CN1604384A - 高功率高温超导小型化滤波器 - Google Patents

Abstract

一种高功率高温超导小型化滤波器，在高温超导微带圆盘谐振器的一个同心圆周线上腐蚀均匀分布若干个圆孔，圆孔的半径与圆孔所在的圆周线的半径之比大于十分之一，形成周期性圆盘光子带隙结构，周期性圆孔实现两个电磁场存在的模式，工作模式为TM₀₁₀，圆盘谐振器与两个相互垂直的馈电线耦合，形成圆盘滤波器。本发明结构简单，容易实现，由于光子带隙结构的慢波效应使实现的高功率滤波器的尺寸减小25％，插入损耗大约为－0.5dB，－3dB带宽约为250Mhz，通带波动较小。

Description

高功率高温超导小型化滤波器

技术领域

本发明涉及一种高功率高温超导小型化滤波器，是一种使用具有周期性圆盘光子带隙结构(PBG)实现的高功率高温超导小型化滤波器，属于电子技术领域。

背景技术

薄膜高温超导体的一个重要应用是无源器件。因为无源器件相对来说比较简单，能充分利用高温超导材料的优良性能。在微波范围内，同样条件下高温超导膜的表面电阻R_s比铜低10-1000倍。R_s数量级的差别，大大改善了无源器件的性能，如微波高温超导谐振器的Q值比用常规金属制成的谐振器高出数十乃至数百倍。然而，高温超导电子技术目前面临一个有待解决的问题，即功率传输问题。因为微带线和带状线的电流主要集中在导体线的边缘，而由于腐蚀工艺的原因，线边缘的临界电流往往比中间部分低，当处理功率达到1mW时就会有谐波及非线性现象产生，损耗增加，器件性能降低，因此目前基于高温超导带状线和微带线的电子器件一般只能处理较低的功率，有必要增大其功率处理能力进而提高器件的性能。

高温超导滤波器是一种重要的无源器件。超导带状线和微带线的电流自场使涡漩由边缘向中心移动，形成不利于处理较高功率的因素，如制造于半波长谐振器微带线、带状线及共面波导上的滤波器在77K时功率处理能力低于0.5W。工作于TM₀₁₀模式(D.M.Pozar，“Microwave Engineering，”2^ndedition，John Wiley & Sons，Inc.，1998.)的圆盘的自场使涡漩沿径向向外移，不利于圆盘涡漩的形成，使电流分布更加均匀，没有边缘或角落电流拥挤的现象，因此有利于处理较高功率。但传统的圆盘谐振器上的滤波器尺寸较大，不利于降低成本和方便使用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种高功率高温超导小型化滤波器，减小由传统圆盘谐振器构成的滤波器的尺寸，以降低成本，方便使用。

为达到此目的，本发明提出一种使用周期性圆盘光子带隙结构实现的小型化的高功率高温超导滤波器。在高温超导微带圆盘谐振器的一个同心圆周线上腐蚀均匀分布的四个圆孔，圆孔的半径与圆孔所在的圆周线的半径之比大于十分之一，形成周期性圆盘光子带隙结构，周期性圆孔能实现两个电磁场存在的模式，工作模式为TM₀₁₀。圆盘谐振器与两个相互垂直的馈电线耦合，形成圆盘滤波器。

在微带圆盘谐振器的一个同心圆周线上腐蚀的均匀分布的圆孔实际上是一种周期性的光子带隙结构，根据布拉格周期衍射原理而具有带阻特性，能够阻止某一频段范围的电磁波通过，而且具有慢波效应，即让通过其中的电磁波波导波长变短，起到减小电路元器件尺寸的作用。本发明正是利用光子带隙结构的慢波效应来使圆盘滤波器的尺寸减小。

本发明结构简单，容易实现，获得的小型化高功率滤波器的输入功率高至1W，尺寸比传统的不腐蚀圆孔的圆盘滤波器减小25％，插入损耗大约为-0.5dB，-3dB带宽约为250Mhz，通带波动较小。

附图说明

图1为本发明具有PBG结构的小型化圆盘滤波器结构示意图。

图1中，1为圆盘谐振器，2为圆孔，3为两个互相垂直的馈电线，图中所标尺寸单位为毫米。

图2为本发明实施例中滤波器的散射参数的频率响应曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明的高功率高温超导小型化滤波器具有周期性圆盘光子带隙结构(PBG)，如图1所示。在圆盘谐振器1的一个同心圆周线上均匀分布四个圆孔2，圆孔2的半径与圆孔所在的圆周线的半径之比大于十分之一，形成光子带隙结构。周期性圆孔2能实现两种电磁场存在模式，工作模式为TM₀₁₀。圆盘谐振器1腐蚀圆孔2后与两个相互垂直的馈电线3耦合，形成圆盘滤波器。由于光子带隙结构的慢波特性，即通过其中的电磁波波导波长比真空中电磁波的波长短，而滤波器的尺寸一般与电磁波波长成一定的比例，从而使滤波器的尺寸减小。

本发明实施例中设计并制造的YBa₂Cu₃O_7-x(简称为YBCO)高温超导微带圆盘带通滤波器结构如图1所示，厚度为0.7μm。该滤波器在圆盘谐振器1的一个同心圆周线上腐蚀均匀分布的四个圆孔2。滤波器的中心频率为12.23GHz。

微带圆盘谐振器的TM₀₁₀模的谐振频率为：

$f_{010}=\frac{3.84c}{2\mathrm{\πr}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(1\right)$

这里，c和r分别是真空中的光速和圆盘的半径。要实现TM₀₁₀模的光子带隙结构(PBG)，要求圆孔2的半径与圆孔所在的圆周线的半径之比大于十分之一。

在圆盘谐振器1上刻上周期性圆孔2后，形成一个带通滤波器。该滤波器的圆盘1的直径为6.55mm，圆孔2的直径为0.5mm，中心圆孔的直径为1.0mm，圆孔2的中心到圆盘谐振器1的中心距离为2.0mm，则圆孔2的半径与圆孔所在的圆周线的半径之比为0.125。电介质的介电常数ε_r为24.5，衬底的厚度为H＝0.5mm。圆盘谐振器1与两个相互垂直的馈电线3耦合，形成圆盘滤波器。馈电线3的宽度为0.5mm，长度为9.95mm，与圆盘之间的距离为0.15mm。

在圆盘谐振器1的一个同心圆周线上腐蚀的均匀分布的圆孔2实际上是一种周期性的光子带隙结构，根据布拉格周期衍射原理而具有带阻特性，能够阻止某一频段范围的电磁波通过，而且具有慢波效应，即让通过其中的电磁波波导波长变短。由于滤波器的尺寸一般与电磁波波长成一定的比例，因而这四个均匀分布的圆孔2能使滤波器的尺寸减小。

图2是该滤波器的散射参数的频率响应。插入损耗大约为-0.5dB，-3dB带宽约为250Mhz。通带波动较小。输入功率高至1W，尺寸比传统的不腐蚀圆孔的圆盘滤波器减小25％。

Claims (2)

1、一种高功率高温超导小型化滤波器，其特征在于在高温超导微带圆盘谐振器(1)的一个同心圆周线上均匀分布若干个个圆孔(2)，圆孔(2)的半径与圆孔所在的圆周线的半径之比大于十分之一，形成光子带隙结构，周期性圆孔实现两个电磁场存在的模式，工作模式为TM₀₁₀，圆盘谐振器(1)与两个相互垂直的馈电线(3)耦合，形成圆盘滤波器。

2、权利要求1的高功率高温超导小型化滤波器，其特征在于所述圆盘谐振器(1)的一个同心圆周线上均匀分布四个圆孔(2)，圆孔(2)的半径与圆孔所在的圆周线的半径之比为0.125。