CN102306865B

CN102306865B - 采用掩模套刻改变超导微带结构滤波器中心频率的方法

Info

Publication number: CN102306865B
Application number: CN201110133802A
Authority: CN
Inventors: 曹必松; 郭旭波; 卢新祥; 张晓平; 魏斌; 李启荣
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2031-05-23
Also published as: CN102306865A

Abstract

本发明涉及采用掩模套刻改变超导微带结构滤波器中心频率的方法，属于微波通讯设备技术领域，该方法包括：根据所需滤波器指标，对超导滤波器电路结构进行一次仿真设计，将设计的滤波器采用高分辨率的光刻和离子束刻蚀工艺进行制作，将测试响应曲线与仿真响应曲线对比，修改仿真参数中的有效介电常数，并进行二次仿真，保持谐振器间的距离不改变，裁减滤波器中每节谐振器的长度，使裁减后的滤波器电路的中心频率至所需频率点；制备套刻用掩模板，将二次仿真的滤波器电路图形中被裁减掉的部分暴露出来；对制作的滤波器进行光刻、刻蚀，得到所需中心频率的滤波器。本发明结果准确、成本低；同时保证良好的通带响应，使滤波器性能达到实际应用的要求。

Description

采用掩模套刻改变超导微带结构滤波器中心频率的方法

技术领域

本发明属于微波通讯设备技术领域，特别涉及微波滤波器的设计与调谐。

背景技术

滤波器是一种十分重要的微波元件，它的主要功能是用来分隔频率，即通过一定频率的信号而阻断另一些频率的信号，是微波通信不可缺少的部件。超导平面结构(微带线、带状线等)滤波器插入损耗低、带边陡峭、带外抑制高，在性能上更接近于理想滤波器，在移动通信和微弱信号探测方面有着广泛的应用前景。

超导微带结构滤波器，尤其是窄带超导滤波器的中心频率和响应特性对介质基片的厚度和介电常数比较敏感。在超导滤波器设计和制作中，由于基片厚度的不均匀性、介电常数的偏差和加工制作误差等原因，实际制备的滤波器的中心频率可能会产生偏移，导致滤波器无法满足设计要求。对于窄带滤波器，中心频率偏移程度较大时，可能使整个滤波器的通带移到所需频率范围之外。

滤波器的电路拓扑结构对其中心频率和响应特性起着决定性的作用。通过改变滤波器的电路结构可以修正滤波器中心频率的偏移。如文献Laser tuning of HTS microwavefilters中报道了通过激光修剪改变滤波器中心频率的方法。大致过程是将滤波器打开封装盒盖子并固定在工作台上，用一定功率的激光光斑对准需要修剪的线条，将其消融掉。激光修剪技术需要进行多次操作，对工艺的一致性有很高的要求，并且成本较高。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种采用掩模套刻改变超导微带结构滤波器中心频率的方法，本发明通过套刻工艺可以对超导滤波器中心频率实现较大的改变，具有精度高、结果准确、成本低等优点；同时保证良好的通带响应，使滤波器性能达到实际应用的指标要求。

本发明提出的采用掩模套刻改变超导微带结构滤波器中心频率的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据所需滤波器指标，用电磁仿真软件对滤波器电路结构进行一次仿真设计，得到仿真参数及仿真响应曲线；

2)将设计的滤波器采用高分辨率的光刻和离子束刻蚀工艺进行制作，并使用网络分析仪测试，得到测试参数及响应曲线(由于设计所采用参数与制作材料的实际参数存在差异，测试结果的中心频率与指标所需中心频率存在差异)；

3)将测试响应曲线与仿真响应曲线对比，根据所述两种响应曲线的中心频率偏移情况，修改仿真参数中的有效介电常数，使仿真响应曲线的中心频率和测试响应曲线的中心频率一致；

4)根据步骤3)得到的有效介电常数参数进行二次仿真，保持谐振器间的距离不改变，裁减滤波器中每节谐振器的长度，使裁减后的滤波器电路的中心频率升高至所需频率点；

5)将二次仿真滤波器电路图与一次仿真的滤波器电路图进行对比，制备套刻用掩模板，将二次仿真的滤波器电路图形中被裁减掉的部分暴露出来；

6)使用套刻掩模板对步骤2)制作的滤波器进行光刻，并进行离子束刻蚀，得到所需中心频率的滤波器。

在掩模图案的刻蚀技术中，目前主要采用高分辨率的光刻和离子束刻蚀工艺。其中离子束刻蚀工艺的分辨率高达微米量级，且图案边缘陡直准确，是一种较为理想的加工手段。

本发明特别适合低频段超导微带滤波器的设计与频率修正。低频段超导滤波器的谐振器尺寸较大，制备后滤波器的频率有偏移时，通过本发明提出的掩模套刻方法可以改变滤波器中每节谐振器的长度，并且对谐振器间的耦合强度影响较小，从而达到改变中心频率而不影响带宽的目的。

本发明提出的用掩模套刻来改变微带滤波器中心频率的方法，具有成本低，可操作性强，精度高的特点，用该方法修正后的滤波器性能指标可达到实际使用要求，避免了滤波器的重新设计与加工，降低了成本。

附图说明

图1是滤波器一次仿真的电路拓扑图。

图2是滤波器实际测量响应曲线与一次仿真响应响应曲线对比。

图3是滤波器二次仿真后得到的套刻用掩模板版图。

图4是套刻工艺处理后滤波器实际测量响应曲线。

具体实施方式

本发明提出的采用掩模套刻改变超导微带结构滤波器中心频率的方法结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的一个具体实施例为一个中心频率为220MHz，相对带宽0.3％的超导带通滤波器。采用双面钇钡铜氧(YBCO)超导薄膜，基片材料为MgO，厚度为0.50mm。

本实施采用掩模套刻改变微带结构滤波器中心频率的方法包括以下步骤：

1)本实施例的滤波器结构通过电磁场仿真软件设计进行一次仿真设计，得到仿真参数及仿真响应曲线。如图1所示，11、12、13、14、15、16为滤波器的第一、第二、第三、第四、第五、第六节谐振器。17、18为输入、输出馈线。图1中滤波器选用的谐振器为螺旋形谐振器，是二分之一波长谐振器，尺寸根据工作中心频率220MHz确定，设计参数中MgO的相对介电常数为9.68，滤波器总面积为41.3mm×21mm。

2)将该滤波器进行制作并测试，将设计的滤波器采用高分辨率的光刻和离子束刻蚀工艺进行制作，并使用网络分析仪在低温环境下测试其性能，得到测试参数及响应曲线。

3)对比测试响应曲线和一次仿真响应曲线，图2为滤波器的实际测量响应曲线与一次仿真响应响应曲线对比图，21是一次仿真响应曲线，22是实际测量响应曲线。由图可见，实际测量响应曲线22的中心频率为219.3MHz，和一次仿真响应曲线21相比向低端偏移了0.7MHz。该偏移是由于基片厚度的不均匀性和介电常数的偏差等原因造成的。通过修改仿真参数中的有效介电常数，当等效介电常数为9.74时，仿真响应曲线的中心频率和测试响应曲线的中心频率一致，该有效介电常数为下一步套刻仿真时所需要的。

4)根据步骤3)得到的有效介电常数参数进行二次仿真，仿真时保持谐振器间的距离不改变，裁减滤波器中每节谐振器的长度，使裁减后的滤波器电路的中心频率升高至所需频率点220MHz。

5)将二次仿真滤波器电路图与一次仿真的滤波器电路图进行对比，制备套刻用掩模板的图形如图3所示，3为掩模板，30是用于将掩模板与基片对齐十字结构，31、32、33、34、35、36为滤波器的第一、第二、第三、第四、第五、第六节谐振器需要裁减的部分。

6)利用该掩模板，对已经制作好的滤波器电路进行套刻，并进行离子束刻蚀。采用掩模套刻改变滤波器中心频率后的测试响应曲线如图4所示，41为传输曲线S21，中心频率为220MHz，满足指标要求。

虽然在上述实施例的基础上对本发明进行了说明，但是本发明并不局限于此，具有相关领域背景知识的人可以在此基础上进行多种变形。例如，上述实施例修正了一个6节高温超导滤波器的中心频率，但是本发明还可以很容易用此方法修正其它节数的滤波器的中心频率；上述实施例中虽然选用了MgO基片，但是根据需要完全可以使用LaAlO₃、Sapphire等其它材料的基片。这些变形也应属于本发明的同一设计构思。

Claims

1.一种采用掩模套刻改变超导微带结构滤波器中心频率的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:

1）根据所需滤波器指标，用电磁仿真软件对滤波器电路结构进行一次仿真设计，得到仿真参数及仿真响应曲线；

2）将设计的滤波器采用高分辨率的光刻和离子束刻蚀工艺进行制作，并使用网络分析仪测试，得到测试参数及响应曲线；

3）将测试响应曲线与仿真响应曲线对比，根据所述两种响应曲线的中心频率偏移情况，修改仿真参数中的有效介电常数，使仿真响应曲线的中心频率和测试响应曲线的中心频率一致；

4）根据步骤3）得到的有效介电常数参数进行二次仿真，保持谐振器间的距离不改变，裁减滤波器中每节谐振器的长度，使裁减后的滤波器电路的中心频率升高至所述所需滤波器指标的频率点；

5）将二次仿真滤波器电路图与一次仿真的滤波器电路图进行对比，制备套刻用掩模板，将二次仿真的滤波器电路图形中被裁减掉的部分暴露出来；

6）使用套刻掩模板对步骤2）制作的滤波器进行光刻，并进行离子束刻蚀，得到所需滤波器指标要求的中心频率的滤波器。