CN104916887A - 高温超导超宽阻带带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明的高温超导超宽阻带带通滤波器，包括耦合连接的多个谐振器，以及连接首位和末位谐振器的抽头，所述抽头用作对所述带通滤波器馈电，其特征在于，所述各谐振器基频相同，高次谐振频率不同，结构互异。有益效果在于：相对于常规的二分之一波长谐振器，本发明采用的四分之一波长谐振器(QWRs)可以拓宽寄生通带、减小滤波器体积。加工完成的滤波器特点如下：结构紧凑，能有效的减小滤波器的尺寸以及降低对加工工艺的要求，进而可以减小制冷机的热负载；同时该结构的滤波器具有超宽阻带的特点，6f₀内的阻带抑制大于40dB，能有效改善移动通信各个频段对GSM频段带来的干扰，提高了接收机的灵敏度以及通话质量。

Description

高温超导超宽阻带带通滤波器

技术领域

本发明属于超导元器件设计技术领域，涉及高温超导滤波器件，特别涉及一种高温超导超宽阻带带通滤波器。

背景技术

随着通信技术的发展以及通信系统多样性的增加，电磁环境日益复杂，常规材料设计的滤波器已经无法有效的抑制通信频段附近的大量干扰信号。需要一种能够有效抑制通带附近以及倍频处的干扰信号的滤波器来改善这种情况。基于高温超导材料制作的高温超导滤波器插损小且带外抑制度高，应用在微波通信中能够增加系统整体的抗干扰能力，提高接收系统的灵敏度，增加系统的容量，增加系统的信号覆盖范围，进而提高通话质量。

民用通信系统所使用的频谱主要分布在UHF波段，频谱资源日益拥挤，应用高温超导滤波器被可以有效提高频谱资源的利用率。然而微波滤波器在通带中心频率的谐波处会产生寄生通带，对于灵敏度较高的接收机而言，移动通信的各个频段之间就会形成干扰源，因此需要宽带阻的滤波器来抑制各个通信频段彼此之间的干扰。在高温超导带通滤波器中，常用来完成高次倍频抑制或推移的方式有主要有三种：(1)阶梯阻抗谐振器(SIRs)，(2)加载交指电容来完成寄生通带高频推移(ICRs)，(3)S型螺旋谐振器。这些常规的方法能将阻带的范围推移到2～3倍f₀处(f₀为所述滤波器的中心频率)，效果并不理想。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中常用于抑制或推移高温超导滤波器高次倍频以降低各个通信频段彼此间干扰的技术效果上的不足，提出了一种高温超导超宽阻带带通滤波器。

本发明的技术方案为：高温超导超宽阻带带通滤波器，包括耦合连接的多个谐振器，以及连接首位和末位谐振器的抽头，所述抽头用作对所述带通滤波器馈电，其特征在于，所述各谐振器基频相同，高次谐振频率不同，结构互异。

优选方案，所述谐振器为四分之一波长阶梯阻抗谐振器。

优选方案，所述抽头处设置有陷波谐振器。

优选方案，所述谐振器为阶梯阻抗谐振器。

优选方案，所示高温超导超宽阻带带通滤波器频段为GSM900频段。

优选方案，结构互异的谐振器分别为SIR结构谐振器、变形SIR结构谐振器以及梳状结构谐振器中的一种。

本发明的有益效果：相对于常规的二分之一波长谐振器，本发明采用的四分之一波长谐振器(QWRs)可以拓宽寄生通带、减小滤波器体积，优选方案采用的四分之一波长互异结构阶梯阻抗谐振器(QWDRs,One-quarter Wavelength Different Structure Stepped impedanceResonators)来设计GSM900频段超宽宽阻带带通滤波器，并且同时采用抽头加载陷波谐振器来抑制互异结构谐振器并带来谐振频率。加工完成的高温超导超宽阻带带通滤波器具备以下主要特点：结构紧凑，能有效的减小滤波器的尺寸，降低了高温超导滤波器对加工工艺的要求，进而可以减小制冷机的热负载；同时该结构的滤波器具有超宽阻带的特点，6f₀内的阻带抑制大于40dB，能有效改善移动通信各个频段对GSM频段带来的干扰，提高了接收机的灵敏度以及通话质量。

附图说明：

图1为应用于本发明优选实施例的一种阶梯阻抗传输线；

图2为应用于本发明优选实施例的宽阻带谐振器，其中(a)为四分之一波长宽阻带谐振器，(b)为所述宽阻带谐振器的频率相应曲线；

图3为应用于本发明优选实施例的抽头结构，其中(a)为带有陷波谐振器的抽头结构，(b)为所述陷波谐振器的频率响应曲线；

图4为改进后的四分之一波长谐振器结构，其中(a)为枝节SIR结构谐振器，(b)为变形SIR结构谐振器，(c)为梳状结构谐振器；

图5为图4对应的改进后四分之一波长谐振器的频率响应曲线，其中(a)为枝节SIR结构谐振器频率响应曲线，(b)为变形SIR结构谐振器频率响应曲线，(c)为梳状结构谐振器频率响应曲线；

图6中，(a)为本发明优选实施例的高温超导超宽阻带带通滤波器的拓扑结构，(b)为(a)中所示高温超导超宽阻带带通滤波器的频率响应曲线；

图7为图6所示的高温超导超宽阻带带通滤波器的实际测试结果。

具体实施方式

本发明的实施例是依据本发明的原理而设计，下面结合附图和以下具体实施例对本发明作进一步的阐述。

如图6中a所示本发明的优选实施例的高温超导超宽阻带带通滤波器的拓扑结构，包括耦合连接的四个谐振器，以及连接首位和末位谐振器的抽头，所述各谐振器基频相同，结构互异。在本优选实施例中，谐振器均为四分之一波长阶梯阻抗谐振器并且同时在抽头处加载了陷波谐振器。该优选方案设计的GSM900频段超宽宽阻带带通滤波器能有效抑制互异结构谐振器带来的谐振频率。其结构紧凑，有效减小滤波器的尺寸的同时降低了高温超导滤波器对加工工艺的要求，进而减小了对制冷机的热负载要求；同时该结构的滤波器在超宽阻带方面效果突出，其在6f₀内的阻带抑制大于40dB，可有效改善移动通信各个频段对GSM频段带来的干扰，提高了接收机的灵敏度以及通话质量。

在上述优选方案中，各个谐振器采用的是SIR结构谐振器、变形SIR结构谐振器以及梳状结构谐振器中的一种。

以下内容是为了能够加深对本发明思想的理解，而进行的对上述优选实施例中涉及的各部件及其详细结构和参数进行的分析描述，此种描述不构成对本发明保护范围的限制：

(一)四分之一波长阶梯阻抗谐振器

阶梯阻抗谐振器是现代滤波器设计中常用的谐振器形式，通过调节阶梯阻抗的阻抗使得寄生通带与基本通带进行合并从而完成超宽带，或者调节阶梯阻抗移动寄生通带位置远离基本频带来完成宽阻带带通滤波器的设计。图1为比较典型的阶梯阻抗微带线结构示意图，微带线的中间为高阻抗传输线，其特性阻抗为Z₁；两端的传输线为低阻抗传输线，其特性阻抗皆为Z₂。

该阶梯阻抗传输线的导纳为：

$Y_{in}={\mathrm{jY}}_2\frac{2({\mathrm{ktan\θ}}_1+{\mathrm{tan\θ}}_2)(k-{\mathrm{tan\θ}}_1{\mathrm{tan\θ}}_2)}{k(1-{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1)(1-{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_2)-2(1+k^2){\mathrm{tan\θ}}_1{\mathrm{tan\θ}}_2}---\left(1\right)$

θ₁和θ₂分别代表Z₁和Z₂两段传输线对应的电长度，k＝Z₂/Z₁代表的是阶梯阻抗的阻抗比,Y表示阶梯阻抗传输线的导纳，

当谐振器在谐振时导纳为0，所以由式(1)得，谐振器谐振时k＝tanθ₁tanθ₂，由此可知，谐振器的谐振频率取决于阶梯阻抗谐振器的阻抗比和不同阻抗传输线的电长度。例如，假定两截传输线长度L₁＝L₂，且将寄生谐振频率所对应的电长度和谐振频率分别定义为θ_a,θ_b,θ_c···以及f₁,f₂,f₃···在满足导纳为零的情况下可以得到三个谐振频率即：

$\{\begin{array}{c}{\mathrm{tan\θ}}_a=\mathrm{\∞}\\ {\mathrm{tan\θ}}_b=\±\sqrt{k}\\ {\mathrm{tan\θ}}_c=0\end{array}---\left(2\right)$

由式(2)得θ_a＝π、θ_b＝arctan(-k^1/2)＝π-θ₀和θ_c＝π，可以由频率比值与电长度比值相同推断得出寄生谐振频率和基本谐振频率的比值为：

$\frac{f_1}{f_0}=\frac{{\mathrm{\θ}}_a}{{\mathrm{\θ}}_0}=\frac{\mathrm{\π}}{2arctan\sqrt{k}}---\left(3\right)$

由此可知，第一个寄生谐振频率和基本谐振频率之间的比值关系与阶梯阻抗谐振器的阻抗比有关，当阻抗相等时，第一个寄生谐振频率就在基本谐振频率的2倍频率处，当k越小时，第一寄生谐振频率越远离基本谐振频率。可以通过改变阻抗比值来调整寄生通带的位置，实现多个通带合并或拓宽阻带的效果。

本实施例中四分之一波长宽阻带谐振器如2中a所示，其中电路G为压块接地处。由式(3)知，通过调整W₂和d的大小对应的阻抗比可以调整寄生谐振频率，若d＝0.15mm时，适当改变W₂的大小来改变阻抗比，同时调整L₁使得基本谐振点保持不变，可获得频率响应曲线如图2中b所示。

四分之一波长谐振器相比较于常规半波长谐振器尺寸会缩小近一半，使得高温超导滤波器得以小型化，同时减小对加工工艺精度的要求，拓宽了带外的阻带。

(二)加载陷波谐振器抽头

按照传输线阻抗变换公式：

$Z_{in}=Z_c\frac{Z_L-{\mathrm{jZ}}_{c}tan\mathrm{\θ}}{ZC+{\mathrm{jZ}}_c\tan \mathrm{\θ}}---\left(4\right)$

其中Z_in为输入端的输入阻抗，Z_c为传输线的特征阻抗，Z_L为负载阻抗，θ为这截传输线对应的电长度。当传输线的末端为开路(即Z_L＝∞)，长度为四分之一波长时，可以得到一个末端开路的四分之一波长短截线，等效为一个短路端口，使得对应频点的信号无法通过该谐振器，即为一个陷波谐振器。如下图3中a所示，S表示滤波器的抽头，通过调整谐振器微带线长度L₁和L₂的大小可以调整陷波频率，当L₂＝1mm时，陷波频率随L₁变化的频率响应曲线如图3中b所示，其中L₁分别为1mm、1.5mm、2mm和2.5mm。由图可知陷波频率可调范围较大，可以用来校正互异结构谐振器的某些寄生谐振频率点的频率响应，从而改善滤波器的带外抑制频率响应。

(三)互异结构高温超导超宽阻带滤波器

通过切比雪夫低通原型，获得四阶切比雪夫高温超导带通滤波器的耦合系数，如表一所示，其中k_ij表示谐振器i和谐振器j之间的耦合系数，Q表示输入输出的品质因数。

表1四阶高温超导滤波器的耦合系数

k12	k23	k34	Q
				0.0252	0.0194	0.0252	33.7

互异结构谐振器的设计

通过改进图2中a中四分之一波长阶梯阻抗微带线，将四个谐振器设计为基频相同，高次频率不同的工作模式，实现了高次谐波不一致，寄生谐振点分离。变形后的三个互异结构谐振器如图4中a，b及c所示，为了满足加工工艺的要求，将各个谐振器的线宽和缝宽大小d确定为0.15mm。预先将阶梯阻抗L(L₂,L₃,L₄)长度设定为2mm，通过调整图中谐振器的长度S(S₂,S₃,S₄)的大小使得谐振器的基频落在为GSM900的频带中，然后适当改变图中L(L₂,L₃,L₄)的大小来调整各个谐振器的基本谐振频率(harmonic frequency)，依次调整L和S使得各个谐振器的基本谐振点相同，寄生谐振频点分散在阻带中，实现谐振点分离。最终得出L₂＝3mm,L₃＝3mm,L₄＝1.1mm,S₂＝6.4mm,S₃＝6.5,S₄＝1.2mm，与其对应的各个谐振器的频率响应曲线分别如图5中a，b及c所示。在调整谐振器长度时尤其注意的是图4中c中通过调整S₄的大小来调节谐振器的基频较为方便且对寄生频率的影响较小；在调整谐振器的长度时，要保证谐振器顶端距离接地电路大于3mm，从而减小谐振器顶端与接地电路之间的交叉耦合。

(四)高温超导超宽阻带滤波器

本实施例采用了介电常数为24，厚度为0.5mm的LaAlO₃基片来设计滤波器，结合表一给出的耦合系数，利用图2中a、图4中a、b及c给出的四种四分之一波长阶梯阻抗谐振器，并且采用带陷波谐振器的抽头直接耦合的形式，通过全波仿真完成高温超导超宽阻带带通滤波器的设计。互异结构谐振器的基本谐振频率实现GSM900的通带，各个谐振器的高次模分离，尽可能均匀地分布在阻带内，避免高次模产生寄生通带，从而拓宽了阻带。加载在抽头上的陷波谐振器可以抑制阻带内高次模引起的抑制度偏小的点，从而保证通带内的抑制度。通过改变相邻谐振器间的距离d(d₁,d₂,d₃)的大小来调整相邻谐振器之间的耦合。如图5所示，通过优化各个谐振器微带线的长度S(S₂,S₃,S₄)及枝节的长度L(L₂,L₃,L₄)来调整基频带的位置和寄生谐振频率在阻带内的分布，方便的通过适量微调图3中陷波谐振器长度L₁的大小调整陷波频带，实现超宽阻带的设计。利用四分之一波长互异结构谐振器设计完成滤波器，整体的拓扑结构如图6中a所示，滤波器整体长度l为16.5mm。最终通过优化获得的高温超导滤波器频率响应曲线如图6中b所示，实现了在6f₀内阻带的抑制度大于40dB，完成了超宽阻带的设计。

图7所示，设计的4阶GSM900频段四分之一波长互异结构阶梯阻抗谐振器的高温超导超宽阻带带通滤波器，在16.5mm×8.1mm高温超导薄膜上采用半导体平面精细加工技术和离子束刻蚀工艺制作完成。在77K时测试曲线，在GSM900频段带宽为25MHz、(f₀+BW/2)～6f₀内的阻带抑制大于40dB，超宽阻带的理论计算与电磁仿真很好地吻合，经过测试性能良好，四分之一波长高温超导滤波器能实现超宽阻带，互异结构能改善高温超导滤波器的阻带频率并提高阻带抑制能力。

本实施例中的方法设计的高温超导滤波器的尺寸小、容差性高、降低了对加工工艺精度的要求，为高温超导超宽阻带带通滤波器的设计提供了一个新的思路。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.高温超导超宽阻带带通滤波器，包括耦合连接的多个谐振器，以及连接首位和末位谐振器的抽头，所述抽头用作对所述带通滤波器馈电，其特征在于，所述各谐振器基频相同，高次谐振频率不同，结构互异。

2.根据权利要求1所述的高温超导超宽阻带带通滤波器，其特征在于，所述谐振器为四分之一波长阶梯阻抗谐振器。

3.根据权利要求1或2所述的高温超导超宽阻带带通滤波器，其特征在于，所述抽头处设置有陷波谐振器。

4.根据权利要求3所述的高温超导超宽阻带带通滤波器，其特征在于，所述谐振器为阶梯阻抗谐振器。

5.根据权利要求1、2或4中任一权利要求所述的高温超导超宽阻带带通滤波器，其特征在于，所示高温超导超宽阻带带通滤波器频段为GSM900频段。

6.根据权利要求1、2或4中任一权利要求所述的高温超导超宽阻带带通滤波器，其特征在于，结构互异的谐振器分别为SIR结构谐振器、变形SIR结构谐振器以及梳状结构谐振器中的一种。