CN107369868B - Gsm-r超导射频前端高温超导滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了GSM‑R超导射频前端高温超导滤波器，应用于中国铁路GSM‑R专网基站，采用高温超导薄膜材料，本发明滤波器的阶数为6～20阶，本发明的电路结构包括多个用于模拟振子分布参数的并联回路和用于模拟振子间耦合系数的传输线，每段传输线依次串联，始端的传输线和末端的传输线分别连接用于模拟源阻抗和负载阻抗的端口，相邻传输线之间的节点均与一个并联回路连接，并联回路由电阻、电感和电容并联组成；本发明的微带结构包括多个以一定间距呈梳状排列的振子。实施本发明，具有以下有益效果：与传统滤波器相比，可以同时并且极大地改善带内插损和带外抑制性能；可以解决现有技术和设备不能解决的铁路专网通信交互异常问题。

Description

GSM-R超导射频前端高温超导滤波器
技术领域
本GSM-R超导射频前端高温超导滤波器应用于中国铁路GSM-R专网基站，是GSM-R超导射频前端的主要部件。GSM-R超导射频前端高温超导滤波器是首次采用超导电子技术来改善铁路GSM-R通信网络的性能。
背景技术
中国铁路GSM-R专网受到其他网络信号和不定时、不明信号的严重干扰，造成高铁运营的车地通信交互异常，严重影响高速铁路的生产调度和运营安全，铁路迫切需要改变这种现状，多年没有找到解决的方法。
产生这种干扰的主要原因是中国电信CDMA的基站发射直接干扰GSM-R基站接收。两网收发保护间隔只有5MHz情况下产生的干扰，现有技术无法解决，GSM-R受干扰就是这种情况。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供GSM-R超导射频前端高温超导滤波器，采用本发明为主要部件的GSM-R超导射频前端加装在GSM-R基站上，能有效解决现在铁路专网通信交互异常问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造GSM-R超导射频前端高温超导滤波器，应用于中国铁路GSM-R专网基站，采用高温超导薄膜材料，所述GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的阶数为6～20阶，所述GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的电路结构包括多个用于模拟振子分布参数的并联回路和用于模拟振子间耦合系数的传输线，每段所述传输线依次串联，始端的传输线和末端的传输线分别连接用于模拟源阻抗和负载阻抗的端口，相邻传输线之间的节点均与一个所述并联回路连接，所述并联回路由电阻、电感和电容并联组成；所述GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的微带结构包括多个以一定间距呈梳状排列的振子，由微带线经过折弯后形成所述振子。
在本发明所述的GSM-R超导射频前端高温超导滤波器中，所述高温超导薄膜材料为MgO或LaAlO3。
在本发明所述的GSM-R超导射频前端高温超导滤波器中，工作频段为885～889MHz，相对带宽为4.5‰，带内插损≤0.3dB，带外5MHz处抑制≥60dB。
在本发明所述的GSM-R超导射频前端高温超导滤波器中，所述高温超导薄膜材料采用所述MgO时，对应单个所述振子的长度为范围为14mm～17mm，单个所述振子的宽度范围为2mm～3mm，相邻振子的间距范围为0.5mm～2.5mm。
在本发明所述的GSM-R超导射频前端高温超导滤波器中，单个所述振子的微带线的线宽范围为0.1mm～0.5mm，单个所述振子的微带线的线距范围为0.1mm～0.5mm。
在本发明所述的GSM-R超导射频前端高温超导滤波器中，当高温超导薄膜材料采用所述MgO时，所述GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的厚度为0.47mm～0.53mm。
传统滤波器比如，LC滤波器、声表面滤波器、介质滤波器、微带滤波器和腔体滤波器，带内插损为1～3dB，带外5MHz处抑制＜8dB。本发明的GSM-R超导射频前端高温超导滤波器，带内插损≤0.3dB，带外5MHz处抑制＞65dB，与传统滤波器相比，带内插损改善了0.7～2.7dB，带外5MHz处抑制改善＞57dB。本发明的GSM-R超导射频前端高温超导滤波器可以同时并且极大地改善带内插损和带外抑制性能，从而解决现有技术和设备不能解决由于干扰造成的铁路专网车地通信交互异常问题。
附图说明
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，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是GSM-R高温超导滤波器的电路结构图；
图2是GSM-R高温超导滤波器的微带结构图；
图3是单个振子的结构示意图；
图4是GSM-R高温超导滤波器的仿真结果图；
图5是GSM-R高温超导滤波器网络分析仪测试连接图；
图6是GSM-R高温超导滤波器噪声分析仪测试连接图；
图7是GSM-R高温超导滤波器和超低温低噪声放大器级联噪声系数测试图；
图8是GSM-R高温超导滤波器测试图。
具体实施方式
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。
GSM-R的工作频段为885～889MHz，工作带宽为4MHz，相对带宽为4.5‰，保护带宽为5MHz。要抑制CDMA对GSM-R的干扰，同时保证GSM-R系统的接收灵敏度，要求接收滤波器带内插损＜0.5dB，带外5MHz处抑制至少＞50dB。传统滤波器比如，LC滤波器、声表面滤波器、介质滤波器、微带滤波器、腔体滤波器，带内插损最好只能做到1～3dB左右，带外5MHz处抑制<8dB，远远不能满足要求。目前，只有高温超导滤波器技术可以解决问题。
本发明应用于中国铁路GSM-R专网基站，采用高温超导薄膜材料，GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的阶数可以为6～20阶。
本发明的GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的带内插损≤0.3dB，带外5MHz处抑制≥65dB。与传统滤波器相比，带内插损改善了0.7～2.7dB，带外5MHz处抑制改善＞57dB。
采用本发明的GSM-R超导射频前端高温超导滤波器为主要部件的GSM-R超导射频前端加装在GSM-R基站上，可以有效解决现在铁路专网车地通信交互异常问题。
一、GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的电路结构如图1所示，阶数为10阶，GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的电路结构包括多个用于模拟振子分布参数的并联回路和用于模拟振子间耦合系数的传输线，每段传输线依次串联，始端的传输线和末端的传输线分别连接用于模拟源阻抗和负载阻抗的端口，相邻传输线之间的节点均与一个并联回路连接，并联回路由电阻、电感和电容并联组成。图1中，TL代表传输线，Z代表特性阻抗，E代表电长度，F代表频率，PRLC代表电阻、电感、电容的并联回路。GSM-R高温超导滤波器的微带结构如图2所示，GSM-R高温超导滤波器的尺寸为42*24mm。GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的微带结构包括多个以一定间距呈梳状排列的振子，由微带线经过折弯后形成振子。图2中，A为GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的长度，B为GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的宽度。图3是单个振子的结构示意图。
二、GSM-R超导射频前端高温超导滤波器材料可以采用MgO(氧化镁)或LaAlO3(铝酸镧)，MgO介电常数是9.7～9.8，LaAlO3的介电常数是24.2～25，使用LaAlO3可以减小GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的尺寸并降低制作成本。当采用MgO时，GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的厚度为0.47mm～0.53mm。对应单个振子的长度D为范围为14mm～17mm，单个振子的宽度E范围为2mm～3mm，相邻振子的间距C范围为0.5mm～2.5mm。单个振子的微带线的线宽G范围为0.1mm～0.5mm，单个振子的微带线的线距H范围为0.1mm～0.5mm。GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的厚度为0.47mm～0.53mm。本发明的GSM-R超导射频前端高温超导滤波器设计以MgO材料为例进行说明，仿真以介电常数9.8，厚度0.508mm进行设计的。
三、仿真结果见图4，带内插损在中心频率887MHz处为0.3dB，工作频带内插损＜0.4dB，带外5MHz处的抑制为70dB。图4中S11曲线表示回波损耗，S21曲线表示插入损耗。
四、对根据仿真制作的GSM-R超导射频前端高温超导滤波器成品进行测试。图5和图6为测试连接图，在-200℃左右的真空杜瓦里，GSM-R超导射频前端高温超导滤波器和超低温低噪声放大器级联测试，测得级联噪声系数在中心频率887MHz处为0.54dB，见图7，连接的线缆插损为0.2dB，LNA(超低温低噪声放大器)的噪声系数为0.2dB，可推算高温超导滤波器的带内插损为0.14dB。带外5MHz处的抑制测试见图8，横坐标每个格4MHz，纵坐标每个格10dB，在Marker 4(880MHz)处，带外抑制＞65dB，在Marker 5(894MHz)处，带外抑制＞75dB。
结论，制作的成品性能指标与仿真结果相近。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.GSM-R超导射频前端高温超导滤波器，其特征在于，应用于中国铁路GSM-R专网基站，采用高温超导薄膜材料，所述GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的阶数为6～20阶，所述GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的电路结构包括多个用于模拟振子分布参数的并联回路和用于模拟振子间耦合系数的传输线，每段所述传输线依次串联，始端的传输线和末端的传输线分别连接用于模拟源阻抗和负载阻抗的端口，相邻传输线之间的节点均与一个所述并联回路连接，所述并联回路由电阻、电感和电容并联组成；所述GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的微带结构包括多个以一定间距呈梳状排列的振子，由微带线经过折弯后形成所述振子，所述高温超导薄膜材料为MgO或LaAlO3，工作频段为885～889MHz，相对带宽为4.5‰，带内插损≤0.3dB，带外5MHz处抑制≥60dB，当所述高温超导薄膜材料采用所述MgO时，对应单个所述振子的长度为范围为14mm～17mm，单个所述振子的宽度范围为2mm～3mm，相邻振子的间距范围为0.5mm～2.5mm，单个所述振子的微带线的线宽范围为0.1mm～0.5mm，单个所述振子的微带线的线距范围为0.1mm～0.5mm，当高温超导薄膜材料采用所述MgO时，所述GSM-R超导射频前端高温超导滤波器的厚度为0.47mm～0.53mm。
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