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VHF頻段極窄帶高溫超導濾波器的研制 內(nèi)容總結(jié)：

自1911年荷蘭物理學家昂納斯發(fā)現(xiàn)超導材料以來，尤其1987年發(fā)現(xiàn)工作于液氮溫區(qū)的YBCO高溫超導材料，超導材料的應用研究得到很大的發(fā)展。與普通金屬相比，超導材料的表面電阻接近于零，特別適合制作高性能的微波無源器件。高溫超導材料制作的濾波器具有極低的插入損耗、極陡的過渡帶以及極高的帶外抑制的優(yōu)勢。高溫超導濾波器在雷達系統(tǒng)、移動通信、電子對抗戰(zhàn)、軍事通信、深空探測等領域具有廣泛的應用前景 [1] [2] [3]。VHF (Very high frequency)頻段為甚高頻，該頻段內(nèi)存在大量的無線通訊系統(tǒng)，如電視、導航、廣播等信號，與其他工作頻段相比較，VHF頻段的電磁環(huán)境更加惡劣，設備間的相互干擾也更嚴重。本工作設計了一款極窄帶寬的高溫超導濾波器來解決現(xiàn)實問題。

內(nèi)容：

1. 引言

自1911年荷蘭物理學家昂納斯發(fā)現(xiàn)超導材料以來，尤其1987年發(fā)現(xiàn)工作于液氮溫區(qū)的YBCO高溫超導材料，超導材料的應用研究得到很大的發(fā)展

與普通金屬相比，超導材料的表面電阻接近于零，特別適合制作高性能的微波無源器件

高溫超導材料制作的濾波器具有極低的插入損耗、極陡的過渡帶以及極高的帶外抑制的優(yōu)勢

高溫超導濾波器在雷達系統(tǒng)、移動通信、電子對抗戰(zhàn)、軍事通信、深空探測等領域具有廣泛的應用前景 [1] [2] [3]

VHF (Very high frequency)頻段為甚高頻，該頻段內(nèi)存在大量的無線通訊系統(tǒng)，如電視、導航、廣播等信號，與其他工作頻段相比較，VHF頻段的電磁環(huán)境更加惡劣，設備間的相互干擾也更嚴重

本工作設計了一款極窄帶寬的高溫超導濾波器來解決現(xiàn)實問題

2013年天津海泰超導公司成功設計了一款相對帶寬1‰的六階極窄帶寬高溫超導濾波器 [4]，達到了高溫超導濾波器窄帶寬的最新高度

該文獻中設計的中心頻率約為1 GHz，屬于超高頻

2020年張戈戎等人完成了一款相對帶寬為3.3‰的八階窄帶濾波器設計 [5]，可有效地提高系統(tǒng)的抗干擾性能

同年，杭州電子科技大學顧月等人成功實現(xiàn)了一款中心頻率為45.5 MHz、相對帶寬為2%的六階高溫超導窄帶濾波器 [6]，為VHF頻段的窄帶濾波器提供了新的解決方案

以上文獻均為高溫超導濾波器可以實現(xiàn)的極窄帶寬提供了實踐基礎

VHF頻段的工作頻率較低，濾波器面積較大；帶寬極窄，要求超導薄膜的均勻性好而且超導電路的加工誤差低，增加了濾波器設計和制造的難度

本文的濾波器設計解決了這兩個難點，采用均勻阻抗諧振器有效地降低濾波器的尺寸；采用電場耦合的方式可實現(xiàn)窄帶寬的要求，采用多源熱共蒸法制備高溫超導薄膜提高了薄膜的均勻性以及利用半導體平面精細加工工藝制作微帶電路，提高了物理電路制作的加工精度，以便將誤差控制在可接受的范圍內(nèi)；成功研制了工作于VHF頻段且相對帶寬為0.8‰的四階高溫超導濾波器

2. 理論計算本文設計的超導濾波器工作頻率為119 MHz，工作帶寬為100 kHz

采用切比雪夫函數(shù)原型，根據(jù)濾波器傳統(tǒng)設計理論公式完成濾波器從低通向帶通的轉(zhuǎn)化 [7]，相應公式如下：Ki,i+1=FBWgigi+1(1)Qei=Qeo=giFBW(2)其中，Ki,i+1為第i和i + 1個相鄰諧振器之間的耦合系數(shù)，Qei、Qeo代表輸入、輸出端口的外部品質(zhì)因數(shù)，F(xiàn)BW為濾波器的相對帶寬，gi代表切比雪夫原型中的電導值

四階高溫超導濾波器的等效電路如

圖1所示

采用計算機輔助設計手段完成濾波器綜合計算，可得到濾波器的理論響應曲線，如

圖2所示



Figure 1. Equivalent circuit diagram of fourth-order superconducting filter

圖1. 四階超導濾波器等效電路

圖



Figure 2. Theoretical curve

圖2. 理論曲線

圖提取出四階高溫超導濾波器的耦合矩陣及經(jīng)過計算可得到輸入、輸出端口的Q值

[0K1,200K2,10K2,300K3,20K3,400K4,30]其中：K1,2=K2,1=K3,4=K4,3=0.000781054,K2,3=K3,2=0.000703175,Qei=Qeo=1190.3. 濾波器的設計超導濾波器常用的介質(zhì)材料有三種：鋁酸鑭(LaAlO3)的孿晶現(xiàn)象使基底介電常數(shù)分布不均勻，對于設計窄帶濾波器的影響較大；藍寶石(Al2O3)與超導薄膜的晶格失配較大且存在各項異性問題；氧化鎂(MgO)材料的介電常數(shù)分布均勻，特別適合窄帶高性能濾波器的設計，不足是介電常數(shù)較低，半波長微帶濾波器電路占用的面積會較大

本文設計采用直徑為2英寸、厚度為0.5 mm的氧化鎂為基底，介電常數(shù)取9.69

諧振器是濾波器的基本構(gòu)成單元，其結(jié)構(gòu)影響著濾波器的性能和整體布局

本文對階梯阻抗諧振器(Stepped Impedance Resonator, SIR)和均勻阻抗諧振器(Uniform Impedance Resonator, UIR)兩種諧振器結(jié)構(gòu)做分析對比

諧振器的結(jié)構(gòu)如

圖3所示



(a) (b)

Figure 3. (a) Schematic diagram of UIR resonator structure; (b) Schematic diagram of SIR resonator structure

圖3. (a) UIR諧振器結(jié)構(gòu)示意

圖；(b) SIR諧振器結(jié)構(gòu)示意

圖UIR結(jié)構(gòu)諧振器長度計算公式如公式(3)，L=λ02=c2f0εeff(3)其中f0為濾波器的中心頻率，c為自由空間電磁波傳播速度約3 × 108 m/s，εeff為基底的有效介電常數(shù)，λ0為波長

SIR結(jié)構(gòu)諧振器的長度根據(jù)文獻公式計算 [8]：θT=θ1+θ2=θ1+arctan(K/tanθ1)(4)Ln=2θTπ(5)其中θT為諧振器的總電長度，θ1、θ2分別代表電長度為θ1、θ2的傳輸線，K為阻抗比，Ln為歸一化長度

對于UIR和SIR諧振器在相同的間距下仿真得到的相鄰諧振器之間的響應曲線如

圖4所示，藍線代表UIR結(jié)構(gòu)，黑色代表SIR結(jié)構(gòu)

從

圖中可看出本文設計的諧振器在相同間距下，UIR結(jié)構(gòu)的耦合強度更弱，更適合制作窄帶濾波器

本文的諧振器排布是平行的，相鄰諧振器之間的耦合系數(shù)由二者的間距確定，可由公式(6)進行計算

ki,i+1=f12?f22f12+f22(6)其中ki,i+1為第i和i + 1個相鄰諧振器之間的耦合系數(shù)，f1、f2是兩個耦合諧振器的諧振響應頻率

本文選取了多個間距得出UIR和SIR結(jié)構(gòu)的耦合系數(shù)與間距d的變化曲線

圖，如

圖5所示



Figure 4. Comparison of coupling curves for the same spacing of SIR and UIR

圖4. SIR和UIR相同間距的耦合曲線對比

圖



Figure 5. Plot of adjacent resonator coupling coefficient versus spacing

圖5. 相鄰諧振器耦合系數(shù)與間距的關系曲線

圖對比兩種結(jié)構(gòu)耦合系數(shù)與距離的曲線可得出，相同的間距，UIR結(jié)構(gòu)的耦合系數(shù)要遠小于SIR結(jié)構(gòu)，更適合于窄帶濾波器的設計

同時本工作需在2英寸的基底上進行濾波器電路排布，最終采用UIR型旋入旋出式螺旋結(jié)構(gòu)進行濾波器整體設計

端口激勵方式為耦合激勵連接，通過改變輸入、輸出端口的饋線和第一個諧振器之間的距離R，可改變外部品質(zhì)因數(shù)Qe，從而確定輸入、輸出端口的位置，可由公式(7)進行計算

外部品質(zhì)因數(shù)Qe隨距離R的變化曲線

圖，如

圖6所示

Qe=f0BW?3dB(7)Qe為諧振器輸入輸出端口的外部品質(zhì)因數(shù)，f0為中心頻率，BW?3dB是仿真曲線?3 dB處的帶寬



Figure 6. Plot of external quality factor versus distance R

圖6. 外部品質(zhì)因數(shù)與距離R的關系曲線

圖由濾波器綜合提取的耦合矩陣結(jié)合

圖5和

圖6曲線，就可以初步確定濾波器的物理電路，如

圖7所示

利用電磁仿真軟件Sonnet對整體的電路

圖進行電磁場模擬計算，可以得到濾波器的仿真結(jié)果

由于本文設計的濾波器的帶寬極窄，同時存在不可避免的寄生效應，所以對濾波器的物理電路進行微調(diào)和優(yōu)化是必要的

最終得到的仿真曲線如

圖8所示，濾波器中心頻率為119 MHz，帶寬為100 kHz，回波損耗優(yōu)于30 dB，阻帶抑制達到70 dB



Figure 7. Schematic diagram of high-temperature superconducting filter structure

圖7. 高溫超導濾波器結(jié)構(gòu)示意

圖



Figure 8. High-temperature superconducting filter simulation curve

圖8. 高溫超導濾波器仿真曲線4. 濾波器測試結(jié)果超導濾波器的襯底為2英寸0.5 mm厚度的氧化鎂基片，采用多源共蒸發(fā)技術(shù)制備DyBa2Cu3O7高溫超導薄膜；濾波器超導微帶電路采用平面精細加工工藝完成，經(jīng)過涂膠、曝光、顯影、刻蝕、切片等過程，得到超導濾波器電路芯片；將高溫超導電路封裝在銅屏蔽盒中，輸入輸出端口采用標準SMA接頭

超導濾波器組裝完成后，進行低溫測試，采用斯特林制冷機制冷，使超導濾波器進入超導態(tài)，利用Agilent公司的網(wǎng)絡分析儀8753ES進行性能測試

當工作溫度穩(wěn)定為70 K時，測試得到的濾波器S11、S21曲線，



Figure 9. Fourth-order superconducting filter test results

圖9. 四階超導濾波器測試結(jié)果

圖如

圖9所示

由超導濾波器的測試結(jié)果得到，濾波器工作頻率為119 MHz，插入損耗約為0.67 dB，帶邊陡度低頻側(cè)為297 dB/MHz，高頻側(cè)為269 dB/MHz，帶外抑制高于70 dB，與設計吻合度較高

回波損耗優(yōu)于10 dB，與設計的30 dB差距較大，分析應該是加工精度誤差以及基片的非均勻所引起，濾波器輸入和輸出阻抗均為50 Ω，測試結(jié)果總體較為理想

5. 結(jié)論

采用均勻阻抗諧振器結(jié)構(gòu)(UIR)在氧化鎂(MgO)基底上設計并制造了一款相對帶寬為0.8‰且工作于VHF頻段的四階高溫超導濾波器

文章給出了濾波器的等效電路、理論曲線、耦合矩陣，介紹了高溫超導濾波器物理電路的設計過程與仿真結(jié)果

測試結(jié)果表明，除了回波損耗外，中心頻率、帶寬、帶邊陡度以及帶外抑制等設計指標均與仿真結(jié)果有很高的一致性

參考文獻

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標簽：VHF,高溫超導濾波器,極窄帶寬,VHF,

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