使用两级同轴脉冲管制冷机冷却高温超导滤波器件的方法 发明领域
本发明属于制冷与低温技术领域，特别涉及一种使用两级同轴脉冲管制冷机冷却高温超导滤波器件的方法。
背景技术
高温超导移动通信基站子系统，是特指由高温超导微波器件和小型低温制冷机组成的电子学子系统，用于取代现有移动通信基站中接收机前端的关键部件，如滤波器和低噪声前级放大器等。采用小型低温制冷机冷却高温超导移动通信基站子系统的主要目是为了减小设备尺寸，改善接受机的综合性能，如提高选择性，灵敏度，通话质量，降低功率损耗，以及拓宽覆盖率等。为了减小带外噪声的电磁干扰，改善通话质量，高温超导滤波器件通常与低噪声前级放大器集成在一起使用。高温超导(一般是YBCO，也有采用TBCCO)滤波器是一个被动的器件，它必须冷却到超导转变温度(通常是65～80K，即零下208～193℃)以下，才能正常工作。滤波器通常通过一组同轴电缆与低噪声前级放大器相连。低噪声前级放大器是一个主动器件，它会产生几百毫瓦的热负荷；另一方面，低噪声前级放大器通过一组同轴电缆同真空容器相连，这组同轴电缆也会产生几百毫瓦的热负荷；第三项热负荷来源于制冷机与真空容器表面的热辐射，估计其也有几百毫瓦的量级。当低噪声前级放大器冷却到90～110K(即零下183～163℃)时，其信噪比可以得到大幅度的改善。
高温超导滤波器件的广泛应用依赖于低温系统的发展。近几年来，随着大面积高温超导薄膜制造技术、高性能高温超导无源器件设计、制作技术的进步，移动通信以空前的速度和规模在发展着，形成了巨大的产业，其进一步的发展迫切需要采用机械式制冷方法冷却高温超导滤波器件。采用机械式制冷方法可以增强移动通信基站的抗干扰能力、扩大基站的覆盖面积、增强基站的容量、还可以减少基站和手机的发射功率。
使用机械制冷方法而不是将高温超导滤波器件直接浸泡在低温液体中，一直是低温领域地一个研究重点。目前，国外基本上是采用斯特林制冷机作为高温超导滤波器件的低温冷源。但由于斯特林型制冷机冷头排出器等机械运动部件的存在，它们带来的机械振动及电磁干扰信号对高温超导滤波器件的正常工作输出信号有很大影响。与斯特林制冷机相比，脉冲管制冷机的冷头没有机械运动部件，因而机械构造简单，振动和电磁干扰小，是适合于高温超导滤波器件的理想冷源。中国专利CN 1074525C“一种同轴型脉冲管制冷机”公开了一种具有高效、结构紧凑等特点的单级同轴脉冲管制冷机。但没有涉及同轴脉冲管制冷机与被冷却器件之间的连接方式。
采用单级同轴脉冲管制冷机作为高温超导滤波器件的低温冷源，通常是将高温超导滤波器件和通过同轴电缆与它相连的前级低噪声放大器均安装在单级同轴脉冲管制冷机的冷头上，并被置于一个安装于冷头上的具有高反射率的防辐射屏内。这种冷却方法结构简单、重量轻、操作方便。但是，由于高温超导滤波器、低噪声放大器和防辐射屏均安装在冷头上，需要较大的制冷量，结果功耗较大，制冷机负荷较大，降温时间较长。由于高温超导滤波器的工作温度需要，制冷机的冷头必须工作在65K的制冷温度，但是低噪声放大器和防辐射屏正常工作温度范围为90-110K，所以我们提出了另一种特殊的两级同轴脉冲管制冷机结构，用于冷却高温超导滤波器件及前级低噪声放大器。
发明内容
本发明的目的是结合脉冲管制冷技术的优点和高温超导滤波器件的特点，提出了一种使用两级同轴脉冲管制冷机冷却高温超导滤波器件的方法，该方法可在有效制冷量相同的情况下，压缩机的输入功率减小约35％，热量损耗减小约30％；降温时间短；同时提高了制冷机的运行可靠性，稳定性；结构紧凑，具有较高的机械强度。适合于冷却较大功率的高温超导器件。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的使用两级同轴脉冲管制冷机冷却高温超导滤波器件的方法，其特征在于：(1)所述两级同轴脉冲管制冷机具有工作在不同温度范围的两级冷头，第一级冷头通过具有高导热系数的薄铟片连接第一级冷端低温平台，第一级冷端低温平台的工作温度为90K-110K；每二级冷头通过具有高导热系数的薄铟片连接第二级冷端低温平台，第二级冷端低温平台工作温度为65K-90K；两级冷端平台相互独立，由紫铜制成；第一级冷端平台上安装一具有高反射率材料制做的防辐射屏；
(2)所述高温超导滤波器件包括同轴电缆相连的高温超导滤波器和与高温超导滤波器相连的前级低噪声放大器，高温超导滤波器安装在第二级冷端低温平台上，前级低噪声放大器安装在第一级冷端低温平台上；所述高温超导滤波器、低噪声放大器、第二级冷端低温平台、第二级脉冲管和第二级蓄冷器均置于防辐射屏中。
本发明提供的使用两级同轴脉冲管制冷机冷却高温超导滤波器件的方法，由于所用制冷机为两级同轴脉冲管制冷机，具有以下几个突出优点：
可在有效制冷量相同的情况下，即相当冷却效果的情况下，压缩机的输入功率减小约35％，热量损耗减小约30％；降温时间短；同时提高了制冷机的运行可靠性，稳定性；结构紧凑，具有较高的机械强度。适合于冷却较大功率的高温超导器件。
附图说明
图1为本发明的使用两级同轴脉冲管制冷机冷却高温超导滤波器件的方法及其所使用的两级同轴脉冲管制冷机和高温超导滤波器件的连接示意图；
其中：压缩机1 连接管2 气库3
热端法兰4 第一级蓄冷器51 第一级脉冲管61
第一级冷头71 第一级冷端低温平台81 同轴电缆9、10
真空罩11 防辐射屏12 高温超导滤波器13
低噪声放大器14 第二级蓄冷器52 第二级脉冲管62
第二级冷头72 第二级冷端低温平台82
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步描述本发明。
图1为本发明的使用两级同轴脉冲管制冷机冷却高温超导滤波器件的方法及其所使用的两级同轴脉冲管制冷机和高温超导滤波器件的连接示意图；由图可知，本发明提供的使用两级同轴脉冲管制冷机冷却高温超导滤波器件的方法，其特征在于：(1)所述两级同轴脉冲管制冷机具有工作在不同温度范围的两级冷头，第一级冷头通过具有高导热系数的薄铟片连接第一级冷端低温平台，第一级冷端低温平台的工作温度为90K-110K；每二级冷头通过具有高导热系数的薄铟片连接第二级冷端低温平台，第二级冷端低温平台工作温度为65K-90K；两级冷端平台相互独立，由紫铜制成；第一级冷端平台上安装一具有高反射率材料制做的防辐射屏；
(2)所述高温超导滤波器件包括同轴电缆相连的高温超导滤波器和与高温超导滤波器相连的前级低噪声放大器，高温超导滤波器安装在第二级冷端低温平台上，前级低噪声放大器安装在第一级冷端低温平台上；所述高温超导滤波器、低噪声放大器、第二级冷端低温平台、第二级脉冲管和第二级蓄冷器均置于防辐射屏中。
下面结合图1详细描述本发明：
参见图1，一台线性压缩机1通过连接管2并经过热端法兰4和脉冲管制冷机的第一级蓄冷器51相连；第一级蓄冷器管51和第一级脉冲管61以及第二级蓄冷器52和第二级脉冲管62均采用同轴结构；脉冲管制冷机的第一级冷头71通过具有高导热系数的薄铟片与第一级冷端低温平台81连接，第一级冷端低温平台81由紫铜制成，低噪声放大器14安装于第一级冷端低温平台81上；制冷机的第二级冷头72通过具有高导热系数的薄铟片与第二级冷端低温平台82连接，第二级冷端低温平台82由紫铜制成，高温超导滤波器13安装于第二级冷端低温平台82上；高温超导滤波器13和低噪声放大器14之间由同轴电缆9，10连接；第一级冷端平台81上安装有高反射率的防辐射屏12；第二级蓄冷器52、第二级冷头72、第二级冷端平台82、低噪声放大器14及高温超导滤波器13均置于防辐射屏12内；第一级冷头71工作于约90K的制冷温度，第二级冷头16工作于约65K的制冷温度，可在有效制冷量相同的情况下，压缩机1的输入功率减小约35％，热量损耗减小约30％，同时提高了制冷机的运行可靠性，稳定性；另外，结构紧凑，具有较高的机械强度。