CN1523780A - 免调型卫星通信用高温超导滤波器的耦合结构及制作工艺 - Google Patents

Abstract

免调型卫星通信用高温超导滤波器的耦合结构及制作工艺属于通信技术领域，其耦合结构的特征在于：分别在带通滤波器两侧的两个连接着引线的谐振器和与它们斜对着的另一个谐振器之间的适当位置各插入一段与谐振器及抽头采用同样的制作工艺且一次加工完成的L型传输线。它适合于卫星通信接收系统射频前端的或者移动通信系统中基站前端的频率预选器的设计中。它用于卫星接收系统时，通带内的反射损耗由原来的－15dB减小到－20dB，传输系数S21也得到改善。同时，它取代了全部调谐螺钉，不仅降低了滤波器的成本，而且缩短了开发周期，适于批量生产。

Description

免调型卫星通信用高温超导滤波器的耦合结构及制作工艺

技术领域

免调型卫星通信用高温超导滤波器的耦合结构及制作工艺属于模拟信号处理和通信技术领域，尤其涉及卫星通信接收系统射频前端的或者移动通信系统中基站前端的频率预选器技术领域。

背景技术

传统的基于集总参数元件构成的低通原型的滤波器综合方法，在做低通—带通频率变换时，仅在中心频率f₀处是准确的，而在其余频率上均有误差，尤其在阻带内会有很大误差。另一方面，用微波结构替代集总参数元件时，也会引入误差，比如：采用半开放结构的微带线构成谐振器，由于传播的是准TEM波，存在非零的纵向电场、磁场分量，因此在频率nf₀(n为大于1的正整数)附近存在固有的寄生通带。一般情况下，采用调谐螺钉予以修正，即在屏蔽盒的盒盖的适当位置添加金属或者蓝宝石材料的调谐螺钉。但是对于在低温条件下(77K)工作的高温超导滤波器，用螺钉调谐将是十分困难的，费时费力而且成本高。

为了实现较高的频率选择性，即要使得过渡带尽量窄，目前比较流行的带通滤波器的拓扑结构是：在非相邻的谐振器之间引入交叉耦合(cross coupling)，又叫非相邻耦合，可以在通带的上、下边缘附近各产生一个传输零点。与这种拓扑结构相对应的低通原型如图1所示(以阶次N＝8为例)，相应的传输函数称之为准椭圆函数频率响应。图中J₃₆即表示被引入的交叉耦合。

谐振器之间的耦合系数和输入、输出谐振器的外部品质因数，可以由低通原型的元件值以及设计指标中的参数而确定，关系式如下：

$Q_{e1}=\frac{g_0{g}_1}{\mathrm{FBW}}$

$Q_{\mathrm{eN}}=\frac{g_N{g}_{N+1}}{\mathrm{FBW}}$

$M_{\mathrm{ij}}=\frac{\mathrm{FBW}}{\sqrt{g_i{g}_j}}{J}_{\mathrm{ij}}$

其中Q_e1和Q_eN分别为输入、输出谐振器的外部品质因数，M_ij是谐振器i和谐振器j之间的耦合系数。FBW为分数带宽，定义为FBW＝BW/f₀，BW为通带带宽。从g₀到g_N+1是低通原型的归一化电容值，J_ij是谐振器i和谐振器j之间的导纳变换器的特性导纳(参看图1)。

目前相关文献上报导的类似的高温超导带通滤波器，从实测结果来看，电压驻波比还有待改善，因为带内的反射损耗都在-15dB左右，甚至更大。这不仅直接引起了功率损失，在某些要求比较苛刻的场合，还可能导致前级单元电路的不稳定。

发明内容

本发明所述的耦合结构的特征在于：分别在带通滤波器两侧的两个连接着引线的谐振器和与它们斜对着的另一个谐振器之间的适当位置各插入一段L型传输线，其中：

L型传输线的线宽为150μm～250μm；

L型传输线水平段的线长为4mm～5mm；

L型传输线竖直段的线长为4mm～5mm；

上述水平段与连接着引线的两个谐振器之间的间距均为0.7mm～0.9mm；

上述竖直段与连接着引线的两个谐振器之间的间距均为0.9mm～1.1mm。

本发明所述的耦合结构的制造工艺，其特征在于：所述的L型传输线与谐振器及抽头采用同样的制作工艺，一次加工而成。

实验证明：通带内的反射损耗减小，同时传输系数也得到改善。此外，取消了全部调谐螺钉，缩短了开发周期，适于批量生产。

附图说明

图1：低通原型的拓扑结构(阶次N＝8)。

图2：带通滤波器的初始版图。

图3：经过改进的带通滤波器版图。

图4：改进前后通带内反射系数S11曲线的比较：□代表改进前的曲线；○代表改进后的曲线。

图5：改进前后传输系数S21曲线的比较：□代表改进前的曲线；○代表改进后的曲线。

具体实施方式

对于图1的对称结构，可以采用奇、偶模理论进行综合。反射系数S11、传输系数S21与奇模反射系数Γ_o、偶模反射系数Γ_e之间的关系式为：

$S_{11}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_e+{\mathrm{\Γ}}_o}{2}$

$S_{21}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_e-{\mathrm{\Γ}}_o}{2}$

奇模反射系数Γ_o、偶模反射系数Γ_e与奇模归一化输入导纳y_o、偶模归一化输入导纳y_e的关系为：

${\mathrm{\Γ}}_o=\frac{1-y_o}{1+y_o}$

${\mathrm{\Γ}}_e=\frac{1-y_e}{1+y_e}$

于是有

$S_{11}=\frac{1-y_e{y}_o}{(1+y_e)(1+y_o)}$

$S_{21}=\frac{y_o-y_e}{(1+y_e)(1+y_o)}$

而y_o和y_e可以用关于低通原型元件值的连分式来表示。继而可得到S₂₁(Ω)和|S₂₁(Ω)|²与低通原型元件值的关系式，Ω是低通滤波器的归一化角频率。

可以设图1所示8阶低通滤波器的功率传输系数为：

${\left|S_{21}\left(\mathrm{\Ω}\right)\right|}^2=\frac{1}{1+{\mathrm{\ϵ}}^2\frac{{({\mathrm{\Ω}}^2-Z_1^2)}^2{({\mathrm{\Ω}}^2-Z_2^2)}^2{({\mathrm{\Ω}}^2-Z_3^2)}^2{({\mathrm{\Ω}}^2-Z_4^2)}^2}{{({\mathrm{\Ω}}^2-P^2)}^2}}$

$=\frac{{({\mathrm{\Ω}}^2-P^2)}^2}{{\mathrm{\ϵ}}^2{({\mathrm{\Ω}}^2-Z_1^2)}^2{({\mathrm{\Ω}}^2-Z_2^2)}^2{({\mathrm{\Ω}}^2-Z_3^2)}^2{({\mathrm{\Ω}}^2-Z_4^2)}^2+{({\mathrm{\Ω}}^2-P^2)}^2}$

式中±P即为低通原型中的归一化传输零点，可根据对过渡带的要求设P为某一大于1的实数，而Z₁、Z₂、Z₃、Z₄为小于1的非负实数。ε²是表征通带内波纹的常数。然后将|S₂₁(Ω)|²与低通原型元件值的关系式同样写成关于Ω²的分式的形式。再与上式对照，根据对应项的系数相等，即可列出关于低通原型元件值的方程组。至此，就可以由功率传输系数的特征函数的零、极点，综合出相应的低通原型。

对由N个耦合谐振器构成的带通滤波器进行电路分析可知：滤波器的传输系数和反射系数可由耦合矩阵[M]、输入谐振器的外部品质因数Q_e1、输出谐振器的外部品质因数Q_eN这三个参量完全确定，如下式所示：

$S_{21}=\frac{2}{\sqrt{q_{e1}{q}_{\mathrm{eN}}}}{\left[A\right]}_{N1}^{-1}$

$S_{11}=1-\frac{2}{q_{e1}}{\left[A\right]}_{11}^{-1}$

式中q_e1＝Q_e1·FBW，q_eN＝Q_eN·FBW，[A]_ij ^-1表示矩阵[A]的逆矩阵的第i行第j列元素，[A]＝[q]+p[U]-j[m]。其中对于矩阵[q]：[q]₁₁＝1/q_e1，[q]_NN＝1/q_eN，其余元素均为零；p＝jΩ；[U]是N阶单位阵；[m]为归一化耦合矩阵，定义为[m]＝[M]/FBW，[M]为耦合矩阵，其第i行第j列元素即为耦合系数M_ij。

微带线谐振器采用方形开环结构(openloop)，带通滤波器的初始设计版图如图2所示。在低通原型中，认为只存在由J₃₆表示的交叉耦合，而不存在其它交叉耦合。而经过频率变换，并用微波结构替代集总参数元件后，出现了新的非相邻耦合。尽管耦合强度很弱，还是会在一定程度上造成带通滤波器性能的恶化。因此我们要设法消除这种非相邻耦合(unwanted crosscoupling)。实质上就是对微波带通滤波器的耦合矩阵[M]中的某些元素进行修正，从而尽量避免传输系数和反射系数的恶化。

初始版图中，1号和3号谐振器之间就存在非相邻耦合，现在单独考察这两个谐振器。当在这两个谐振器之间的适当位置插入一段L型传输线，立即可以发现：原来的双谐振峰耦合特性曲线变成了单谐振峰，说明这段L型线确实起到了去耦的作用。于是在初始版图的基础上添加两段L型传输线，如图3所示(标注0表示引线)。其中，L型传输线的线宽为200μm，水平段的线长为4.6mm，竖直段的线长为4.6mm，L型传输线的竖直段与谐振器1(或者8)的间距为1mm，水平段与谐振器1(或者8)的间距为0.8mm。

本高温超导带通滤波器应用于卫星通信接收系统的射频前端，位于接收天线和低噪声放大器之间。中心频率为1615MHz(L波段)，通带带宽为10MHz。滤波器用直径2英寸，0.5mm厚的LaAlO₃基片制作，LaAlO₃基片双面敷0.6μm厚的高温超导材料YBa₂Cu₃O₇(YBCO)，采用离子溅射制造工艺。

L型传输线与谐振器及抽头(即引线)采用同样的制造工艺，一次加工而成。

经过这样的改进，通带内的反射损耗由原来的-15dB减小到-20dB，如图4所示。同时传输系数S₂₁也得到改善，主要体现在通带内的插入损耗减小以及过渡带变窄，如图5所示。这样的改进措施也取代了所有的调谐螺钉，不仅降低了滤波器的制造成本，而且缩短了开发周期，适于批量生产。

该滤波器同样适用于移动通信系统的基站射频前端。

Claims (3)

1.免调型卫星通信用高温超导滤波器的耦合结构，含有带通滤波器中微带线谐振器采用的方形开环结构，其特征在于：分别在带通滤波器两侧的两个连接着引线的谐振器和与它们斜对着的另一个谐振器之间的适当位置各插入一段L型传输线，其中：

L型传输线的线宽为150μm～250μm；

L型传输线水平段的线长为4mm～5mm；

L型传输线竖直段的线长为4mm～5mm；

上述水平段与连接着引线的两个谐振器之间的间距均为0.7mm～0.9mm；

上述竖直段与连接着引线的两个谐振器之间的间距均为0.9mm～1.1mm。

2.根据权利要求1所述的免调型卫星通信用高温超导滤波器的耦合结构，其特征在于：

所述的L型传输线的线宽为200μm；

所述的L型传输线水平段的线长为4.6mm；

所述的L型传输线竖直段的线长为4.6mm；

所述的L型传输线水平段与连接着引线的谐振器之间的间距为0.8mm；

所述的L型传输线竖直段与连接着引线的谐振器之间的间距为1.0mm。

3.权利要求1所述的免调型卫星通信用高温超导滤波器的制造工艺，其特征在于：所述的L型传输线与谐振器及抽头采用同样的制作工艺，一次加工而成。

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