三分鐘看懂365MHz高溫超導帶阻濾波器的研制

摘要：本文成功設計了一款8階高溫超導帶阻濾波器，濾波器的阻帶中心頻率為365MHz，阻帶帶寬為9.2MHz。給出了濾波器設計原理、設計過程以及設計結(jié)果，采用Sonnet軟件進行濾波器微帶電路的全波電磁場仿真，濾波器由基于2英寸LaAlO3為襯底的DyBa2Cu3O7高溫超導薄膜制作而成。實際測試得到很好的技術(shù)指標。

1、引言

自從高溫超導薄膜材料問世以來，經(jīng)過20多年不同領域的科技工作者的不懈努力，證實高溫超導薄膜在射電天文、深空探測、移動通信系統(tǒng)、醫(yī)療器械等領域都有著廣泛的應用前景。在移動通信頻段內(nèi)，高溫超導材料的微波電阻比傳統(tǒng)金屬材料小3個數(shù)量級左右，利用高溫超導材料薄膜制作的濾波器具有插入損耗極小、過渡帶陡峭，帶外抑制高的特點。在國內(nèi)許多科研院所，高校以及企業(yè)都圍繞著高溫超導濾波器展開了更加細致的研究，已經(jīng)設計制作出多款具有很好技術(shù)指標水平的高溫超導濾波器產(chǎn)品［1］［2］ ［3］。

近年來，隨著通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，越來越多的微波頻段被通信系統(tǒng)所利用，空間電磁頻譜日益密集，無線通信環(huán)境越來越復雜，無線通信系統(tǒng)之間的干擾也越來越嚴重，無線通信環(huán)境越來越惡劣。干擾信號會給無線通信基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的通信質(zhì)量帶來很多問題，如電話掉線、連接困難、信息丟失以及接收語音質(zhì)量很差等等［4］。因此，在通信網(wǎng)絡的建設中，有效解決干擾是一項重要的工作內(nèi)容，在常用的帶通濾波器不能很好的解決問題的時候，就需要針對干擾信號增加帶阻濾波器，實現(xiàn)對干擾源信號的濾除。本工作的主要研究目標就是針對實際的移動通信場景，在通信系統(tǒng)的接收端，設計開發(fā)一款帶阻濾波器，濾除掉集群通信系統(tǒng)的強發(fā)射信號，解決集群發(fā)射信號對本通信系統(tǒng)的干擾問題。

2、帶阻濾波器理論設計

本次設計的濾波器電路是基于切比雪夫原型電路設計，每個諧振器的諧振頻率都是完全相同的，而且每相鄰兩個諧振器之間的電長度是1/4波長［5］。帶阻濾波器的電抗斜率參數(shù)依據(jù)以下公式計算得出：

其中，ωi=ω0是濾波器的中心角頻率，F(xiàn)BW是帶阻濾波器的相對帶寬，gi為切比雪夫低通原型相應第i個元件的電導參數(shù)值，通過查表得到。Zp=Z0為傳輸線的特性阻抗。

電抗斜率參數(shù)與帶阻濾波器的中心頻率之間關系由下式計算得出：

其中，f0是帶阻濾波器中心頻率，Δfi3dB是-3dB處帶寬。

按照切比雪夫結(jié)構(gòu)帶阻濾波器的綜合設計理論，給出切比雪夫帶阻濾波器的等效電路結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1、切比雪夫帶阻濾波器的等效電路

借助于微波設計對帶阻濾波器等效電路的參數(shù)進行綜合優(yōu)化，可以得到滿足設計要求的8階帶阻濾波器的頻率響應理論曲線，如圖2所示，其中S11為帶阻濾波器回波損耗曲線，S21是濾波器的傳輸損耗曲線。

圖2、8階帶阻濾波器頻率響應理論曲線

3、物理電路設計與仿真

帶阻濾波器具體設計過程是：

首先，如上節(jié)內(nèi)容所述，利用微波設計軟件，得到滿足設計要求的8階帶阻濾波器的頻率響應理論曲線，得到電路元件的優(yōu)化后數(shù)據(jù)，從而提取出濾波器耦合參數(shù)數(shù)據(jù)，作為濾波器物理電路設計的理論依據(jù)。

其次，確定所設計濾波器采用的襯底材料及諧振器、傳輸線結(jié)構(gòu)。

本設計濾波器襯底材料為0.5mm厚度LaAlO3，其介電常數(shù)約為23.8，適合設計較低頻率濾波器，導電層為鏑鋇銅氧（DyBa2Cu3O7簡寫成DyBCO）高溫超導薄膜材料。

由于濾波器工作頻率較低，諧振器長度較長，為了有效減小濾波器尺寸，節(jié)省占用空間，諧振器結(jié)構(gòu)采用半波長對稱螺旋諧振器結(jié)構(gòu)，諧振器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

每兩個諧振器之間的傳輸線長度是1/4波長。同樣由于超導薄膜面積有限，需要采用適宜的傳輸線物理形式，減小濾波器的面積，本工作采用折線結(jié)構(gòu)，如圖4所示，有效地解決了主傳輸線的長度問題。

由于在帶阻濾波器理論設計中，每個諧振器只與主傳輸線發(fā)生耦合作用，所以實際的物理電路設計要盡可能的減弱或者消除諧振器之間的相互耦合。一種方法是物理上分離這些諧振器，例如把每一個諧振器放在單獨的金屬盒里來隔離彼此之間的耦合。這樣能夠得到很好的效果，但是很大地增加了濾波器的尺寸［6］。本工作采用把諧振器依次分別放置在主傳輸線的兩側(cè)的方法，很好地減弱了諧振器之間的耦合效應。

圖3、對稱螺旋結(jié)構(gòu)諧振器

圖4、折線結(jié)構(gòu)傳輸線

再次，采用Sonnet軟件，在電磁仿真環(huán)境中，確定好帶阻濾波器傳輸線結(jié)構(gòu)后加入第一個諧振器，仿真得到其頻率響應曲線，通過調(diào)整諧振器與傳輸線的相對位置，使得到的仿真數(shù)據(jù)與理論值一致，從而確定第一個諧振器與傳輸線耦合位置。依次完成各個諧振器與傳輸線的耦合設計。

最后，搭建出8階高溫超導帶阻濾波器的整體物理電路，并進行電路的電磁場全波模擬仿真。由于非預期寄生效應的客觀存在，濾波器的仿真結(jié)果會與理論結(jié)果存在一定的差距，還需要對濾波器的整體物理電路進行細微調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)濾波器的物理設計，得到理想的模擬仿真結(jié)果。濾波器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，濾波器的性能仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5、8階高溫超導帶阻濾波器電路結(jié)構(gòu)示意圖

圖6、8階高溫超導帶阻濾波器最終仿真曲線

4、濾波器的制作與測試

將以上設計完成的濾波器電路制作到厚度為0.5mm的2英寸LaAlO3為襯底的雙面DyBCO高溫超導薄膜上。高溫超導薄膜材料的制備采用的是多源熱共蒸技術(shù)，微帶電路的加工采用半導體平面精細加工工藝技術(shù)，經(jīng)過曝光、顯影、離子束刻蝕、切割等過程，得到超導帶阻濾波器電路芯片，超導芯片最后封裝到銅質(zhì)屏蔽盒中，標準SMA接頭作為輸入輸出端口，輸入輸出匹配阻抗均為50Ω。封裝完成后，采用Agilent公司的8753ES網(wǎng)絡分析儀對高溫超導帶阻濾波器性能進行測試。工作溫度設定為75K，測試結(jié)果如圖7所示，其中圖7（a）為濾波器阻帶特性，圖7（b）為濾波器的寬頻域特性。橫坐標為頻率（MHz），縱坐標為幅度（dB），兩圖中傳輸特性S21的0dB參考線在最上方第一條橫格線，反射特性S11的0dB參考線在中間的第六條橫格線。由濾波器測試曲線可以看出，濾波器的阻帶中心頻率為365MHz，阻帶寬度為9.2MHz，阻帶抑制最高達到80dB，濾波器通帶的回波損耗優(yōu)于20dB，通帶插入損耗小于0.1dB，實際測試結(jié)果與設計結(jié)果吻合度很高，取得了非常理想的結(jié)果。

（a）阻帶特性、（b）寬頻域特性

圖7、8階高溫超導帶阻濾波器測試結(jié)果

5、結(jié)論

本文設計了一款新型的8階高溫超導帶阻濾波器，用于濾除無線通信中的強干擾信號，提高系統(tǒng)的信號接收靈敏度和抗干擾能力。并制作出了濾波器實物，經(jīng)低溫測試，帶阻濾波器的性能比較理想。表明采用雙螺旋結(jié)構(gòu)諧振器和折線結(jié)構(gòu)傳輸線設計的帶阻濾波器不但具有緊湊的物理結(jié)構(gòu)，而且性能指標與設計結(jié)果具有很好的吻合性。