CN101807734B - 一种新型波导口Ka波段高温超导滤波器 - Google Patents

Abstract

一种新型波导口Ka波段高温超导滤波器，主要由一个Ka波段输入高温波导微带转换器、一个Ka波段高温超导滤波器和一个Ka波段输出高温波导微带转换器集合而成。本发明使Ka波段高温超导滤波器具有输入和输出波导口，同时在滤波器的带外形成了一个衰减极点，使得带外抑制大大提高。本发明专利结构新颖紧凑，体积小，重量轻，噪声系数小的特点，可以使用在Ka波段微波接收前端系统中，它还可以广泛应用于其它通信系统和卫星有效载荷中。

Description

一种新型波导口Ka波段高温超导滤波器

技术领域

本发明涉及一种新型波导口Ka波段高温超导滤波器，可广泛应用于Ka波段微波接收前端系统或卫星通信及其它地面通信系统中。

背景技术

新型波导口Ka波段高温超导滤波器是依据Ka波段卫星通信的需求而研制的。现有星载微波接收机的噪声系数已接近常规技术的极限，用高温超导接收滤波器替代常规滤波器，可以大幅度地提高接收机的灵敏度和选择性，增强抗干扰能力，增大通信距离和提高通信质量，减小发射机功率等。大幅度提升卫星有效载荷的性能指标，同时可以大幅度的降低电能消耗。所谓高温超导指在77K温度下的超导，即在液氮温区下的超导，高温超导是相对低温超导而言的，低温超导通常为4K温度下的超导，即在液氦温区下的超导。

法国ALCATEL公司于90年代开始研制静止轨道卫星通信Ka波段多波束天线高温超导接收前端，滤波器采用同轴口超导滤波器，如图1所示，设计频率29.1GHz，带宽1.8GHz，带外抑制20-40GHz，60dB，超导基片采用LAO材料，基片厚度0.25mm；另外COM DEV公司的Ka波段超导预选滤波器也采用了同轴口的集中参数滤波器。这两种滤波器的缺点是滤波器与天线的输出波导口和低温低噪声放大器的输入波导口连接时必须加输入输出波导同轴转换，另外，由于Ka频段低温同轴连接器很难校准，无法准确扣除SMA接头的实际损耗。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有低噪声、高隔离度的新型波导口Ka波段高温超导滤波器，具有体积小，重量轻的优点。

本发明的技术解决方案是：一种新型波导口Ka波段高温超导滤波器，由Ka波段输入高温超导波导微带转换器、Ka波段高温超导滤波器和Ka波段输出高温超导波导微带转换器组成，Ka波段高温超导滤波器连接Ka波段输入高温超导波导微带转换器和Ka波段输出高温超导波导微带转换器，其中Ka波段输入高温超导波导微带转换器和Ka波段输出高温超导波导微带转换器均由两节四分之一导波长度的阻抗变换器和波导口组成，阻抗变换器与波导口之间、阻抗变换器与Ka波段高温超导滤波器之间均通过电极连接；所述的Ka波段高温超导滤波器由2-10节电容耦合传输线谐振器单元组成、或由平行线耦合传输线组成、或由L型耦合传输线组成。

所述的Ka波段高温超导滤波器由4节电容耦合传输线谐振器单元组成。

所述的新型波导口Ka波段高温超导滤波器的介质基片厚度为0.3mm，介质基片的材料采用相对介电常数为24的铝酸镧基片。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明将超导波转换和微带滤波器集成设计，高温超导集成技术使得滤波器整体结构简洁，与低温放大器再集成容易，在很大程度上减小了体积、重量和损耗，并且在滤波器的远带提供了一个衰减极点，使得带外抑制提高到96dB以上，比多节数椭圆函数螺旋滤波器缩小了体积，并且插入损耗小，带外抑制高。通过对Ka波段超导滤波器组件进行试验和测试，表明其具有很好地带内传输特性和带外抑制特性，性能达到国际先进水平，工作性能稳定。新型波导口Ka波段超导滤波器具有很好的灵活性和市场适应性，为研制高性能的超导多工器打下了良好的基础，开拓了领域、积累了经验，具有相当的实用性和市场竞争力。

附图说明

图1为法国ALCATEL公司同轴口Ka超导滤波器结构图；

图2为本发明的结构组成示意图；

图3为本发明滤波器与微带转换器的连接关系图；

图4为本发明高温超导滤波器的结构示意图；

图5为本发明新型波导口Ka高温超导微带转换器的仿真示意图；

图6为本发明两种不同介电常数利用参数扫描法修正的结果对比图；

图7为本发明新型波导口Ka波段高温超导滤波器整体全波仿真结果；

图8为本发明新型波导口Ka波段高温超导滤波器带内特性实测曲线；

图9为本发明新型波导口Ka波段高温超导滤波器带外抑制特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述：

为了克服现有技术的不足，本发明将超导滤波器与超导微带转换器集成在一个超导芯片上，并采用波导口作为对外接口。本发明的工作原理是：通过修正谐振器的参数可以弥补由于介电常数不均匀性引起的滤波器性能的变化，参数扫描法保证了需要的滤波器通带频率，利用微带波导转换结构可以有效地抑制高次模干扰；对滤波器整体结构进行敏感度分析，对最敏感的设计参数进行优化设计，提高设计的成功率。

如图2、图3所示，高温超导滤波器包含一个输入波导口和一个输出波导口，其由Ka波段输入高温超导波导微带转换器1、Ka波段高温超导滤波器2和Ka波段输出高温超导波导微带转换器3组成，Ka波段高温超导滤波器2连接Ka波段输入高温超导波导微带转换器1和Ka波段输出高温超导波导微带转换器3。其中Ka波段输入高温超导波导微带转换器1和Ka波段输出高温超导波导微带转换器3均有多节阻抗变换器，本发明的阻抗变换器主要由两节四分之一导波长度的阻抗变换器31组成，阻抗变换器31与波导口之间、阻抗变换器31与Ka波段高温超导滤波器2之间均通过点极32连接。Ka波段高温超导滤波器2由2-10节电容耦合传输线谐振器单元组成，也可以由平行线耦合传输线、L型耦合传输线等其它形式组成。电容耦合传输线谐振器单元节数的选择与带宽有关，图4为本发明由4节电容耦合传输线谐振器单元组成的Ka波段高温超导滤波器，其通道带宽为800-2000MHz。

Ka高温超导滤波器2的设计中，为了减小由于交叉耦合而引起的滤波器带外抑制特性的恶化，选择了如图4所示的电容间隙滤波器拓扑结构，滤波器电容耦合谐振器阻抗为35欧姆，线宽度0.15mm。另外，超导薄膜介质基片的厚度选取对杂波也有明显的影响，根据分析结果最终选取厚度t＝0.3mm，相对介电常数为24的铝酸镧(LAO)基片。因为Ka频段信号频率高，波长小，因此器件的最终尺寸很小(20mm＊2mm)，为了保证设计的结果在加工精度保证的情况下得到实现，对滤波器的耦合间距都进行了敏感度分析，根据分析结果给出了最终的最优设计，每节电容耦合传输线谐振器单元之间的间隙不小于1微米。

在设计本发明的Ka波段输入高温超导波导微带转换器1和Ka波段输出高温超导波导微带转换器3时采用如下的仿真设计：Ka高温超导转换器的结构是由两段BJ320的波导和中间的传输腔构成，仿真设计模型如图5所示。为了保证微带-波导转换结构的带宽和良好的转换能力和波导内部表面电流的连续性，本发明选择在波导口的宽边中间处开孔。中间连接腔体的高度对微带-波导转换的驻波影响较大，通过分析，设计了合适的高度，高度为3mm；可同时保证集成芯片设计的可实现和转换的性能。另外，为了降低灵敏度，减小加工难度，对转换进行了倒圆角处理。

根据带外抑制特性中在20GHz处的高抑制要求，根据电磁波的传播特性和波导的截止特性，选择输入输出波导的截止频率高于20GHz；另外，滤波器的拓扑结构也会在低端提供一个极点，这两个因素使得带外抑制可以实现96dB以上的高抑制；

依据上述设计方案设计出的新型波导口Ka波段高温超导滤波器如图6所示，本发明的主要性能如下：

频率：F0＝28-32GHz

带宽：通道带宽为800-2000MHz

插损：通道内插损小于0.5dB

隔离：相互隔离大于等于96dB

工作温度：77K

波导口噪声系数比同轴口与其它部件易于集成，且降低噪声约1.5dB。

如图6所示，图中给出的是两种介电常数下通过参数扫描法修正之后的结果对比；两种曲线表征了两种不同的介电常数Er＝24，Er＝25，均为无量纲数。

如图7所示，图中给出的是新型波导口Ka波段高温超导滤波器的整体全波仿真结果，采用美国ANSOFT进行仿真，从图中可可见设计结果在带内有很好的驻波特性。

如图8所示，图中给出的是新型波导口Ka波段高温超导滤波器带内特性实测曲线，S11表征带内驻波特性，S21表征传输特性，使得插入损耗。

如图9所示，图中给出的是新型波导口Ka波段高温超导滤波器的带外抑制特性；S21表征的是滤波器宽带内的传输特性，滤波器的远带提供了一个衰减极点，使得带外抑制提高到96dB以上，带外抑制高。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种新型波导口Ka波段高温超导滤波器，其特征在于：由Ka波段输入高温超导波导微带转换器(1)、Ka波段高温超导滤波器(2)和Ka波段输出高温超导波导微带转换器(3)组成，Ka波段高温超导滤波器(2)连接Ka波段输入高温超导波导微带转换器(1)和Ka波段输出高温超导波导微带转换器(3)，其中Ka波段输入高温超导波导微带转换器(1)和Ka波段输出高温超导波导微带转换器(3)均由两节四分之一导波长度的阻抗变换器(31)和波导口组成，阻抗变换器(31)与波导口之间、阻抗变换器(31)与Ka波段高温超导滤波器(2)之间均通过电极(32)连接；所述的Ka波段高温超导滤波器(2)由2-10节电容耦合传输线谐振器单元组成、或由平行线耦合传输线组成、或由L型耦合传输线组成。

2.根据权利要求1所述的一种新型波导口Ka波段高温超导滤波器，其特征在于：所述的Ka波段高温超导滤波器(2)由4节电容耦合传输线谐振器单元组成。

3.根据权利要求2所述的一种新型波导口Ka波段高温超导滤波器，其特征在于：所述每节电容耦合传输线谐振器单元之间的间隙不小于1微米。

4.根据权利要求2所述的一种新型波导口Ka波段高温超导滤波器，其特征在于：所述每节电容耦合传输线谐振器单元的阻抗为35欧姆，线宽度0.15mm。

5.根据权利要求1所述的一种新型波导口Ka波段高温超导滤波器，其特征在于：所述的新型波导口Ka波段高温超导滤波器的介质基片厚度为0.3mm，介质基片的材料采用相对介电常数为24的铝酸镧基片。

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