1. 天津海泰超導(dǎo)電子有限公司，天津，300384；
2. 天津理工大學(xué)電信學(xué)院，天津，300384

摘要：本文成功設(shè)計(jì)了一款8階高溫超導(dǎo)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(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)過(guò)程以及設(shè)計(jì)結(jié)果，采用Sonnet軟件進(jìn)行濾波器微帶電路的全波電磁場(chǎng)仿真，濾波器由基于2英寸LaAlO₃為襯底的DyBa₂Cu₃O₇高溫超導(dǎo)薄膜制作而成。實(shí)際測(cè)試得到很好的技術(shù)指標(biāo)。

關(guān)鍵字：高溫超導(dǎo)薄膜，帶阻濾波器，電磁場(chǎng)仿真

1、引言

自從高溫超導(dǎo)薄膜材料問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)20多年不同領(lǐng)域的科技工作者的不懈努力，證實(shí)高溫超導(dǎo)薄膜在射電天文、深空探測(cè)、移動(dòng)通信系統(tǒng)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。在移動(dòng)通信頻段內(nèi)，高溫超導(dǎo)材料的微波電阻比傳統(tǒng)金屬材料小3個(gè)數(shù)量級(jí)左右，利用高溫超導(dǎo)材料薄膜制作的濾波器具有插入損耗極小、過(guò)渡帶陡峭，帶外抑制高的特點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)許多科研院所，高校以及企業(yè)都圍繞著高溫超導(dǎo)濾波器展開了更加細(xì)致的研究，已經(jīng)設(shè)計(jì)制作出多款具有很好技術(shù)指標(biāo)水平的高溫超導(dǎo)濾波器產(chǎn)品^{[1][2] [3]}。

近年來(lái)，隨著通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，越來(lái)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(wú)線通信環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，無(wú)線通信系統(tǒng)之間的干擾也越來(lái)越嚴(yán)重，無(wú)線通信環(huán)境越來(lái)越惡劣。干擾信號(hào)會(huì)給無(wú)線通信基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的通信質(zhì)量帶來(lái)很多問(wèn)題，如電話掉線、連接困難、信息丟失以及接收語(yǔ)音質(zhì)量很差等等^[4]。因此，在通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中，有效解決干擾是一項(xiàng)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(wèn)題的時(shí)候，就需要針對(duì)干擾信號(hào)增加帶阻濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾源信號(hào)的濾除。本工作的主要研究目標(biāo)就是針對(duì)實(shí)際的移動(dòng)通信場(chǎng)景，在通信系統(tǒng)的接收端，設(shè)計(jì)開發(fā)一款帶阻濾波器，濾除掉集群通信系統(tǒng)的強(qiáng)發(fā)射信號(hào)，解決集群發(fā)射信號(hào)對(duì)本通信系統(tǒng)的干擾問(wèn)題。

2、帶阻濾波器理論設(shè)計(jì)

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

其中，ω_i=ω₀是濾波器的中心角頻率，F(xiàn)BW是帶阻濾波器的相對(duì)帶寬，g_i為切比雪夫低通原型相應(yīng)第i個(gè)元件的電導(dǎo)參數(shù)值，通過(guò)查表得到。Z_p=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(guān)系由下式計(jì)算得出：

其中，f₀是帶阻濾波器中心頻率，Δ_fi3dB是-3dB處帶寬。

按照切比雪夫結(jié)構(gòu)帶阻濾波器的綜合設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)對(duì)帶阻濾波器等效電路的參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化，可以得到滿足設(shè)計(jì)要求的8階帶阻濾波器的頻率響應(yīng)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(yīng)理論曲線

3、物理電路設(shè)計(jì)與仿真

帶阻濾波器具體設(shè)計(jì)過(guò)程是：

首先，如上節(jié)內(nèi)容所述，利用微波設(shè)計(jì)軟件，得到滿足設(shè)計(jì)要求的8階帶阻濾波器的頻率響應(yīng)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(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

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

本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)較低頻率濾波器，導(dǎo)電層為鏑鋇銅氧（DyBa₂Cu₃O₇簡(jiǎn)寫成DyBCO）高溫超導(dǎo)薄膜材料。

由于濾波器工作頻率較低，諧振器長(zhǎng)度較長(zhǎng)，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(zhǎng)對(duì)稱螺旋諧振器結(jié)構(gòu)，諧振器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

每?jī)蓚€(gè)諧振器之間的傳輸線長(zhǎng)度是1/4波長(zhǎng)。同樣由于超導(dǎo)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(zhǎng)度問(wèn)題。

由于在帶阻濾波器理論設(shè)計(jì)中，每個(gè)諧振器只與主傳輸線發(fā)生耦合作用，所以實(shí)際的物理電路設(shè)計(jì)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(gè)諧振器放在單獨(dú)的金屬盒里來(lái)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(yīng)。

圖3、對(duì)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(gè)諧振器，仿真得到其頻率響應(yīng)曲線，通過(guò)調(diào)整諧振器與傳輸線的相對(duì)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(gè)諧振器與傳輸線耦合位置。依次完成各個(gè)諧振器與傳輸線的耦合設(shè)計(jì)。

最后，搭建出8階高溫超導(dǎo)帶阻濾波器的整體物理電路，并進(jìn)行電路的電磁場(chǎng)全波模擬仿真。由于非預(yù)期寄生效應(yīng)的客觀存在，濾波器的仿真結(jié)果會(huì)與理論結(jié)果存在一定的差距，還需要對(duì)濾波器的整體物理電路進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)濾波器的物理設(shè)計(jì)，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(dǎo)帶阻濾波器電路結(jié)構(gòu)示意圖

圖6、8階高溫超導(dǎo)帶阻濾波器最終仿真曲線

4、濾波器的制作與測(cè)試

將以上設(shè)計(jì)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(dǎo)薄膜上。高溫超導(dǎo)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(dǎo)體平面精細(xì)加工工藝技術(shù)，經(jīng)過(guò)曝光、顯影、離子束刻蝕、切割等過(guò)程，得到超導(dǎo)帶阻濾波器電路芯片，超導(dǎo)芯片最后封裝到銅質(zhì)屏蔽盒中，標(biāo)準(zhǔn)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(luò)分析儀對(duì)高溫超導(dǎo)帶阻濾波器性能進(jìn)行測(cè)試。工作溫度設(shè)定為75K，測(cè)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(biāo)為頻率(MHz)，縱坐標(biāo)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(cè)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(dá)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(shí)際測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)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(dǎo)帶阻濾波器測(cè)試結(jié)果

5、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款新型的8階高溫超導(dǎo)帶阻濾波器，用于濾除無(wú)線通信中的強(qiáng)干擾信號(hào)，提高系統(tǒng)的信號(hào)接收靈敏度和抗干擾能力。并制作出了濾波器實(shí)物，經(jīng)低溫測(cè)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(shè)計(jì)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(biāo)與設(shè)計(jì)結(jié)果具有很好的吻合性。

參考文獻(xiàn)：

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本文刊登于微波射頻網(wǎng)旗下《微波射頻技術(shù)》雜志 2016微波技術(shù)專刊，未經(jīng)允許謝絕轉(zhuǎn)載。