CN1929191B - 高温超导带阻与带通的集成滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温超导带阻与带通的集成滤波器，包括高温超导带阻滤波器和高温超导带通滤波器，高温超导带通滤波器由多元带通谐振器组成，高温超导带阻滤波器和所述高温超导带通滤波器全部集成在同一块高温超导膜基片上，高温超导带阻滤波器的频段可调，高温超导带通滤波器和高温超导带阻滤波器的输入及输出端的阻抗为50Ω，二者之间的间隔距离兼顾减小二种滤波器之间的干扰以及高温超导薄膜基片的尺寸；本发明将二种不同类型的滤波器集成在同一片超导双面膜上，兼顾高温超导带通和带阻特性，二种滤波器之间的传输特性不会产生相互干扰，大大缩小了滤波器的体积和重量，进一步减少了损耗，而且还保持了高温超导滤波器带内插损小、带外抑制好、边带陡峭和通带窄等优点；本发明可用于有特殊要求的微波电路中。
Description
技术领域
本发明属于微波工程领域，涉及高温超导带阻滤波器和高温超导带通滤波器的集成滤波器，可用于有特殊要求的微波电路中。
背景技术
自高温超导体发现以来，从事微波工作的学者就十分关注这种材料的微波特性。90年代前后，人们从实验中确认，高温超导体的表面电阻优于常规导体，例如在1至3G范围内，高温超导体的表面电阻只有铜的1％至1‰。从90年代初起，各种高温超导微波器件相继诞生，都显示了优良性能，其中发展最成熟的当属各种高温超导滤波器。
高温超导滤波器是用双面高温超导薄膜制成的器件，也就是说它是一种微带形式的器件，滤波器的每一个谐振单元都是一个平面微带谐振腔，把n个平面谐振腔集成在同一平面上就构成了n级高温超导滤波器。自90年代以来，高温超导微带滤波器的理论取得了长足的进步，已经形成了一整套系统的理论，相继出版了一些专门著作。在高温超导滤波器的设计方法上，也发展了以计算机和专用设计软件为设计工具的一整套仿真计算与设计方法。
高温超导滤波器的制作方法也有别于常规滤波器，后者以机加工为主，前者则更接近半导体集成电路工艺，即用了光刻、离子刻蚀、切片等半导体加工工艺。目前，高温超导滤波器的设计方法和制作工艺应属于公知技术。
从已有的资料来看，高温超导滤波器只有低通、带通、带阻和高通滤波器四大类，还未见到几种不同种类的高温超导滤波器集成为一体的情况。但是在实际工作中，往往需要不同种类的滤波器结合在一起，满足工程中的特殊要求。例如接收机前端需要一种窄带滤波器，但考虑到发射的干扰，要求带通滤波器在带外某频点具有极高的阻抗，显然单一的带通滤波器很难完成这一任务。理想的方法是将二种不同类型的高温超导滤波器集成在同一片高温超导双面膜上，其好处是大大缩小了体积和重量，进一步减少了损耗，即意味着噪声进一步下降，同时保留了高温超导滤波器的优点，即体积小，带内插损小，带外抑制好，边带陡峭，通带窄。但是，集成滤波器在设计上也带来一些困难，主要是二种滤波器的传输特性可能会相互干扰，例如带阻滤波器的通带可能不够平坦，这样造成了带通滤波器通带的附加损耗，又如二种滤波器集成后，由于远场耦合可能形成邻频干扰等等。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种兼顾高温超导带通和带阻特性的高温超导带阻与带通的集成滤波器。
为实现上述目的，本发明提供了一种高温超导带阻与带通的集成滤波器，包括高温超导带阻滤波器和高温超导带通滤波器，该高温超导带通滤波器由多元带通谐振器组成，所述高温超导带阻滤波器和所述高温超导带通滤波器全部集成在同一块高温超导薄膜基片上，该高温超导带阻滤波器的频段为可调的，高温超导带通滤波器和高温超导带阻滤波器的输入及输出端的阻抗为50Ω，二者之间的间隔距离兼顾减小二种滤波器之间的干扰以及高温超导薄膜基片的尺寸，所述高温超导带阻滤波器包括n级带阻滤波器、阻带带宽调节器、通带调节器和地电容.
进一步，所述高温超导带通滤波器为切比雪夫型带通滤波器或准椭圆型带通滤波器。
进一步，所述的n级带阻滤波器为四分之一波长开路带阻滤波器，它由n个四分之一波长的开路线组成，开路线的一端与具有传输功能的所述阻带带宽调节器相连，传输线的宽度应满足阻抗是50Ω的要求。
进一步，所述高温超导带通和带阻滤波器的输入、输出端的阻抗为50Ω是通过调整微带传输线的线宽来实现的。
进一步，所述n级带阻滤波器为二单元频段可调带阻滤波器，所述高温超导薄膜材料是YBCO，介质基片是LaAlO3，基片厚度为0.5mm，该带阻滤波器传输线宽0.17mm，四分之一波长为6.2mm，阻带带宽调节器2的长度为8mm，带通调节器3线长为4.5mm，地电容4面积为10×6mm2；所述带通滤波器为8单元带通滤波器，所述多元带通谐振器为发卡型折线谐振器，谐振器线宽为0.5mm；该集成滤波器总面积为20×45mm2。
与现有技术相比，本发明高温超导带阻与带通的集成滤波器，将二种不同类型的滤波器集成在同一片超导双面膜上，兼顾高温超导带通和带阻特性，二种滤波器之间的传输特性不会产生相互干扰，大大缩小了滤波器的体积和重量，进一步减少了损耗，而且还保持了高温超导滤波器带内插损小、带外抑制好、边带陡峭和通带窄等优点。
附图说明
图1是频段可调带阻滤波器的结构示意图；
图2是阻带带宽调节器长度约为四分之一波长时的频率响应曲线，其阻带为单峰；
图3是当阻带带宽调节器的长度重新调整后，相应的响应曲线中带阻为双峰，带宽亦展宽；
图4是8单元准椭圆型带通滤波器的理论曲线；
图5是8单元准椭圆型带通滤波器的仿真曲线；
图6是带阻与准椭圆型带通滤波器集成在一起的设计版图；
图7是对集成滤波器仿真得到的带通特性曲线；
图8是在2.5GHz处得到带外特性的示意图；
图9是8单元切比雪夫型带通滤波器的理论曲线；
图10是带阻与切比雪夫型带通滤波器集成在一起的设计版图；
图11是集成滤波器在77K下实测的带通特性的示意图；
图12是集成滤波器在77K下实测的带外特性的示意图。
具体实施方式
本发明是将高温超导带通滤波器和高温超导带阻滤波器，集成在一块高温超导基片上，形成一个完整、紧凑的滤波器组.这种集成要求带阻滤波器输入、输出端使用50Ω传输线，带通滤波器输入、输出端也使用50Ω传输线，二种滤波器间隔尽可能大以便减小二种滤波器之间的干扰，同时也要兼顾高温超导薄膜的尺寸.集成滤波器的设计方案是利用专业软件(如Sonnet)经过反复仿真，直到传输特性(S21与S11曲线)完全达到要求，才能最终确定.高温超导带阻滤波器和高温超导带通滤波器之间的间隔距离越大，二种滤波器之间的干扰越小，但间隔距离又受到高温超导薄膜基片的大小的限制.因此二种滤波器之间间隔距离的选取要兼顾到减小二种滤波器之间的干扰以及高温超导薄膜基片的尺寸.
高温超导带通滤波器可以选用切比雪夫型带通滤波器或准椭圆型带通滤波器，要求其输入、输出端为50Ω阻抗。
图1所示频段可调带阻滤波器的结构，包括n级带阻滤波器1、阻带带宽调节器2、通带调节器3和地电容4。n级带阻滤波器1是典型的四分之一波长开路带阻滤波器，它由n个约四分之一波长的开路线组成，开路线的一端与具有传输功能的阻带带宽调节器2相连，传输线的宽度满足阻抗是50Ω的要求。阻带带宽调节器2可以控制阻带的带宽，如果其长度为四分之一波长，在S21曲线上只看到一个带阻峰，改变其长度，单峰分裂为双峰，相应带宽也会增加，其情况如图2和图3所示。频段可调带阻滤波器可以通过调节通带调节器3的长度，改变通带特定频段的平坦度及插损。在图2和图3中，频率低端的通带上，S11的峰值便对应着这一情形，因为在该处插损应最小。
下面通过实施例来详细说明高温超导带阻与带通的集成滤波器的设计方法及具体的产品：
实施例1
设计一个高温超导集成滤波器组，要求通带中心频率为f1＝1715MHz，带宽Δf＝15MHz，在f2＝2.5GHz附近要求阻抗达到-90dB以上。
高温超导带通滤波器的设计：选用准椭圆函数模型，利用相关程序求出其理论曲线(如图4所示)和相关的耦合参数。选择一种发卡型折线谐振器，使其长度约为
(ε为基片介电常数)。使用Sonnet软件对谐振器仿真得到其仿真频率，修改谐振器折线长度，直至谐振器的仿真频率为f1＝1715MHz。
将8个这种谐振器按一定顺序排列，组成准椭圆型带通滤波器。通过仿真使谐振器之间的耦合参数与理论值尽可能相近。对该8单元带通滤波器的频率相应曲线(S参数曲线)仿真，对所设计的图形不断调整和仿真，直至得到的频率响应曲线与理论值十分接近，图5是准椭圆型带通滤波器的仿真曲线。
带阻滤波器的设计：首先按公式
估算带阻滤波器1的长度，并确定带阻滤波器为二级。初步确定阻带带宽调节器2的长度为初步设定通带调节器3的长度为的某一个值。按图1结构和上述参数初步确定频段可调带阻滤波器的设计图。用Sonnet软件求仿真曲线。不断调整上述参数，直到该带阻滤波器的阻带在f2＝2500MHz附近，而在f1＝1715MHz形成Δf＞20MHz的通带(S11在-40dB以下)。
带阻带通集成滤波器设计：将带通、带阻滤波器设计结果拼接在一张版图上，应保证，二种滤波器的输出和输入端均为50Ω.利用Sonnet软件重新仿真，观察相应的S21和S11传输特性曲线.对图形中相应部分作适当调整并重新仿真，直到带通滤波器达到设计要求.在2.5G附近观察带外阻抗，直到阻抗达到-90dB以下.图6是带阻与准椭圆型带通的集成滤波器的设计图，图7是利用软件对该图仿真的结果，图中显示了带通滤波器的传输特性.图8显示了在2.5G处的传输特性，由于带阻滤波器的作用，使该处的阻抗超过了-100dB.
实施例2
设计要求同实施例1，高温超导带通滤波器选用切比雪夫函数模型，利用相关程序求出其理论曲线(如图9所示)和相关的耦合参数。选择一种夹型折线谐振器，通过仿真使谐振器的仿真频率为f1＝1715MHz。将8个这种谐振器按直线排列，组成切比雪夫型带通滤波器，并通过实施例1中的方法，与实施例1中所述的带阻滤波器集成，得到如图10所示的带阻与切比雪夫型带通的集成滤波器的设计图。
实施例3
将实施例1中设计的结果制成光刻模板，使用的高温超导双面薄膜材料是YBCO，介质基片是LaAlO3，基片厚0.5mm，超导膜厚约0.6～0.7nm。用常规方法对该高温超导薄膜进行光刻，当高温超导薄膜表面的光刻掩膜形成后，即用离子刻蚀机对其进行干法刻蚀。利用半导体划片机将干法刻蚀后的高温超导薄膜切割成所需要的尺寸并进行清洗，即可得到高温超导滤波器。
图11和图12是集成滤波器在77K下实测的结果，图11显示的是带通特性，带内差损只有0.1-0.2dB，带外阻抗在60dB以上，反射特性达到-21dB。图12显示的是在2.5G处的带外特性，自1.8GHz至2.9GHz带外阻抗均在80dB以上，最大甚至在110dB左右，在设计要求的频点2.5GHz处达到95dB，超过了指标要求。测量使用了网络分析仪器Hp8510c，图11是平均16次的结果，图12是平均2048次的结果。
Claims (5)
1.一种高温超导带阻与带通的集成滤波器，包括高温超导带阻滤波器和高温超导带通滤波器，该高温超导带通滤波器由多元带通谐振器组成，其特征在于，所述高温超导带阻滤波器和所述高温超导带通滤波器全部集成在同一块高温超导薄膜基片上，该高温超导带阻滤波器的频段为可调的，高温超导带通滤波器和高温超导带阻滤波器的输入及输出端的阻抗为50Ω，二者之间的间隔距离兼顾减小二种滤波器之间的干扰以及高温超导薄膜基片的尺寸，所述高温超导带阻滤波器包括n级带阻滤波器、阻带带宽调节器、通带调节器和地电容，n级带阻滤波器由n个四分之一波长的开路线组成，该开路线的一端与阻带带宽调节器相连，每一级四分之一波长开路带阻滤波器都分别与一个通带调节器相连，通带调节器上还相连有地电容。
2.根据权利要求1所述的集成滤波器，其特征在于，所述高温超导带通滤波器为切比雪夫型带通滤波器或准椭圆型带通滤波器。
3.根据权利要求1所述的集成滤波器，其特征在于，所述的n级带阻滤波器为四分之一波长开路带阻滤波器，它由n个四分之一波长的开路线组成，开路线的一端与具有传输功能的所述阻带带宽调节器相连，传输线的宽度应满足阻抗是50Ω的要求。
4.根据权利要求1所述的集成滤波器，其特征在于，所述高温超导带通和带阻滤波器的输入、输出端的阻抗为50Ω，是通过调整微带传输线的线宽来实现的。
5.根据权利要求1所述的集成滤波器，其特征在于，所述n级带阻滤波器为二单元频段可调带阻滤波器，所述高温超导薄膜材料是YBCO，介质基片是LaAlO3，基片厚度为0.5mm，该带阻滤波器传输线宽0.17mm，四分之一波长为6.2mm，阻带带宽调节器(2)的长度为8mm，通带调节器(3)线长为4.5mm，地电容(4)面积为10×6mm2；所述带通滤波器为8单元带通滤波器，所述多元带通谐振器为发卡型折线谐振器，谐振器线宽为0.5mm；该集成滤波器总面积为20×45mm2。
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