用非对称谐振器最小化互调的方法和装置 本申请作为PCT国际专利申请提交，申请人是美国国家的公司Conductus，Inc.，该申请人是2003年2月19日对于除了美国外的所有的国家的指定的申请人。
【技术领域】
本发明总体上涉及用于电信号的滤波器，更具体地涉及最小化窄带滤波器中的互调，而且更具体地涉及用非对称谐振器控制来自空中传输信号的互调的方法和装置。
背景技术
窄带滤波器对通信行业特别有用，并对利用微波信号地无线通信系统特别有用。当前，无线通信在相同的地理区域中具有两个或多个服务提供商在各自的频带上运行。在此情况下，重要的是来自一个提供商的信号不与其他的提供商的信号相干扰。同时，分配频率范围内的信号吞吐量应该具有很小的损失。
在单一的提供商的分配的频率内，期望通信系统能够处理多个信号。可以利用几种这样的系统，包括频分多址(FDMA)，时分多址(TDMA)，码分多址(CDMA)，和宽带CDMA(b-CDMA)。使用前两种多址的方法的提供商需要滤波器以在多频段中划分他们分配的频率。可替换地，CDMA运营商也可以把频率范围划分成频段而获得利益。在此情况下，滤波器的带宽越窄，可以放置信道越靠近。因此，以前已经有努力来构造很窄的带通滤波器，优选具有小于0.05％的比例带宽。
对于电信号滤波器的另一个考虑是总尺寸。例如，随着无线通信技术的发展，小区尺寸(例如单一基站运行所在的区域)将变得小得多——可能覆盖仅仅一个街区或者甚至一个建筑物。作为结果，基站提供商将需要购买或租用站的空间。由于每个站需要许多独立的滤波器，在此环境中滤波器的尺寸变得越来越重要。因此，希望最小化滤波器尺寸，同时实现具有很窄的比例带宽高质量因子Q的滤波器。
然而，随着滤波器尺寸变小，出现缺点。例如，可以通过电路处理的功率量减少。此外，随着频率增加，由于趋肤效应横截面电流密度(运载导体的电流中)的均匀性降低。对于平面微带型电路，代替均匀电路密度(例如，出现在d.c.电流中)，在导体的边缘上电流是最高的。由于导体具有受限的横截面部分，这也容易提高导体中的平均电流。
在高温超导(“HTS”)环境中，如果电流密度达到接近HTS设备中存在的它的临界电流密度，则该HTS设备表现出非线性。因此，期望把电流密度良好地保持在临界电流水平之下。然而，在其中需要小的滤波器尺寸的该类型环境和当带外干扰信号很强时，则HTS的非线性特性可以产生带内高电平的互调信号以至于使得信道不可用。该非线性由于干扰信号产生HTS设备中很高的电流密度而产生。
因此，需要方法和装置来通过创建滤波器控制互调，该滤波器能够过滤大的带外干扰信号。
【发明内容】
本发明提供方法和装置，该方法和装置通过创建非对称谐振器在滤波空中传输信号的电路中控制互调。通过创建非对称谐振器，来自带外信号的互调被减少，同时保持滤波器尺寸相对没有变化。通常，通过降低谐振器中的电流密度来减少互调(例如，以保持谐振器的电特性的线性)。通过创建较大的谐振器可以实现降低电流密度。然而，本发明利用谐振器中的电感元件经受最大的电流改变的原理。因此，当较大的谐振器可以被创建以应付增加的功率信号时，在本发明中，改变电感的尺寸以便适应较大的功率。
本发明附加的特征在于不是每个滤波器的电感元件需要被放大。应该理解的是，对于带外信号，多数的这些信号通过前两个谐振器被反射返回一第一个反射主要部分。可以忽略的功率到达前两个谐振器之外的谐振器。因此，只有第一个(或第一个和第二个)谐振器需要被增加尺寸。
本发明的另一个特征是布置滤波器的物理顺序。概括地说，对于具有串联在一起的包括带通滤波器的多个元件的通信或微波系统，首先应该放置带通滤波器。这种安排能拒绝任何带外干扰信号以防止它们到达系统中的其他元件(例如带阻滤波器)。因此，首先布置具有带通滤波器的元件能防止(或有效减少)由于带外干扰信号而引起的这些元件产生的互调。
可以使用该布局的优选实施例是在陷波滤波器安排的情况下。在现有技术中，信号首先被加到陷波滤波器和接着到带通滤波器。然而，因为带通滤波器把大部分的信号通过陷波滤波器发射回，该物理顺序导致陷波滤波器中的高电流密度和产生的非线性。因此，本发明优选包括滤波器的物理安排，其中首先是带通滤波器和第二是带阻滤波器。
在优选实施例中，本发明结合使用L-C元件的窄带通滤波器来使用。例如，具有连接在电感每端上的分路电容的电感。尽管该滤波器环境和它的拓扑结构被用于描述本发明，但使用该环境是通过示例的方式，而且本发明可以在其它的环境(例如，具有集中的或分布设备的其他的滤波器设备)中利用。此外，通过示例的方式在此使用了通信环境和无线拓扑。本发明的原理也可以用于其它的环境。因此，这些例子不会被当作对本发明的限制。
因此，根据本发明的一个方面，提供用于电信号的滤波器，包括：第一谐振器，第一谐振器包括具有第一传导路径宽度的第一电感元件和第一电容元件；第二谐振器，电连接到第一谐振器，包括具有小于第一传导路径宽度的第二传导路径宽度的第二电感元件和第二电容元件；以及其中安排和配置第一传导路径宽度以为第一电感元件中电流提供额外的表面积和减少第一电感元件的电流密度。
根据本发明的另一个方面，提供用于滤波空中传输信号的HTS滤波器设备，包括：多个L-C滤波器元件，每个所述的L-C滤波器元件包括电感器和与电感器并联的电容器，多个插在L-C滤波器元件之间的Pi电容元件，和其中至少一个电感器元件被安排和配置具有大于其他电感元件的表面积以便最小化临界电流，由此保持HTS滤波器设备的线性。
根据本发明的另一个方面，提供保持暴露于带外信号的HTS滤波器的线性的方法，包括步骤：并联连接第一电感和第一电容以形成第一谐振器；并联连接第二电感和第二电容以形成第二谐振器；串联电连接第一和第二谐振器；和选择第一电感并增加第一电感的传导路径的表面积以最小化临界电流，借此保持HTS滤波器设备的线性。
此外，如前面段落所述可以实现本发明并进一步包括步骤，并联连接第三电感和第三电容以形成第三谐振器，串联第二谐振器的下行电连接第三谐振器；和选择第二电感器并增加第二电感器传导路径的表面积以最小化临界电流，借此保持HTS滤波器设备的线性。
本发明的另一个方面提供用于电信号的级联元件滤波器，包括：第一带通滤波器，安排和配置带通滤波器物理的首先接收电信号，在带外信号被发送到滤波器中之前带通滤波器反射带外信号；和第二级联元件，电连接到第一带通滤波器，和带通滤波器的下行，其中到达第二级联元件的带外信号被最小化。
本发明特征的这些和其他的优点和特性特别针对所附的权利要求和形成它的另一部分。然而，为更好的理解本发明，通过它的作用获得优点和目的，将对形成另一部分的附图作出参考，并伴随着说明内容，其中示例和描述了本发明的优选实施例。
【附图说明】
在附图中，其中所有几个图中相同的参考数字和字母表示相应的元件：
图1示例了用于蜂窝通信环境中的滤波器，并特别示例了具有均匀谐振器的蜂窝HTS B频带滤波器(835-849MHz)的例子。
图2用865MHz上的带外信号示例了图1中滤波器的电流密度模拟。第一谐振器的电感具有明显高于第二谐振器的最高的电流密度。
图3显示了图1滤波器的电流密度模拟，但放大了第一谐振器的电感部分。电流密度被有效地减少，同时未改变第二谐振器中的电流密度。
图4显示了图1滤波器的电流密度模拟，但放大了第一谐振器的电感部分。与图2相比较，电流密度被明显的减少并且现在几乎与第二谐振器的相同。
图5显示了放大的第一谐振器的布局。如同整个滤波器，它的尺寸几乎没有改变。然而，对于第一谐振器的较大的电感部分，有效地提高了滤波器的带外干扰排斥性能。
图6a和6b示例了电感元件的导体的截面图，图6b的导体是图6a导体长度的两倍。
图7示例了其上具有导体的微带线截面图，可以用于确定布局的带条宽度(W)。
图8示意的示例了图2-4的滤波器。
图9显示了物理布局，其中首先是带通滤波器和第二是带阻滤波器。
【具体实施方式】
本发明的原理应用于过滤电信号。本发明的优选的装置和方法提供方法和装置，该方法和装置通过创建非对称谐振器来在滤波空中传输信号的电路中控制互调。“非对称”意味着谐振器的电感元件在尺寸上彼此是不对称的。通过使得谐振器的第一，或第一和第二电感元件较大，电流密度被降低。更为具体地，因为在本发明可以被使用的高频环境中大量电流被运载靠近电感路径的边缘，具有较大边缘面积的较大的电感元件减少电流密度。因此，通过创建非对称谐振器，减少了来自带外信号的互调，同时保持滤波器尺寸相对不改变。
如上所述，由于谐振器中的电感元件经受最大的电流改变，优选只改变第一或第一和第二电感元件的尺寸。然而，如果设计考虑和/或滤波器轨迹允许，也可能使一个或多个电容器较大。
允许被改变的有限数目的电感元件的另一个考虑是通过前两个谐振器把多数带外信号反射走—第一个反射主要部分。由于可忽略的功率到达远离前两个谐振器的谐振器，只需要增加第一(或第一和第二)个谐振器的尺寸。
在讨论本发明的优选布局和模型化之前，将简要讨论与电感的增加的横截面面积有关的表面积。
首先转到图6a和6b，显示了不同电感元件(最好参看图2-4)电感600和600’的示意截面图。图6a的电感600具有“y”的高度和“2x”的宽度。图6b的电感600’具有“y”的高度和“x”的宽度。本领域技术人员应该清楚，图6a的电感包括与附加的“x”宽度有关的更大的表面积。如果第二电感也增加尺寸，则第二电感601’将被放大到601。
对于谐振器中给定的电感所需的附加的表面积可以以经验来计算(或理论发现)以便提供形成电感的电感路径的附加的表面积。例如，可以在各个位置采取测量以确定带外信号的信号强度。接着可以确定电感元件的宽度以便限制来自带外信号的电感元件中到达临界电流密度的可能性。可替换的，可以通过理论进行操作。可以考虑其它的因素，包括HTS设备的类型，对于周期时间处于非线性方式中的HTS滤波器的临界性，和对于滤波器可用的占地面积。
在图7中，微带线横截面指定为700。在基片702上显示了代表性的电感701。电感701具有宽度(W)和厚度(T)。给定固定的电感带条厚度(T)，增加带条宽度(W)将减少电流密度。在直流电的情况下，当加倍带条宽度时，电流密度将被减少一半。这将具有增加4倍功率处理能力的效果，因为功率等于电阻乘以电流的平方：
功率＝R*I2
然而，在较高频率上，由于边缘或趋肤效应，电流密度不是被均匀地减少。在此情况下，尽管通常通过增加带条宽度(W)来减少，但最后的电流密度可以通过精确的电磁模拟器来确定。
下面描述对于滤波器的用于确定线宽度(W)的示例方法。首先选择带外干扰信号和该信号被输入到带通滤波器。接着模拟来自输入侧的第一谐振器的电流密度。用最高的电流密度对电感增加电感的带条宽度(W)(或增加谐振器尺寸)。执行附加的尺寸直到电流密度是谐振器之间的等电平(或接近等电平)。在设计修改之前和之后，减少的带外干扰信号的互调量可以接着通过减少电流密度来估计。结合滤波器的设计和模拟可以使用一个软件工具，包括电流密度模拟，是根据指定的IE3D从Zeland Software of Fremont，California出售的工具。现在转到图1，所示的两个滤波器放置在四英寸金属板上。所示的电感元件通常在103上和电容器在104上。在105上提供交叉耦合。106上所示的设备是用于测试的目的。应该理解的是，不必指定滤波器101和102中的每个设备，但应该明白这些设备通常等效于所示和所述的设备。滤波器101和102用于蜂窝通信环境中，并特别的示例了具有均匀谐振器的蜂窝HTS B-频带滤波器(835-849MHz)的例子。
图8提供了图2-4模拟中所示设备的示意图。通常在800上显示两个谐振器。第一个谐振器被指定成801和第二个谐振器被指定成802。第一谐振器801和第二谐振器802之间，电容和电感的安排和互连是相同的。因此，只对于第一谐振器801描述设备。然而应该清楚，在谐振器之间设计可以变化，和/或可以在滤波器设计中使用具有不同值的设备。输入端口803经耦合电容器804被耦合到谐振器801。电感203是第一谐振器801的电感元件。电容器205是第一谐振器801的电容元件。每个分路电容器805和806被连接到耦合电感203和电容205的谐振器的每端。端隙耦合电容器807提供随后的耦合或到第二谐振器802。
图2用865MHz上的带外信号示例了图1中滤波器的电流密度模拟。只有图1所示的滤波器的前两个谐振器(力如图8所示的谐振器801和802)被模拟在图2-4中。颜色的变化表明设备的电流密度等级。基于几何图形中的位置，横截面面积等等在设备中电流密度改变。第一谐振器的电感部分203具有最高的电流密度。电流密度明显高于第二谐振器的。第一电感器203的最高的电流密度大约是1170A/m，而第二电感器204中的最高电流密度大约是487A/m。电感元件203和204的宽度都是图2中的4mil。
图3显示了图1中滤波器的第二个电流密度模拟，但具有第一谐振器801的放大的电感部分203’。电感203’的彩色映象示例了电流密度被有效地减少。第一谐振器801的电感203’的最高电流密度大约是683A/m，同时第二谐振器802的电感204中的最高电流密度大约是487A/m(即在对第一电感203’作出调节之前大约相同的电流密度)。因此第二谐振器802中的电流密度(包括电容206和电感204)未改变。通过放大电感203’的宽度(W)没有改变电容器元件205和206。电感203’的宽度是图3中的7mil。
图4显示了图1中的电流密度模拟，但进一步放大了第一谐振器的电感部分203”。与图2相比较，电流密度显著减少，现在几乎与第二谐振器204的相同。第一谐振器801的电感203”的最高电流密度大约是552A/m，同时电感204中的最高电流密度保持在大约是487A/m。在图4中，线宽度是10mil，或者两和半倍电感203的宽度。
图5显示了放大的第一谐振器203’的布局。作为整个滤波器，它的尺寸几乎没有改变。然而，对于第一谐振器的较大的电感部分203’，明显提高了滤波器的带外干扰排斥性能。
现在转到图9，显示了示意的带通，陷波物理布局。这里信号被送到滤波器900。安排和配置带通滤波器901接收输入信号(即在信号路径中它是物理最先的)。在现有技术中，如果带通滤波器不被首先放置，带外干扰信号传播通过第一滤波器(例如带阻滤波器)，遭遇带通滤波器，并接着反射回到带阻滤波器。因此，现有技术的物理顺序会导致陷波滤波器中的高电流密度和导致不期望的非线性。因此，本发明优选包括滤波器的物理安排，其中第一是带通滤波器和第二是带阻滤波器。
此外，在此情况下，即强的带外干扰信号通过带阻滤波器和互连到带通滤波器，可能会产生通过带通滤波器的带内互调信号。然而，通过在信号路径中首先放置带通滤波器，在被进一步传播到滤波器中之前带外干扰信号被反射回。因此，在其他滤波器元件之前首先物理的放置带通滤波器具有优点。
首先放置带通滤波器还可以进一步推广用于具有连同包括带通滤波器的多个元件串联的通信或微波系统。在这些其它的环境中，首先放置带通滤波器可以提供反射带外信号的优点。更为特别的是，这种安排能排斥任何的带外干扰信号以防止它们到达系统中的其他元件(例如，带阻滤波器)。因此，首先用带通滤波器布置元件能防止(或显著减少)由于带外干扰信号引起的那些元件产生的互调。
本发明的滤波器设备优选由能够获得高电路Q滤波器的材料构成，优选是至少10,000的电路Q和更好是至少40,000的电路Q。超导材料适用于高Q电路。超导包括确定的金属和金属合金，比如铌以及确定的Perovakite氧化物，比如YBa2Cu3O7(YBCO)。在基片上沉淀超导以及制造设备的方法都是熟知的，并类似于半导体工业中所使用的方法。
在Perovakite类型的高温氧化物超导的情况下，可以通过已知的方法沉积，包括喷射，激光烧蚀，化学沉积或共同蒸发。基片优选是格栅匹配到超导的单一晶体材料。可以使用氧化物超导和基片之间的中间缓冲层以提高薄膜的质量。这样的缓冲层是熟知的，例如，如美国专利No.5,132,282，Newman et al.，中所述的，在此结合参考它的内容。用于氧化物超导的适当的绝缘基片包括蓝宝石(单晶Al2O3)，镧铝酸盐(LaAlO3)镁氧化物(MgO)和钇稳定的锆(YSZ)。
YBCO典型的使用反应的共蒸发被沉积在基片上，但也可以使用喷射和激光烧蚀。缓冲层可以用在基片和YBCO层之间，特别是如果蓝宝石作为基片。照相被用于滤波器结构的图案。
在优选实施例中，本发明用于结合使用L-C元件的窄带滤波器。例如，具有连接在电感每端上的分路电容的电感。尽管该滤波器环境和它的拓扑被用于描述本发明，但使用该环境是通过示例的方式，而且本发明可以利用其它的环境(例如，具有集中的或分布设备的其他的滤波器设备)。此外，通过示例的方式在此使用了通信环境和无线拓扑。本发明的原理也可以用于其它的环境。因此，这些例子不会构成对本发明的限制。
如上所述，本发明的优选使用是通信系统并尤其是无线通信系统。然而，这仅仅是示例的方式，可以使用其中根据本发明的原理所构成的滤波器。
应该明白的是，尽管已经在前述中阐述了许多本发明的特性和优点，连同本发明的详细结构和功能，但公开的内容只是示例性的，可以在细节上作出改变。本领域技术人员所作出的其他的修改和替换被包括在所附权利要求的广义范围内。