一种超导特性空间可调滤波结构

1.本发明涉及微波技术领域，特别是涉及一种超导特性空间可调滤波结构。


背景技术：

2.频率选择表面(fss)等空间滤波结构是由介质基板上规则周期排列的金属单元谐振组件或开孔缝隙单元构成，单元的形状、排布方式以及介质的电性能等都会影响其特性。
3.空间滤波结构常用在飞行器隐身、电磁兼容及电磁屏蔽领域，其主要原理是将所需频段设计在通带上，将易产生电磁干扰的频段设计为阻带，从而利于信号的发射和接收以及设备的正常工作。理想的滤波结构在通带具有较低的损耗，在通带外侧具有快速滚落进入阻带的特性，且阻带透过率越低越好。
4.相对于一般的金属滤波器，高温超导滤波器具有带内插损小、带外抑制好等优点，超导材料以其极低的表面电阻特性，在无源微波器件、高速传输线、超导计算机、医疗仪器、卫星通信等领域有着广泛的应用前景。以钇钡铜氧(ybco)为代表的高温超导体，其转变温度约92k，可以工作在液氮温区，大大降低了制冷成本，因而用高温超导材料制备的器件具有优越的性能和应用价值。同时，超导材料存在临界温度和临界电流密度，随着温度和外载电流的变化，其电阻率也会随之变化，当温度高于转变温度时或外载电流超过临界电流值时，超导材料将失去超导特性。
5.空间滤波结构在航空航天领域具有深远的影响，传统的滤波结构一旦设计完成，相应的性能就无法改变，谐振点不可调谐，因而存在一定的缺陷。尤其是在武器系统中，一旦其通带和阻带被探知，就失去了对飞行器的保护意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种超导特性空间可调滤波结构，以解决上述现有技术存在的问题，基于空间滤波结构特性和超导材料的失超特点，采用超导材料作为谐振组件，以实现滤波特性的调谐。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.本发明提供一种超导特性空间可调滤波结构，包括两层相对设置的第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板和所述第二介质基板相对的两个侧面上分别设置超导材质的第一层谐振组件和第二层谐振组件；所述第一层谐振组件包括多个呈矩阵排列的第一谐振单元，所述第一谐振单元包括方环组和对称设置在所述方环组两侧并围绕所述方环组设置的两个弯折结构，所述方环组包括两个间隔设置的方环，各所述弯折结构的外侧各连接一个连接线结构，内侧的两个自由端分别连接两个所述方环；同一行的相邻两个所述第一谐振单元之间通过两者之间的所述连接线结构进行连接；各行位于同一端部的各所述第一谐振单元其外侧的所述连接线结构相互连接；所述第二层谐振组件包括多个呈矩阵排列的第二谐振单元，各所述第二谐振单元分别与各所述第一谐振单元一一对应，所述第二谐振单元包括一个十字结构；同一行的相邻两个所述第二谐振单元之间通过所述十字结构
的横边进行连接；各行位于同一端部的各所述第二谐振单元的所述十字结构的横边的外侧一端相互连接。
9.优选地，所述第一介质基板的侧面上设置有与所述第一层谐振组件相匹配的第一凹槽，所述第一层谐振组件设置于所述第一凹槽内；所述第二介质基板的侧面上设置有与所述第二层谐振组件相匹配的第二凹槽，所述第二层谐振组件设置于所述第二凹槽内。
10.优选地，所述方环为长方形方环，所述弯折结构为匚形弯折结构，所述弯折结构的竖边平行于所述方环的竖边，所述弯折结构的横边平行于所述方环的横边，所述弯折结构与所述方环的横边之间的间距与竖边之间的间距相等；各所述弯折结构的竖边外侧连接与所述方环的横边平行的所述连接线结构，各所述弯折结构的内侧的两个自由端分别通过两个竖连接线连接两个所述方环，所述竖连接线平行于所述方环竖边。
11.优选地，所述十字结构关于其横轴对称同时关于其竖轴对称设置，所述十字结构的竖边平行于所述方环的竖边，所述十字结构的横边平行于所述方环的横边。
12.优选地，所述第一介质基板和所述第二介质基板之间均匀填充有液氮，所述第一层谐振组件和所述第二层谐振组件表面与所述液氮接触。
13.优选地，所述长方形方环的长边外边长为6.5mm，短边外边长为2.75mm；所述弯折结构的横边外边长为3.75mm，竖边外边长为8.5mm；所述第一谐振单元中的两所述弯折结构之间的最小间距为1mm；所述连接线结构的长度为0.75mm；所述方环和所述弯折结构中的各边的宽度以及所述连接线结构和所述竖连接线的宽度均为0.5mm。
14.优选地，所述十字结构的横边长10mm，宽1mm，竖边长7.5mm，宽0.5mm。
15.优选地，所述第一介质基板和所述第二介质基板均为mgo基板，所述第一介质基板和所述第二介质基板的厚度均为1mm；所述第一层谐振组件与所述第二层谐振组件的厚度以及所述第一凹槽和所述第二凹槽的深度均为0.2mm；所述第一介质基板和所述第二介质基板间距为3mm。
16.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
17.本发明提供一种超导特性空间可调滤波结构，在第一介质基板和第二介质基板上分别设置超导材质的第一层谐振组件和第二层谐振组件，将该结构置于低温环境中使超导材质的第一层谐振组件和第二层谐振组件产生超导特性，两个谐振组件构成两个完整的闭合回路，通过独立调控两回路的外载电流强度控制超导和失超状态，通过电流强度影响失超状态下超导材料的电阻率，进而实现空间滤波结构的谐振频率调谐。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明提供的超导特性空间可调滤波结构的部分结构示意图；
20.图2为本发明中与第一谐振单元对应的第一介质基板的结构示意图；
21.图3为本发明中与第二谐振单元对应的第二介质基板的结构示意图；
22.图4为本发明中第一介质基板与第一层谐振组件的结构示意图；
23.图5为本发明中第二介质基板与第二层谐振组件的结构示意图；
24.图6为本发明中第一谐振单元的尺寸示意图；
25.图7为本发明中第二谐振单元的尺寸示意图；
26.图8为本发明提供的超导特性空间可调滤波结构在超导状态下的s11参数曲线示意图；
27.图9为本发明提供的超导特性空间可调滤波结构在超导状态下的s21参数曲线示意图；
28.图10为本发明提供的超导特性可调滤波结构在第一层谐振组件失超状态下的te波s11参数曲线示意图；
29.图11为本发明提供的超导特性可调滤波结构在第一层谐振组件失超状态下的te波s21参数曲线示意图；
30.图12为本发明提供的超导特性可调滤波结构在第一层谐振组件失超状态下的tm波s11参数曲线示意图；
31.图13为本发明提供的超导特性可调滤波结构在第一层谐振组件失超状态下的tm波s21参数曲线示意图；
32.图14为本发明提供的超导特性可调滤波结构在第二层谐振组件失超状态下的te波s11参数曲线示意图；
33.图15为本发明提供的超导特性可调滤波结构在第二层谐振组件失超状态下的te波s21参数曲线示意图；
34.图16为本发明提供的超导特性可调滤波结构在第二层谐振组件失超状态下的tm波s11参数曲线示意图；
35.图17为本发明提供的超导特性可调滤波结构在第二层谐振组件失超状态下的tm波s21参数曲线示意图；
36.图18为本发明提供的超导特性可调滤波结构在双层谐振组件失超调谐下的s11参数曲线示意图；
37.图19为本发明提供的超导特性可调滤波结构在双层谐振组件失超调谐下的s21参数曲线示意图；
38.图中：1-第一介质基板、2-第二介质基板、3-第一层谐振组件、4-第二层谐振组件、5-第一谐振单元、6-方环、7-弯折结构、8-连接线结构、9-第二谐振单元、10-十字结构、11-第一凹槽、12-第二凹槽、13-液氮、14-竖连接线。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.本发明的目的是提供一种超导特性空间可调滤波结构，以解决现有技术存在的问题，基于空间滤波结构特性和超导材料的失超特点，采用超导材料作为谐振组件，以实现滤波特性的调谐。
41.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
42.如图1-图7所示，本实施例提供一种超导特性空间可调滤波结构，包括两层相对设置的第一介质基板1和第二介质基板2，第一介质基板1和第二介质基板2相对的两个侧面上分别设置超导材质的第一层谐振组件3和第二层谐振组件4；第一层谐振组件3包括多个呈矩阵排列的第一谐振单元5，第一谐振单元5包括方环组和对称设置在方环组两侧并围绕方环组设置的两个弯折结构7，方环组包括两个间隔设置的方环6，各弯折结构7的外侧各连接一个连接线结构8，内侧的两个自由端分别连接两个方环6；同一行的相邻两个第一谐振单元5之间通过两者之间的连接线结构8进行连接；各行位于同一端部的各第一谐振单元5其外侧的连接线结构8相互连接；第二层谐振组件4包括多个呈矩阵排列的第二谐振单元9，各第二谐振单元9分别与各第一谐振单元5一一对应，第二谐振单元9包括一个十字结构10；同一行的相邻两个第二谐振单元9之间通过十字结构10的横边进行连接；各行位于同一端部的各第二谐振单元9的十字结构10的横边的外侧一端相互连接。
43.在工作过程中，通过在第一介质基板1和第二介质基板2上分别设置超导材质的第一层谐振组件3和第二层谐振组件4，将该结构置于低温环境中使超导材质的第一层谐振组件3和第二层谐振组件4产生超导特性，超导材料为ybco超导体，两个谐振组件能够构成两个完整的闭合回路，通过独立调控两回路的外载电流强度控制超导和失超状态变化，通过电流强度影响失超状态下超导材料的电阻率，进而实现空间滤波结构的谐振频率调谐。
44.本实施例中，第一介质基板1的侧面上设置有与第一层谐振组件3相匹配的第一凹槽11，第一层谐振组件3设置于第一凹槽11内；第二介质基板2的侧面上设置有与第二层谐振组件4相匹配的第二凹槽12，第二层谐振组件4设置于第二凹槽12内，提高结构的稳定性。
45.本实施例中，方环6为长方形方环，弯折结构7为匚形弯折结构，弯折结构7的竖边平行于方环6的竖边，弯折结构7的横边平行于方环6的横边，弯折结构7与方环6的横边之间的间距与竖边之间的间距相等；各弯折结构7的竖边外侧连接与方环6的横边平行的连接线结构8，各弯折结构7的内侧的两个自由端分别通过两个竖连接线14连接两个方环6，竖连接线14平行于方环6竖边。
46.长方形方环的长边外边长为6.5mm，短边外边长为2.75mm；弯折结构7的横边外边长为3.75mm，竖边外边长为8.5mm；第一谐振单元5中的两弯折结构7之间的最小间距为1mm；连接线结构8的长度为0.75mm；方环6和弯折结构7中的各边的宽度以及连接线结构8和竖连接线14的宽度均为0.5mm。对应的如图6所示，第一层谐振组件3中，各尺寸a＝4mm，b＝3.75mm，c＝6.5mm，d＝2.75mm，e＝1mm，f＝0.5mm，g＝0.5mm，h＝0.75mm，i＝0.5mm。
47.本实施例中，十字结构10关于其横轴对称同时关于其竖轴对称设置，十字结构10的竖边平行于方环6的竖边，十字结构10的横边平行于方环6的横边。十字结构10的横边长10mm，宽1mm，竖边长7.5mm，宽0.5mm。对应的如图7所示，第二层谐振组件中，各尺寸j＝4.75mm，k＝3.25mm，m＝0.5mm，n＝1mm。
48.本实施例中，第一介质基板1和第二介质基板2之间均匀填充有液氮13，第一层谐振组件3和第二层谐振组件4表面与液氮13接触。液氮13提供低温环境，使第一层谐振组件3和第二层谐振组件4在低温环境下产生超导特性。
49.本实施例中，第一介质基板1和第二介质基板2均为mgo基板，第一介质基板1和第
二介质基板2的厚度均为1mm；第一层谐振组件3与第二层谐振组件4的厚度以及第一凹槽11和第二凹槽12的深度均为0.2mm；第一介质基板1和第二介质基板2间距为3mm。
50.如图8所示，为本发明提供的超导特性空间可调滤波结构在超导状态下的s11参数曲线示意图。
51.如图9所示，为本发明提供的超导特性空间可调滤波结构在超导状态下的s21参数曲线示意图。
52.如图10所示，为本发明提供的超导特性可调滤波结构在第一层谐振组件3失超状态下的te波s11参数曲线示意图，当外载电流达到临界电流，第一层谐振组件3发生失超，电导率随外载电流的变化而变化，显著影响了s参数。
53.如图11所示，为本发明提供的超导特性可调滤波结构在第一层谐振组件3失超状态下的te波s21参数曲线示意图，随着电导率的变化，曲线发生变化，以峰值变化为主。
54.如图12所示，为本发明提供的超导特性可调滤波结构在第一层谐振组件3失超状态下的tm波s11参数曲线示意图，随着电导率的变化，曲线发生变化，以峰值变化为主。
55.如图13所示，为本发明提供的超导特性可调滤波结构在第一层谐振组件3失超状态下的tm波s21参数曲线示意图，随着电导率的变化，曲线发生明显变化。
56.如图14所示，为本发明提供的超导特性可调滤波结构在第二层谐振组件4失超状态下的te波s11参数曲线示意图，随着失超的发生，曲线发生显著变化，但电阻率的在10
2-105范围内对曲线特征的影响不大。
57.如图15所示，为本发明提供的超导特性可调滤波结构在第二层谐振组件4失超状态下的te波s21参数曲线示意图，随着电导率的变化，曲线发生变化，以峰值变化为主。
58.如图16所示，为本发明提供的超导特性可调滤波结构在第二层谐振组件4失超状态下的tm波s11参数曲线示意图，随着电导率的变化，曲线发生变化，以峰值变化为主。
59.如图17所示，为本发明提供的超导特性可调滤波结构在第二层谐振组件4失超状态下的tm波s21参数曲线示意图，此时失超状态下电导率对谐振点位置影响很小。
60.如图18所示，为本发明提供的超导特性可调滤波结构在双层谐振组件失超调谐下的s11参数曲线示意图，表面了两层谐振系统可以进行独立调谐，从而大幅改变其曲线特征。
61.如图19所示，为本发明提供的超导特性可调滤波结构在双层谐振组件失超调谐下的s21参数曲线示意图，表面了两层谐振系统可以进行独立调谐，从而大幅改变其曲线特征。
62.本发明提供的基于超导材料特性的空间可调滤波结构，通过对两层谐振组件独立加载电流引起失超来改变s参数曲线特征，实现可调谐功能，提升空间滤波结构的总体性能。
63.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种超导特性空间可调滤波结构，其特征在于：包括两层相对设置的第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板和所述第二介质基板相对的两个侧面上分别设置超导材质的第一层谐振组件和第二层谐振组件；所述第一层谐振组件包括多个呈矩阵排列的第一谐振单元，所述第一谐振单元包括方环组和对称设置在所述方环组两侧并围绕所述方环组设置的两个弯折结构，所述方环组包括两个间隔设置的方环，各所述弯折结构的外侧各连接一个连接线结构，内侧的两个自由端分别连接两个所述方环；同一行的相邻两个所述第一谐振单元之间通过两者之间的所述连接线结构进行连接；各行位于同一端部的各所述第一谐振单元其外侧的所述连接线结构相互连接；所述第二层谐振组件包括多个呈矩阵排列的第二谐振单元，各所述第二谐振单元分别与各所述第一谐振单元一一对应，所述第二谐振单元包括一个十字结构；同一行的相邻两个所述第二谐振单元之间通过所述十字结构的横边进行连接；各行位于同一端部的各所述第二谐振单元的所述十字结构的横边的外侧一端相互连接。2.根据权利要求1所述的超导特性空间可调滤波结构，其特征在于：所述第一介质基板的侧面上设置有与所述第一层谐振组件相匹配的第一凹槽，所述第一层谐振组件设置于所述第一凹槽内；所述第二介质基板的侧面上设置有与所述第二层谐振组件相匹配的第二凹槽，所述第二层谐振组件设置于所述第二凹槽内。3.根据权利要求1所述的超导特性空间可调滤波结构，其特征在于：所述方环为长方形方环，所述弯折结构为匚形弯折结构，所述弯折结构的竖边平行于所述方环的竖边，所述弯折结构的横边平行于所述方环的横边，所述弯折结构与所述方环的横边之间的间距与竖边之间的间距相等；各所述弯折结构的竖边外侧连接与所述方环的横边平行的所述连接线结构，各所述弯折结构的内侧的两个自由端分别通过两个竖连接线连接两个所述方环，所述竖连接线平行于所述方环竖边。4.根据权利要求1所述的超导特性空间可调滤波结构，其特征在于：所述十字结构关于其横轴对称同时关于其竖轴对称设置，所述十字结构的竖边平行于所述方环的竖边，所述十字结构的横边平行于所述方环的横边。5.根据权利要求1所述的超导特性空间可调滤波结构，其特征在于：所述第一介质基板和所述第二介质基板之间均匀填充有液氮，所述第一层谐振组件和所述第二层谐振组件表面与所述液氮接触。6.根据权利要求3所述的超导特性空间可调滤波结构，其特征在于：所述长方形方环的长边外边长为6.5mm，短边外边长为2.75mm；所述弯折结构的横边外边长为3.75mm，竖边外边长为8.5mm；所述第一谐振单元中的两所述弯折结构之间的最小间距为1mm；所述连接线结构的长度为0.75mm；所述方环和所述弯折结构中的各边的宽度以及所述连接线结构和所述竖连接线的宽度均为0.5mm。7.根据权利要求4所述的超导特性空间可调滤波结构，其特征在于：所述十字结构的横边长10mm，宽1mm，竖边长7.5mm，宽0.5mm。8.根据权利要求2所述的超导特性空间可调滤波结构，其特征在于：所述第一介质基板和所述第二介质基板均为mgo基板，所述第一介质基板和所述第二介质基板的厚度均为1mm；所述第一层谐振组件与所述第二层谐振组件的厚度以及所述第一凹槽和所述第二凹槽的深度均为0.2mm；所述第一介质基板和所述第二介质基板间距为3mm。

技术总结
本发明公开了一种超导特性空间可调滤波结构，涉及微波技术领域，包括两层相对设置的第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板和第二介质基板上分别设置超导材质的第一层谐振组件和第二层谐振组件；第一层谐振组件包括呈矩阵排列的第一谐振单元，第一谐振单元包括方环组和对称设置在方环组两侧并围绕方环组设置的两个弯折结构，各弯折结构的外侧各连接一个连接线结构；第二层谐振组件包括呈矩阵排列的第二谐振单元，各第二谐振单元分别与各第一谐振单元一一对应，第二谐振单元包括一个十字结构。本发明基于空间滤波结构特性和超导材料的失超特点，采用超导材料作为谐振组件，通过调整外载电流强度控制超导材料电导率变化以实现滤波特性的调谐。以实现滤波特性的调谐。以实现滤波特性的调谐。


技术研发人员：姬金祖 张嘉益 黄沛霖
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/7/12