CN105576336A - 一种远谐频的超导微带谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超导微带谐振器，包括上层超导薄膜、下层超导薄膜和位于两层超导薄膜之间的介质基片，上层超导薄膜由弓形折叠线电感、两个矩形块状对地电容以及叉指电容三部分构成，两个块状对地电容的长边彼此相对且一侧互相伸出多条平行叉指交错在一起，弓形折叠线电感由若干段呈弓字型的微带线连接构成完整的一条微带线并与两个块状对地电容的同侧另一端串接；弓形折叠线电感上的微带线分为长微带线和连接相邻长微带线的短微带线，长微带线与叉指电容上的微带线垂直，块状对地电容短边宽度大于十倍弓形折叠线电感微带线的线宽。本发明结构紧凑，可以将二次谐频推高至基频频率5.5倍以外，适合用于设计具有宽阻带响应的小型化窄带滤波器。

Description

一种远谐频的超导微带谐振器

技术领域

本发明涉及一种超导微带谐振器，属于微波技术领域。

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选频，即通过特定频率的信号而抑制另一些频率的信号，被广泛用于移动通信、雷达及其他微波通信领域。超导微带滤波器有插入损耗低、带边陡峭、带外抑制高的特点，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。

由多节微带线谐振器组成的耦合谐振滤波器是微波滤波器的一种重要的实现形式。超导微带线的剖面如图1所示，由上层超导薄膜、下层超导薄膜和位于两层超导薄膜之间的介质基片构成。上层超导薄膜通常由一条两端开路的直线型条带线构成，长度约为谐振频率在微带线介质基片上对应波长的一半，其物理模型相当于电感L电容C串联或并联谐振。由于微带线分布参数电路频率响应的周期性，这种半波长直线型微带线谐振器在二倍频、三倍频等基频整数倍处又产生二次谐频、三次谐频等寄生谐振模式。相应地，这类微带谐振器组成的滤波器在离基频通带一定距离处又产生寄生通带，导致部分不需要的频率信号也能通过滤波器，从而影响滤波器的性能。特别是当滤波器设计通带位于3GHz以内的电磁频谱密集区域时，对寄生通带特性的要求更加严格，要求滤波器在通带以外很宽的阻带范围内具有良好的抑制度。

近年来，研究人员提出了多种谐振器结构用于提高滤波器的寄生通带特性。例如：采用一端接地的1/4波长微带线谐振器结构可以使寄生频率仅出现在基频频率的奇数倍处(二次谐频位于基频的3倍处)，从而改善了滤波器的带外抑制特性。然而，1/4波长微带线要求一端接地，这对于又薄又脆的超导基片而言，大大增加制备工艺的复杂度(ZhangG,LancasterMJ,HuangF,IEEETransMicrowTheoryTech,2(2006),54)；采用阶跃阻抗谐振器结构(JinS，WeiB，ZhangX，etal，Microwaveopt.tech.lett.，49(2007)，2097)可以推高二次谐频频率，然而阶跃阻抗结构，在低频段时面临谐振器尺寸大、难以实现小型化的困难；基于电流分布和磁场抵消原理设计的三圈螺旋超导谐振器(YingZ,GuoX，etal，IEEETrans.AppliedSupercond.，1(2013)，23)和叉指电容串联螺旋电感的准集总参数谐振器（CN200810102869，一种平面超导微带谐振器），也可以将二次谐频推高至基频3.5倍附近。但以上现有技术均无法再往更高频端推移。

发明内容

基于上述原因，本发明克服现有技术的不足之处，提出了一种结构紧凑的超导微带线谐振器，可以显著推高寄生频率，将带外第一谐频推高到约基频频率5.5倍以外。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种远谐频的超导微带谐振器，包括上层超导薄膜、下层超导薄膜和位于两层超导薄膜之间的介质基片，其特征在于：所述上层超导薄膜由弓形折叠线电感、块状对地电容和叉指电容三部分构成，块状对地电容为两个且相对设置，形状为矩形；弓形折叠线电感和叉指电容介于两块块状对地电容之间，两个块状对地电容相对的长边一侧互相伸出多个平行叉指并交错在一起形成叉指电容，弓形折叠线电感分别与两个块状对地电容的短边端串接；弓形折叠线电感由若干段呈弓字型的微带线连接构成完整的一条微带线，弓形折叠线电感上的微带线分为长微带线和连接相邻长微带线的短微带线，长微带线与叉指电容的微带线垂直；块状对地电容的短边宽度为大于十倍弓形折叠线电感微带线的线宽。

作为上述技术方案的进一步设置：

所述弓形折叠线电感的长微带线的线间距优选为与弓形折叠线电感微带线的线宽相同。

所述叉指电容微带线的线宽优选为与弓形折叠线电感微带线的线宽相同。

本发明基于微带线谐振器在基频和二次谐振模式的电荷分布特点进行设计，可以显著推高寄生频率，将二次谐频推高至基频频率5.5倍以外。该平面超导微带线谐振器的另外一个优点是由于该谐振器的等效电感与电容的分布相对集中，结构紧凑；电流集中于弓形折叠线部分、电荷集中于叉指电容部分，基频时电流由谐振器一端流向另一端，因此弓形折叠线电感处相邻的微带线中的电流流向相反，产生的磁场相互抵消，较少部分能够散发至外部空间；同时相邻叉指电容微带线携带符号相反的电荷，因此，电场也大部分被束缚于叉指电容结构和块状对地电容上，很少弥散至外部空间。因此，该谐振器的磁耦合和电耦合都非常弱，适合用于设计具有宽阻带响应的小型化窄带滤波器。

以下通过附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。

附图说明：

图1为平面超导微带线的截面图；

图2为本发明实施例中的上层超导薄膜结构示意图；

图3为本发明的等效电路图；

图4为图2的仿真频率响应特性曲线图；

图5为第一谐频与基频比和块状对地电容宽度的关系曲线图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明提供的一种远谐频的超导微带谐振器，其利用一条完整的微带线，该微带线为平面超导微带线，包括上层超导薄膜1、下层超导薄膜3和位于两层超导薄膜之间的介质基片2。本实施例中的上层超导薄膜1和下层超导薄膜3均采用高温超导薄膜YBCO，介质基片2采用氧化镁材料（也可以采用LaAlO₃、Sapphire等其它材料的基片），厚度为0.50mm，介电常数是9.70。

图2为本实施例给定基频频率为500MHz设计的一个平面超导微带线谐振器的上层超导薄膜1的结构示意图，上层超导薄膜1由弓形折叠线电感100、块状对地电容101和叉指电容102三部分构成，块状对地电容101为两个，形状为矩形，两个块状对地电容101相对设置。基于结构小型化的考虑，同时也尽可能增大块状对地电容101的电容值，使弓形折叠线电感100和叉指电容102介于两块块状对地电容101之间，即增加块状对地电容101的长度；两个块状对地电容101相对的长边一侧互相伸出多个平行叉指并交错在一起形成叉指电容102，弓形折叠线电感100分别与两个块状对地电容101的短边串接；采用上述结构的谐振器等效电路如图3所示，图3中L_s为折线电感，C_g为叉指电容，C_ps代表对地电容（包含块状对地电容+折叠线电感微带自身对地电容+叉指微带的对地电容）。弓形折叠线电感100由若干段呈弓字型的微带线连接构成完整的一条微带线，弓形折叠线电感100上的微带线分为长微带线1001和连接相邻长微带线1001的短微带线1002，为进一步推高谐频，本实施例将长微带线1001设计成与叉指电容102的微带线垂直。因为从电荷分布的观点考虑，电荷越集中于叉指电容102中，叉指电容102的电容效应越强，越有利于推高谐频。若弓形折叠线电感100处的微带线与叉指电容102的微带线互相平行，则靠近叉指结构的平行长微带线易吸引出（感应）电荷，不利于电荷在叉指电容102上充分集中分布，因此本发明将平行于叉指电容102的短微带线1002设计较短，减少对叉指电容102上电荷的影响。

上述方案中的弓形折叠线电感100的微带线根据频率进行优化，弓形折叠线电感100的微带线可以看成是由11段呈弓字型的微带线拼接而成，也可以说是由17节U型段拼接而成。弓形折叠线电感100的微带线外轮廓长为5.52mm，宽为1.52mm。弓形折叠线电感100的长微带线1001的线间距优选为与弓形折叠线电感100微带线的线宽相同。基于小型化的考虑，弓形折叠线电感100的微带线宽可优选0.01mm至0.20mm，本实施例中选择线宽为0.08mm，即弓形折叠线电感100的长微带线1001的线间距也为0.08mm。同样基于小型化的考量，叉指电容102微带线的线宽优选为与弓形折叠线电感100微带线的线宽相同，本实施例中即0.08mm。叉指电容102每端叉指各设计为十根。块状对地电容101的长度设计为5.02mm，为进一步推高谐频，增大块状对地电容101的电容值，块状对地电容101的宽度在设计时应尽量宽一些，但同时也要考虑结构小型化的需要。块状对地电容101宽度的确定可以借助电磁仿真软件来确定，图5为本实施例第一谐频与基频比和块状对地电容101宽度的关系曲线图，从图5中可以看出，第一谐频与基频比f_s1/f₀随着块状对地电容101的宽度增大先快速增大，达到某一值后趋于平缓，其原因在于：块状对地电容101宽度增大，其电容值也越大，使得电荷更集中于电容区，有利于谐频比例的提高。但是为了调整保证基频频率不变，电容越大，也意味着相应的弓形折叠线电感100越短，过短的弓形折叠线电感100会显著影响谐振器的自电感，同时也会限制叉指电容102区的面积，影响谐频的进一步提高。因此，一般在设计块状对地电容101的宽度时，只要不超过图中的最佳值即可，对于本实施例而言，我们将矩形块状对地电容101的宽度确定为25倍弓形折叠线电感100微带线的线宽，即2mm。通过对不同基频超导微带线谐振器的仿真，块状对地电容101宽度的最佳值均大于10倍弓形折叠线电感100微带线的线宽，因此，一般只需将块状对地电容101的宽度优选为10倍弓形折叠线电感100微带线的线宽即可。

图4为本发明实施例的仿真频率响应特性曲线，本实施例谐振器的基频频率为500MHz，图4中仿真的二次谐频频率为2788MHz，本发明设计的谐振器二次谐频频率为基频频率的5.58倍，与传统微带线谐振器二次谐频频率约为基频频率的两倍相比，显著提高了寄生频率响应特性。

本发明的谐振器结构中叉指电容102与块状对地电容101相连接的多段平行微带线交叉在一起，在基频时任意两根相邻的微带线之间的电荷极性相反，这些电荷互相吸引，形成较大的自电容，并与块状对地电容101并联，从而导致谐振器的基频谐振频率降低；而对于谐振器谐振于二次谐频时，叉指电容102相邻微带线上集中的是同种电荷，由于同种电荷间的互斥效应，导致电容值较小，因而二次谐振模式频率较高。

基频时电流由谐振器一端流向另一端，因此弓形折叠线电感100中任意两条相邻长微带线1001之间的谐振电流方向相反，产生的磁场相互抵消，较少部分能够散发至外部空间。同时相邻叉指微带线携带符号相反的电荷，因此，电场也大部分被束缚于叉指结构和块状对地电容101上，很少弥散至外部空间。因此，该谐振器的磁耦合和电耦合都非常弱，适合用于设计窄带滤波器。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (3)

1.一种远谐频的超导微带谐振器，包括上层超导薄膜、下层超导薄膜和位于两层超导薄膜之间的介质基片，其特征在于：所述上层超导薄膜由弓形折叠线电感、块状对地电容和叉指电容三部分构成，块状对地电容为两个且相对设置，形状为矩形；弓形折叠线电感和叉指电容介于两块块状对地电容之间，两个块状对地电容相对的长边一侧互相伸出多个平行叉指并交错在一起形成叉指电容，弓形折叠线电感分别与两个块状对地电容的短边端串接；弓形折叠线电感由若干段呈弓字型的微带线连接构成完整的一条微带线，弓形折叠线电感上的微带线分为长微带线和连接相邻长微带线的短微带线，长微带线与叉指电容的微带线垂直；块状对地电容的短边宽度为大于十倍弓形折叠线电感微带线的线宽。

2.根据权利要求1所述的一种远谐频的超导微带谐振器，其特征在于：所述弓形折叠线电感的长微带线的线间距优选为与弓形折叠线电感微带线的线宽相同。

3.根据权利要求1所述的一种远谐频的超导微带谐振器，其特征在于：所述叉指电容微带线的线宽优选为与弓形折叠线电感微带线的线宽相同。