通信用高温超导滤波器的设计
2009-07-03
作者：范绍东， 羊 恺， 补世荣
摘 要： 基于在LaALO3衬底上用磁控溅射法制备而成的双面氧化物高温超导薄膜YBCO，设计了L波段高温超导带通滤波器。该滤波器采用了SIR型谐振器,利用高温超导薄膜在微波范围内的Q 值比常规导体高1～3个数量级的优点，使器件具有小型化和低插损的特点。同时还研制了具有实用意义的全密封高温超导滤波器外壳,仅需液氮制冷即可进入工作状态。通过测试，达到预期效果。
关键词： 高温超导； 微波； 带通滤波器； SIR
高温超导薄膜具有极低的微波表面电阻(比常规导体小1～3个数量级),是制作微波滤波器、谐振器、延迟线等微波无源器件的理想材料。其中高温超导微波滤波器及滤波器组是高温超导微波应用的关键器件之一,具有比传统波导器件更好的高选择性、低插损特性并兼具平面电路的体积小、重量轻、易于与其他微波固态电路进行混合集成的优点(体积重量却不足1/10)，与常规金属同种结构滤波器相比,带内插损减小3 dB以上。因此倍受军事电子学、移动通信和卫星通信的青睐。HTSC带通滤波器可用于接收机前端中作频率预选和频带压缩,是抑制噪声、提高接收机灵敏度不可缺少的关键部件,目前发展趋势为实用化、小型化和商品化。随着高温超导材料的日益成熟以及制冷技术的不断提高, HTSC带通滤波器以其优异性能将在军事电子领域、民用通信领域, 及太空领域获得更为引人注目的应用。
本文采用双面高温超导薄膜材料YBCO，设计并制作了一种高性能高温超导微带滤波器，这对实现通信系统中电子设备的小型化、降低成本和加速小型化通信系统的发展都起到了非常重要的作用，具有广泛的应用前景。
1 高温超导滤波器的设计
1.1 滤波器结构的选取
设计平面微带滤波器时，根据滤波器的设计指标，按照耦合滤波器的经典综合设计方法，可以很容易地得出滤波器的级数、切比雪夫低通原型滤波器各级的元件值以及各级谐振器之间耦合系数的理论值。然后对其基本组成单元微带谐振器的结构进行选择。图1列出了几种常用的微带谐振器。通常，设计滤波器时不是增加谐振器的级数就是引入附加的交叉耦合，提供一个准椭圆函数特征的滤波器来实现预定的指标。为了达到本次设计的要求，实现高温超导微波器件的小型化，综合考虑光刻工艺以及高温超导材料特有的性质，本文选用了一种改进型SIR型谐振器，如图2所示。这种结构不仅采用曲折线的形式来减小器件尺寸，而且引入内部耦合从而可以有效地抑制谐波，改善滤波器的性能，还与同等级数的切比雪夫原型具有一致的陡峭度。
1.2 滤波器耦合结构的选取
传统的发夹线结构又存在电场耦合、磁场耦合、混合耦合(a)、混合耦合(b)4种耦合方式，如图3所示。
图3中的电场耦合或磁场耦合通过适当变形容易构成椭圆函数或广义切比雪夫函数滤波器，而本设计采用切比雪夫函数原型，故利用混合耦合方式较为简单。为了进一步比较图3中两种混合耦合方式，通过场仿真得到了耦合系数与两谐振器间距S的关系，如图4所示。
从图4中可得出在相同距离S的情况下，混合耦合(a)结构的耦合系数大于混合耦合(b)结构的耦合系数。对于中心频率1.8 GHz，带宽200 MHz的滤波器采用了混合耦合(a)这种结构，因为这种结构能兼顾较宽的带宽和较小的体积。
1.3滤波器的全局电磁仿真
本文利用IE3D等电磁全波仿真软件，经过反复微调得到最终的滤波器电路图及频响曲线,如图5和图6所示。
由图6可见，仿真结果中的带内反射都在22 dB以下，有较好的带外抑制度，1.3 GHz处可达70 dB。
2 滤波器制作与测试
本文所选用的材料是厚度为0.5 mm、介电常数为23.5的LaAlO3衬底上用磁控溅射法制备而成的双面氧化物高温超导薄膜 YBCO,厚度为 400 nm,制作高温超导滤波器时采用的是湿法光刻技术。由于空气中的 H2O、CO2等对超导薄膜的超导性能有所影响 ,而且腐蚀液对超导薄膜的腐蚀效果也不同于常规金属薄膜 ,所以制作以及封装的过程中对环境的湿度要求很高。由于高温超导滤波器的工作环境是在77 K 的温度下，YBCO薄膜吸潮后性能会明显下降甚至失超，故要求把滤波器封装在一个密闭的屏蔽盒中。本文设计了一个高温超导器件的屏蔽外壳，并采用铟丝进行密封，微波输入、输出采用 M/A-COM公司的 SMA密封接头。
在完成对高温超导带通滤波器的封装后，采用矢量网络分析仪 HP8510 对其进行测试，系统框图见图7，根据测试所得的特性曲线(如图8)，测试结果表明：带内插损最好可以达到0.12 dB，这充分证明了利用高温超导材料所设计的滤波器具有极低的插损，本文的实验制备方法是可行的，达到了实验研究的目的。
本文采用全波电磁仿真方法，利用CAD工具，综合设计了高温超导滤波器，并进行制备、封装和测试，实验结果与仿真结果基本吻合。与波导器件和常规平面电路器件相比，高温超导薄膜的采用，使得电子器件具有体积更小、重量更轻、带内插损更小和频率选择性更高等优点，实现了器件的小型化和高性能，对实现通信系统中电子设备的小型化、降低成本和加速小型化通信系统的发展都起到了非常重要的作用，具有广泛的应用前景。
参考文献
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