的四極點帶通濾波器由圖2、3和4中所示類型的調(diào)諧組件調(diào)諧，其調(diào)諧范圍是該濾波器帶寬的十倍。如圖9(a)中所示，該濾波器帶寬約為1.3MHz，初始中心頻率約在839MHz。隨后該濾波器調(diào)諧10個增量以增加其中心頻率，其中每個增量約為該濾波器的帶寬，即約1.3MHz。該濾波器在十個不同的中心頻率處的頻率響應的組合曲線示于圖9(b)中。最大頻率改變范圍約為13MHz，或者約為初始中心頻率值的1.5％。很明顯，當調(diào)諧組件掃過各頻率步時，初始的低返回和插入損耗得到保持。在第一次頻率掃描的每一步增加之后，伺服馬達的位置被存儲以用于未來的使用。隨后通過從所述查找表中重載適當?shù)乃欧R達位置而可靠地再生所述濾波器的中心頻率。
如圖10-12中所示，使用相同的四極點帶通濾波器調(diào)諧組件來分別產(chǎn)生3％、5％和10％的中心頻率改變。在前面的例子中，該濾波器帶寬約為1.3MHz，初始中心頻率為839MHz。在中心頻率改變3％的情況下，該濾波器被調(diào)諧以將其中心頻率增加至約864MHz。在圖10(a)中參見被上調(diào)的濾波器的頻率響應曲線，以及在圖10(b)中參見濾波器在其最初和最終頻率處的組合頻率響應曲線。
在中心頻率改變5％的情況下，所述濾波器于是被從839MHz調(diào)諧至約889MHz，或調(diào)高50MHz。在圖11(a)中參見被上調(diào)的濾波器的頻率響應曲線，以及在圖11(b)中參見濾波器在其最初和最終頻率處的組合頻率響應曲線。
最后，在中心頻率改變10％的情況下，所述濾波器被從839MHz調(diào)諧至約923MHz。在圖12(a)中參見被上調(diào)的濾波器的頻率響應曲線，以及在圖12(b)中參見濾波器在其最初和最終頻率處的組合頻率響應曲線。上面圖示的結果已被證明是可以再生的，而與調(diào)諧的方向無關。
依照本發(fā)明的調(diào)諧組件在保持高濾波性能的同時獲得了寬的調(diào)諧范圍。作為一個例子，如圖17所示，四極點陷波濾波器被手動地在達到其中心頻率的19％的范圍內(nèi)調(diào)諧。而在此范圍內(nèi)該濾波器的Q因數(shù)保持在30,000以上。
依照本發(fā)明的另一方面，如圖13中示意地示出，調(diào)諧組件1300還包括反饋控制電路1330。反饋控制電路1330測量濾波器1350的諸如頻率響應之類的特定參數(shù)1340，并基于測量值和指示所希望的濾波器參數(shù)(如中心頻率)的參考信號1370來向調(diào)節(jié)器1320輸出控制信號1360。每個諧振器的調(diào)節(jié)器1320響應于信號1360移動各自的調(diào)諧端1310。這一過程持續(xù)，直到對濾波器中的每個諧振器達到所希望的諧振頻率。
如圖14(a)中示意地示出，反饋控制電路1330包括用來測量濾波器參數(shù)的輸入模塊1332。輸入模塊1332可以復雜如完整的網(wǎng)絡分析器或者簡單如固定的掃描電路，這取決于應用的需要。例如，對于裝運前的濾波器校準，可以使用帶有網(wǎng)絡分析器的控制電路；對于實地應用，可以使用更簡單的輸入模塊。
所述反饋控制電路還包括控制器1334，其可以是處理器或被編程以執(zhí)行所希望的控制功能的計算機。如果需要，控制器1334指示輸入模塊1332測量濾波器的參數(shù)并響應于測量值和參考信號1370輸出控制信號1360。
如圖14(b)中示意地示出，調(diào)諧端1310的移動也可以由反饋控制系統(tǒng)完成。控制系統(tǒng)1400包括如處理器或計算機1410之類的控制器，該控制器從調(diào)諧端位置傳感器1420得到輸入，這在下面的各例子中更詳細地描述。控制器基于位置設定指令1430驅動調(diào)節(jié)器1320。調(diào)節(jié)器1320移動調(diào)諧端1310，藉此調(diào)節(jié)(1440)諧振器頻率。
依照本發(fā)明的另一方面，可以獲得自動調(diào)諧。使用網(wǎng)絡分析器來測量四極點陷波濾波器的頻率響應。該網(wǎng)絡分析器的輸出被計算機使用來計算用于驅動調(diào)節(jié)器的信號。
根據(jù)下面的因素選擇用于自動調(diào)諧的算法。自動方案應該將人類的調(diào)諧處理的經(jīng)驗形式化。在手動調(diào)諧過程中，操作者從網(wǎng)絡分析器上的未調(diào)諧濾波器輸出開始。手動調(diào)諧的方法是使得反射——或R(f)——在特定頻率范圍內(nèi)盡可能小(在此具體情況下是835-845MHz)，并使得在陷波范圍內(nèi)(845.25-846.25MHz)發(fā)射信號——或T(f)——的值最小。據(jù)此，開發(fā)出下面的自動調(diào)諧算法，該算法作為調(diào)諧參數(shù)的函數(shù)，使用最小化特定泛函的正規(guī)數(shù)學方案。在圖16a和16b中所示的實例中，用變?nèi)荻O管來實現(xiàn)所述調(diào)協(xié)，但該算法同樣適用于本發(fā)明的機械調(diào)諧。該算法包括以下步驟1.計算機從網(wǎng)絡分析器獲得全濾波器帶(f0，f1)中的反射和發(fā)射信號值和所有調(diào)諧電極的某一開始位置。
2.用下列規(guī)則構造函數(shù)Φ(v1，v2，...vi)，其中v1，v2，...vi是各調(diào)諧電極的位置，該規(guī)則為Φ(v1,v2,...,vi)=Σf=f1f=f0F(R(f))+Σf=f1f=f0F(T(f))---(1)]]>其中F()是切斷(cut-off)函數(shù)，其被設計成將網(wǎng)絡分析器的對數(shù)輸出R(f)、T(f)轉換成線性值并切斷非常低的信號值，并借此提高泛函Φ對電極位置的敏感度。在第一階段函數(shù)F()將輸入數(shù)據(jù)變換到線性刻度Rlinear＝10(R-Threshold)/10(2)其中Threshold是切斷級。F(Rlinear)隨后由下面公式計算F(x)＝0，x＜1.0；F(x)＝(x-1.0)2，x＞＝1(3)3.由于泛函Φ(v1，v2，...vi)對任意參數(shù)值估值，它可以是數(shù)學算法的最小化對象。多個數(shù)值最小化算法可被用于此目的。此類算法是眾所周知的，并例如可以在Willliam H.Press等人著的劍橋大學出版社(1996)的“Numerical Recipes in C”中找到。其中測試了兩個算法(1)Id.412-416的方向設定法，和(2)Id.408-412的單向下行法。兩種方法產(chǎn)生類似的最終結果，雖然第二個被認為導致對于所考慮的函數(shù)類的更快收斂。
由于所述算法對獨立變量假定無窮間隔，而各電極的實際位置具有某一間隔[a，b]，所以該算法的替代變量由下面公式計算μi＝Arth((2.0vi-a-b)/(b-a)) (4)，該公式將電極的位置從間隔[a，b]映射到間隔[-∞，+∞]。此算法改變了μ1，μ2，...μi的值，并由下面公式計算各電極的真正位置vi＝0.5(a+b+(b-a)th μi)(5)該公式是等式(4)的逆運算。
4.算法返回到步驟1(除非最小化沒能達到想要的精確度)。在每一步該算法產(chǎn)生一組最小化的函數(shù)Φ的可能值，并且收斂標準是0.5(Φmax-Φmin)/(Φmax+Φmin)＜∈ (6)其中各符號可以自我說明。使用233-MHz PC，整個的調(diào)諧周期大概用時3分鐘。代碼用Microsoft Visual Basic 6.0寫成。
在圖15(a)和15(b)中示意地圖示了依照本發(fā)明的調(diào)諧組件和方法的另一實例。調(diào)諧組件1500包括一個或多個超導調(diào)諧端1510，每個調(diào)諧端連接到移動臂1524，每個移動臂連接到如小型步進線性調(diào)節(jié)器(Lin Engineering部件#LS10N20S-001)之類的馬達驅動1522。馬達驅動1522安裝在一個絕熱框1580上，該框又安裝在基座1560上。高溫超導濾波器1550罩在黃銅罩1552中，該罩也安裝在基座1560上。各調(diào)諧端1510位于濾波器的各諧振器(未示出)上方。調(diào)諧端及其各自諧振期間的距離由馬達驅動1522調(diào)節(jié)。其它類似于圖2和3所示的調(diào)諧組件中所使用的元件可被用來滿足不同的設計因素。例如，沿移動臂1524可以包括熱隔離器來允許驅動馬達工作在非低溫下，而同時保持濾波器1550工作在低溫下。
此外，調(diào)諧組件1500包括傳感器組件1590，該傳感器組件測量調(diào)諧端1510的位置或運動。測量調(diào)諧端的位置或運動方便了調(diào)諧端1510的閉環(huán)反饋控制。這類控制通常比僅僅依靠馬達驅動的規(guī)定的、或甚至校準的步進距離更為精確，因為馬達驅動的機械特性可能由于各種原因而隨時間改變。
本示例性實施方式中的傳感器組件包括一個或多個光學(包括紅外波長)傳感器1592，但是可以附加地或替換地包括其他適當?shù)膫鞲衅?，如磁性傳感器或電容性傳感器。光學位置傳感器是眾所周知的。在本示例性實施方式中，每個光學傳感器包括如發(fā)光二極管(LED，Honeywell/Microswitch部件#SEP8706-003)之類的發(fā)光器，以及如光電二極管或光電晶體管(Honeywell/Microswitch部件#SDP8406-003)之類的光接收器?？梢砸愿鞣N方式測量調(diào)諧端位置，包括——但不限于——直接讀取(發(fā)光器移向或移離接收器)、光束路徑遮斷(擋板相對于發(fā)光器/接收器對移動)或者反射(反射器相對于發(fā)光器/接收器對移動)。本示例性實施方式中的傳感器組件是反射型，其中一個反射器(或傳感標志)1596連接到——或集成到——移動臂1524。見圖15(c)。從而可以基于從發(fā)光器到接收器中的光束的反射來測量調(diào)諧端1510的位置。所檢測到的調(diào)諧端的位置或移動可被顯示或被用作到馬達驅動控制器的輸入，所述控制器前送或拉回調(diào)諧端直到調(diào)諧端位于所想要的位置。
依照本發(fā)明，也可以以其它方式獲得濾波器的精確的、寬范圍的調(diào)諧。例如，如圖18(a)中所示，濾波器1800可以包括諧振器1810，其中交叉指狀電容器1830在半環(huán)電感器1820的外部而不是如上所述的內(nèi)部。該濾波器在相鄰諧振期間還包括耦合元件1840。如圖18(b)中所示，濾波器1850還可以具有諧振器1860(其中半環(huán)電感器1870和交叉指狀電容器1880的位置與圖18(a)中的相反)和與圖18(a)中類似的諧振器間耦合元件1890。調(diào)諧組件可被設置成將調(diào)諧端置于半環(huán)電感器1820、1870或交叉指狀電容器1830、1880的上方以獲得寬范圍的調(diào)諧。本發(fā)明的發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)，如圖19中所示，通過將調(diào)諧端置于半環(huán)電感器上方所獲得調(diào)諧范圍比將其置于交叉指狀電容器上方更寬。
在諧振器的兩個或多個不同部件中調(diào)諧該諧振器的能力提供了在較寬頻率范圍內(nèi)精確調(diào)諧濾波器的另一方式。再舉圖18(a)中的濾波器1800為例，用于粗調(diào)的第一調(diào)諧端可被置于半環(huán)電感器1820的上方，而用于微調(diào)的第二調(diào)諧端可被置于交叉指狀電容器1830的上方。第二調(diào)諧端可以是超導體或電介質(zhì)材料。電介質(zhì)調(diào)諧端比起超導體調(diào)諧端產(chǎn)生較小的調(diào)諧范圍。因此，電介質(zhì)調(diào)諧端可被用于微調(diào)。由于從交叉指狀電容器得到的調(diào)諧范圍比從電感器得到的要小，所以在使用第一調(diào)諧端將中心頻率調(diào)諧到第二調(diào)諧端的范圍內(nèi)之后，可使用第二調(diào)諧端來精確地獲得所想要的頻率。
中心頻率的粗調(diào)可以與濾波器帶寬的調(diào)諧相結合。在此情況下，一個無論是超導材料或電介質(zhì)材料的調(diào)諧端被置于兩個諧振器間的電容器上方。當調(diào)諧端移向或移離該電容器時，諧振器間的耦合強度發(fā)生改變，從而改變了帶寬。對于超導調(diào)諧端，將其移向電容器減小了電容并減小了帶寬。對于電介質(zhì)調(diào)諧端，將其移向電容器增加了電容并增加了帶寬。
另一個粗/微調(diào)方案為每個調(diào)諧端合并了兩個調(diào)節(jié)器。如步進馬達之類的具有較寬范圍的較粗糙的調(diào)節(jié)器上攜帶一個如壓電調(diào)節(jié)器之類的具有較小范圍的更為精確的設備，該設備攜載調(diào)諧端。
另一個粗/微調(diào)方案合并了變?nèi)荻O管以獲得微調(diào)。美國專利申請09/633,592描述了變?nèi)荻O管的使用以調(diào)諧超導濾波器。
因此，依照本發(fā)明的設備和方法提供濾波器的精確、寬范圍的調(diào)諧而不顯著犧牲濾波器的性能。一般來說，使用本發(fā)明，用戶可以指定想要的頻帶或者改變頻帶的事件序列(圖20中的2010)。依照本發(fā)明的設備相應地產(chǎn)生控制信號(2020)并用調(diào)節(jié)器定位調(diào)諧端(2030)。調(diào)諧端的定位設定諧振器的諧振頻率或設定濾波器中不同諧振器之間的耦合(2040)，并借此將濾波器設置成想要的頻帶(2050)。
這些能力比起傳統(tǒng)的濾波器提供了眾多優(yōu)點。例如，可在較寬頻率范圍內(nèi)調(diào)諧的濾波器在實地應用中提供了靈活性。當用戶需求改變時或當濾波器的中心頻率隨時間發(fā)生漂移時，終端用戶可以改變?yōu)V波器的中心頻率。用于驅動調(diào)節(jié)器的控制器可被編程來定期檢查濾波器中心頻率并在必要時自動校準濾波器。這樣就降低或消除了特別定購多個具有定制頻率的濾波器或將下線的濾波器送回工廠重新校準的需要。對于濾波器制造商來說，可以制造并準備通用濾波器，并可以根據(jù)用戶定制濾波器的中心頻率以用于快速裝運。濾波器還可被編程來掃描一個頻率范圍或者在一組預定頻率間跳頻以用于商用或軍用的跳頻應用。
由于可以以本領域熟練技術人員所明白的不同但等效的方式修改及實踐本發(fā)明，上面所公開的各具體實施方式
只是用于說明，其中所述不同方式具有本文中教導的好處。此外，除了如下面的權利要求書中所描述的，不希望對本文中所示出的結構和設計的細節(jié)有其它限制。因此明顯地可以對上面所公開的個具體實施方式
作改動或修改，并且設想所有這類改變都落在本發(fā)明的范圍和精神之內(nèi)。因此，本文所尋求的保護在下面的權利要求書中提出。
權利要求
1.用于調(diào)諧諧振器的諧振頻率的調(diào)諧組件，該諧振器包括電容器和電感器，該調(diào)諧組件包括(a)超導調(diào)諧端；以及(b)被連接到該調(diào)諧端并被設置為在距該諧振器的一個距離范圍內(nèi)定位該調(diào)諧端的調(diào)節(jié)器，所述范圍足夠使得該諧振器的諧振頻率至少改變該諧振頻率的約1％。
2.權利要求1的調(diào)諧組件，其中所述調(diào)節(jié)器還被設置為以對應于所述諧振頻率的約0.01％或更少的諧振頻率變化的各個步長改變所述調(diào)諧端和諧振器之間的距離。
3.權利要求1的調(diào)諧組件，其中所述調(diào)節(jié)器包括驅動器和連接在該驅動器和所述調(diào)諧端之間的移動臂。
4.權利要求3的調(diào)諧組件，其中所述驅動器包括電動馬達。
5.權利要求3的調(diào)諧組件，其中所述調(diào)諧端是尺寸至少與所述電感器的底座相同的超導體。
6.權利要求3的調(diào)諧組件，其中所述驅動器被設置為工作在高于所述調(diào)諧端的溫度，并且其中所述移動臂包括位于該調(diào)諧端和該驅動器之間的熱隔離器。
7.權利要求1的調(diào)諧組件，還包括被設置來測量所述調(diào)諧端位置的位置傳感設備。
8.權利要求7的調(diào)諧組件，其中所述位置傳感設備是反射設備。
9.權利要求7的調(diào)諧組件，其中所述位置傳感設備是直接讀取設備。
10.權利要求7的調(diào)諧組件，其中所述位置傳感設備是光束路徑遮斷設備。
11.權利要求7的調(diào)諧組件，其中所述位置傳感設備和調(diào)節(jié)器被應用在一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中，該系統(tǒng)用于控制所述調(diào)諧端和諧振器之間的距離。
12.權利要求1的調(diào)諧組件，還包括用于測量所述諧振器輸出頻率的頻率傳感設備。
13.權利要求12的調(diào)諧組件，其中所述頻率傳感設備和調(diào)節(jié)器被應用在一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中，該系統(tǒng)用于控制所述調(diào)諧端和諧振器之間的距離。
14.用于調(diào)諧諧振器的諧振頻率的調(diào)諧組件，該諧振器包括電容器和電感器，該調(diào)諧組件包括(a)多個調(diào)諧端，所述多個調(diào)諧端中的至少一個包括超導體；以及(b)多個調(diào)節(jié)器，每個調(diào)節(jié)器適于被連接到相應的調(diào)諧端，每個調(diào)節(jié)器被設置成在距該諧振器的一個距離范圍內(nèi)定位其對應的調(diào)諧端。
15.權利要求14的調(diào)諧組件，其中該調(diào)諧組件還包括對應于所述包括超導體的調(diào)諧端的變?nèi)荻O管，該變?nèi)荻O管被設置成在一個頻率范圍內(nèi)改變所述諧振器的諧振頻率，其中由該變?nèi)荻O管改變的該頻率范圍小于由該調(diào)諧端引起的頻率變化范圍。
16.權利要求14的調(diào)諧組件，其中所述多個調(diào)節(jié)器中的第一個被設置成在距所述電感器的一個距離范圍內(nèi)定位其對應的調(diào)諧端，所述多個調(diào)節(jié)器中的第二個被設置成在距所述電容器的一個距離范圍內(nèi)定位其對應的調(diào)諧端，對應于該第一和第二調(diào)節(jié)器的所述調(diào)諧端的至少一個包括超導體。
17.權利要求14的調(diào)諧組件，其中所述多個調(diào)諧端中的至少一個由電介質(zhì)材料制成。
18.用于調(diào)諧濾波器的調(diào)諧組件，該組件包括(a)一個包括超導體的調(diào)諧端；以及(b)一個適于被連接到該調(diào)諧端并被設置成在距該濾波器的至少一部分的一個距離范圍內(nèi)定位該調(diào)諧端的調(diào)節(jié)器，該距離范圍對應于該濾波器的一個帶寬范圍。
19.權利要求17的調(diào)諧組件，其中所述帶寬范圍至少約為所述帶寬的10％。
20.一種可調(diào)諧濾波器，包括(a)具有至少一個諧振器的一個平面濾波器；(b)一種調(diào)諧組件，包括(i)一個調(diào)諧端；(ii)一個適于被連接到該調(diào)諧端并被設置成在距所述諧振器的一個距離范圍內(nèi)定位該調(diào)諧端的調(diào)節(jié)器，所述范圍足夠使該諧振器的諧振頻率至少改變諧振頻率的約1％，該調(diào)諧端被設置成使該諧振器的Q因數(shù)至少保持在10,000。
21.調(diào)諧具有至少一個諧振器的濾波器的方法，該方法包括(a)在距該諧振器的一個距離范圍內(nèi)定位一個調(diào)諧端，該范圍足夠使得該諧振器的諧振頻率至少改變諧振頻率的約1％；以及(b)將該濾波器的Q因數(shù)保持在不少于10,000。
全文摘要
公開了用于在較寬的中心頻率范圍內(nèi)調(diào)諧平面濾波器的設備和方法。所述調(diào)諧組件包括超導調(diào)諧端和調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器被設置并適于在距諧振器或其一部分的充足距離范圍內(nèi)移動所述調(diào)諧端，以便在至少0.01％或更小的增量內(nèi)以未調(diào)諧頻率的至少約10％來改變諧振器的諧振頻率。在所述閉環(huán)反饋系統(tǒng)中可以采用調(diào)節(jié)器和位置傳感器來控制所述調(diào)諧端的位置。調(diào)諧依照本發(fā)明的濾波器的方法包括在距諧振器的一個充足距離范圍內(nèi)移動調(diào)諧端，以便在至少0.01％或更小的一個增量內(nèi)將該諧振器的諧振頻率至少改變約10％。
文檔編號H01P1/20GK1633731SQ02826584
公開日2005年6月29日 申請日期2002年12月27日 優(yōu)先權日2001年12月31日
發(fā)明者瓦萊麗·博爾津奈特, 斯圖爾特·J·伯科威茨, 菲利普·E·布盧門費爾德, 尼庫萊·馬爾采夫 申請人:康達特斯公司