新穎高溫超導(dǎo)緊湊型雙CT結(jié)構(gòu)帶通濾波器

周立國，李懷明，褚慧敏，楊常林，譚雪薇，粟立勇，羊 愷

( 1. 電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院 成都 611731；2. 中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所 南京 210001)

高溫超導(dǎo)薄膜在液氮溫度下工作時(shí)具有極低的微波表面電阻，其在微波領(lǐng)域的應(yīng)用研究越來越多，極大地推動(dòng)了通信技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)和電子對抗技術(shù)的發(fā)展。高溫超導(dǎo)微波濾波器及濾波器組是高溫超導(dǎo)微波應(yīng)用的關(guān)鍵器件之一，比傳統(tǒng)波導(dǎo)器件具有更好的高選擇性、更低的插損等特性，并兼具平面電路體積小、重量輕、易于與其他微波固態(tài)電路進(jìn)行混合集成的優(yōu)點(diǎn)，備受移動(dòng)通訊和衛(wèi)星通訊的青睞。國內(nèi)和國際在這方面的研究工作已卓有成效，出現(xiàn)了多種超導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)方法和手段，鑒于加工成本及工藝等方面的問題[1-3]，科研工作者特別在濾波器小型化和高選擇性方面做了許多研究工作，設(shè)計(jì)了多種新穎的結(jié)構(gòu)[4-5]。本文設(shè)計(jì)了一種全新的平面單螺旋菱形諧振器結(jié)構(gòu)，用該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的濾波器結(jié)構(gòu)上更為緊湊、電路整體更加美觀，該諧振器結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)CT單元。平面單螺旋菱形諧振器設(shè)計(jì)的CT單元在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)能夠產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，相對于無傳輸零點(diǎn)的濾波器，該結(jié)構(gòu)能明顯地提高濾波器的帶外抑制度[6-8]。該結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)帶通濾波器不但具有插損小、邊帶陡峭、體積小、阻帶寬的特點(diǎn)，而且視覺上具有立體感的美觀效果。該新穎結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)帶通濾波器可廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通訊和衛(wèi)星通訊領(lǐng)域[1,7-11]。

1 平面單螺旋菱形諧振器的設(shè)計(jì)

圖1a為經(jīng)典的平面單螺旋諧振器的基本結(jié)構(gòu)，前期的科研人員已對其優(yōu)勢做了詳細(xì)的說明[6-11]。本文在經(jīng)典的平面單螺旋諧振器的基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新型的平面單螺旋菱形諧振器結(jié)構(gòu)，可方便地搭建緊湊型CT單元以實(shí)現(xiàn)整個(gè)濾波器的小型化。將半波長、0.1 mm線寬的經(jīng)典平面單螺旋諧振器的一邊向上或下拉伸30°，獲得全新結(jié)構(gòu)的平面單螺旋線菱形諧振器，如圖1b所示，該菱形諧振器結(jié)構(gòu)采用傾斜線方式來完成半波長諧振器的螺旋。平面單螺旋菱形諧振結(jié)構(gòu)簡單，方便利用電磁全波分析軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)與調(diào)試優(yōu)化。菱形的30o特殊性可以方便搭建出結(jié)構(gòu)緊湊的CT單元(如圖5所示)，避免了使用交叉耦合線來實(shí)現(xiàn)CT單元。與采用交叉耦合線設(shè)計(jì)CT單元的濾波器相比，該方法設(shè)計(jì)的濾波器在加工方面降低了對光刻工藝的要求，可以提高成品率。通過采用IE3D軟件進(jìn)行電磁仿真，該諧振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。圖1中經(jīng)典平面單螺旋線諧振器和平面單螺旋線菱形諧振器的寄生諧振頻率都在二倍頻以外，頻率響應(yīng)如圖2所示。由圖2知，在基波諧振頻率響應(yīng)相同時(shí)，平面單螺旋線菱形諧振器的寄生諧振頻率更具有優(yōu)勢。

圖1 兩種平面單螺旋諧振器結(jié)構(gòu)

圖2 平面單螺旋線諧振器頻率響應(yīng)曲線

2 CT結(jié)構(gòu)濾波器的設(shè)計(jì)理論

圖3所示為典型的CT濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，帶數(shù)字的小菱形代表一個(gè)諧振器，兩菱形之間的實(shí)線代表直接耦合，虛線代表交叉耦合。當(dāng)信號(hào)由濾波器的輸入端到達(dá)輸出端時(shí)，在6個(gè)諧振器組成的分布式結(jié)構(gòu)中就有不同的路徑可以通過，如圖3中可以形成： ① →②→③→④→⑤→⑥、①→③→④→⑤→⑥、①→ ② → ③ → ④ → ⑥、① → ③ → ④ → ⑥4條路徑。通過調(diào)整諧振器之間的耦合形式，對信號(hào)通過不同通路的相位進(jìn)行控制。若能使得信號(hào)相位疊加，就可以引入傳輸零點(diǎn)；若能使得相位補(bǔ)償，則能改善濾波器群時(shí)延特性。CT單元由3個(gè)諧振器組成，它們之間通過直接耦合和交叉耦合實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[1,5]對諧振器和交叉耦合的電容性、電磁性耦合理論進(jìn)行了闡述。結(jié)合諧振器工作頻帶的高頻端、低頻端相位差變化，分析了信號(hào)通過濾波器后相位的變化和引入傳輸零點(diǎn)的原理。

圖3 典型的CT濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 CT單元的等效電路模型

按照微帶濾波器的綜合設(shè)計(jì)方式可以得到如圖4所示的CT單元的等效電路模型，其中M12和M23為直接耦合系數(shù)，M13為交叉耦合系數(shù)，Qe1和Qe2為濾波器的輸入輸出外部品質(zhì)因數(shù)，L1、L2、L3和C1、C2、C3分別為諧振器的等效電感、電容。

經(jīng)典濾波器設(shè)計(jì)理論中，外部品質(zhì)因數(shù)eQ為：

式中，90ω±Δ為偏離中心頻率± 90°處的兩頻點(diǎn)的頻率差值。

濾波器中兩諧振器之間的耦合系數(shù)：

式中，f1和f2為兩個(gè)諧振器的諧振頻率。

對于微帶線濾波器，圖4中LC為半波長諧振器的等效，傳輸線波長：

式中，c為光速；f為頻率；rε為有效介電常數(shù)。

3 緊湊型CT單元的設(shè)計(jì)

采用前文設(shè)計(jì)的平面單螺旋線菱形諧振器，將圖1b中的諧振器作為圖5中的CT單元的諧振器1，然后通過對諧振器1在0°方向鏡像獲得諧振器3，對諧振器3再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°獲得諧振器2。最終通過旋轉(zhuǎn)3個(gè)諧振器設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的CT單元結(jié)構(gòu)，如圖5所示。諧振器1及諧振器3可以方便與前后級(jí)實(shí)現(xiàn)磁場耦合。通常當(dāng)兩諧振器之間距離增大時(shí)諧振器之間的耦合變?nèi)?，反之耦合變?qiáng)，所以通過調(diào)整各個(gè)諧振器之間的相互距離可以獲得不同的頻率響應(yīng)[5,12]。該CT結(jié)構(gòu)存在3個(gè)距離變量d12、d23、d13，所以耦合強(qiáng)度的調(diào)整更加靈活。例如，當(dāng)圖5的CT結(jié)構(gòu)中d13=0.35 mm時(shí)，隨著d12=0.28 mm、d23=0.17 mm逐漸增大到d12=0.40 mm、d23=0.30 mm，交叉耦合逐漸變?nèi)?，兩個(gè)傳輸零點(diǎn)距離中心頻率變遠(yuǎn)，其幅頻特性曲線如圖6所示。因此該CT結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)交叉耦合濾波器時(shí)，只需要調(diào)整各個(gè)諧振器之間的距離就可以獲得所需要的耦合系數(shù)，設(shè)計(jì)和調(diào)整均較為方便。

諧振器1和諧振器2之間以及諧振器1和3之間可以實(shí)現(xiàn)混合耦合，諧振器1和3之間實(shí)現(xiàn)電耦合。所以由前面CT結(jié)構(gòu)理論分析可知，信號(hào)的傳輸通過諧振器1-3實(shí)現(xiàn)電耦合，通過諧振器1-2-3實(shí)現(xiàn)電耦合和磁耦合，因?yàn)橄辔坏牟煌梢栽诘皖l端和高頻端各自產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，如圖6所示。常規(guī)的諧振器設(shè)計(jì)的CT單元通過相位的變化，只能在高頻或者低頻端產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，其余的傳輸零點(diǎn)在無限遠(yuǎn)處，但是通過平面單螺旋線菱形諧振器設(shè)計(jì)的CT結(jié)構(gòu)可以在高頻和低頻端各自產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)。根據(jù)CT濾波器的設(shè)計(jì)理論可知，假設(shè)本文設(shè)計(jì)的諧振器之間的直接耦合系數(shù)是M12和M23都是正值時(shí)，交叉耦合系數(shù)M13是負(fù)值，所以在通帶的高頻段產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)。由于該特殊結(jié)構(gòu)的平面單螺旋菱形諧振器的復(fù)雜耦合形式，使其在通帶的低頻段也產(chǎn)生了一個(gè)傳輸零點(diǎn)。假設(shè)本文設(shè)計(jì)的諧振器之間的直接耦合系數(shù)M12和M23都是正值時(shí)，交叉耦合系數(shù)M13是負(fù)值，所以在通帶的低頻段產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)。調(diào)整耦合間距d12、d23可以調(diào)整各個(gè)諧振器之間的耦合，諧振器1和3之間的交叉耦合是固定電耦合，可通過固定d13的大小，同時(shí)通過合理的調(diào)整耦合間距d12、d23來調(diào)整各諧振器之間的耦合間距就可以單獨(dú)調(diào)整兩個(gè)傳輸零點(diǎn)的位置。

相比于CQ結(jié)構(gòu)，該CT結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生一對傳輸零點(diǎn)，且可以單獨(dú)可調(diào)、可控，方便靈活。調(diào)整諧振器之間的耦合間距d12、d23對傳輸零點(diǎn)的位置的影響，結(jié)果如圖6所示。最終通過簡單的調(diào)整d12、d23和d13的大小，就可以獲得需要的耦合系數(shù)和交叉耦合系數(shù)，最終得到結(jié)構(gòu)緊湊、模型美觀、性能優(yōu)異的CT單元，如圖5所示。

圖5 CT單元

圖6 耦合間距與CT單元幅頻特性的關(guān)系

4 雙CT帶通濾波器的設(shè)計(jì)

在ADS電路仿真軟件中建立交叉耦合濾波器的LC等效電路模型，等效電路模型中的初始參數(shù)采用6階、切比雪夫響應(yīng)濾波器的低通原型元件數(shù)值，通過調(diào)整各個(gè)LC等效諧振單元之間的耦合強(qiáng)度獲得6階準(zhǔn)橢圓函數(shù)濾波器的初始值，最終借助優(yōu)化算法綜合出雙CT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)濾波器的歸一化耦合系數(shù)矩陣。設(shè)計(jì)頻帶為2 850～3 000 MHz雙CT結(jié)構(gòu)濾波器，其耦合系數(shù)及外部品質(zhì)因數(shù)如表1所示，其中正值代表直接耦合，負(fù)值代表交叉耦合。

表1 耦合系數(shù)及外部品質(zhì)因數(shù)

采用介電常數(shù)為24.1的雙面YBCO/LaAlO3/YBCO高溫超導(dǎo)薄膜，根據(jù)式(3)得半波長約為11.4 mm，從而獲得圖1b中平面單螺旋線菱形諧振器結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)值；將外部品質(zhì)因素eQ值以及濾波器中心頻率f0=2 925 MHz代入前節(jié)濾波器外部品質(zhì)因素式(1)，求得±90o相對相位帶寬90ω±Δ=150 MHz，從而獲得濾波器輸入輸出單元直接饋電方式的抽頭位置；由式(2)可計(jì)算出各個(gè)諧振器之間實(shí)現(xiàn)不同耦合系數(shù)的幾何距離。文獻(xiàn)[12]對上述計(jì)算過程給予詳細(xì)介紹。最終獲得的單個(gè)CT單元如圖5所示。

利用圖5中所示的CT單元，通過鏡像獲得對稱的第二個(gè)CT單元。通過將兩個(gè)CT單元方便的磁耦合疊加就可以獲得雙CT結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)緊湊型濾波器，如圖7所示。CT單元之間的耦合設(shè)計(jì)簡單方便，并且可以方便的繼續(xù)疊加更多的CT單元以獲得更優(yōu)異的帶外抑制特性。利用電磁仿真設(shè)計(jì)得到雙CT結(jié)構(gòu)帶通濾波器的幅頻特性曲線如圖8a所示。

該雙CT結(jié)構(gòu)帶通濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)S頻段小型化濾波器的設(shè)計(jì)尺寸只有13.5 mm×3.8 mm；由兩個(gè)CT單元構(gòu)成的帶通濾波器在帶外出現(xiàn)兩對傳輸零點(diǎn)，大大提高了帶通濾波器的選擇性能；如圖8b所示，寄生通帶在二倍頻以外說明該濾波器的阻帶特性也很優(yōu)異，從f0+BW/2到2f0-BW/2的整個(gè)阻帶內(nèi)阻帶抑制都大于50 dB，能很好地體現(xiàn)該CT單元結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢；雙CT結(jié)構(gòu)帶通濾波器模型在感官上具有立體感的美觀效果也是一個(gè)亮點(diǎn)，體現(xiàn)出科學(xué)與藝術(shù)的完美結(jié)合。

圖7 新穎高溫超導(dǎo)緊湊型雙CT結(jié)構(gòu)帶通濾波器

圖8 新穎高溫超導(dǎo)帶通濾波器的頻率響應(yīng)曲線

5 高溫超導(dǎo)濾波器的制作與測試

圖9 新穎高溫超導(dǎo)緊湊型雙CT結(jié)構(gòu)帶通濾波器實(shí)物圖

本次選用了性能優(yōu)越的雙面YBCO/LaAlO3/YBCO高溫超導(dǎo)薄膜，其在S波段、77 K下測得微波表面電阻RS≤40 μΩ。高溫超導(dǎo)濾波器電路采用納米刻蝕技術(shù)制作，雙CT結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)濾波器實(shí)物如圖9所示。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent 8720B對濾波器進(jìn)行性能測試，最終的測試結(jié)果如圖10所示，實(shí)測帶寬約為150 MHz，帶外抑制度大于50 dB，二倍頻在6 GHz處，均與設(shè)計(jì)值吻合良好，尤其是帶外抑制特性的實(shí)測值與仿真值吻合良好。通帶內(nèi)插入損耗均優(yōu)于0.27 dB，通帶內(nèi)反射整體≤-12 dB。

圖10 新穎高溫超導(dǎo)帶通濾波器的頻率響應(yīng)測試曲線

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)平面單螺旋菱形諧振器，結(jié)合高溫超導(dǎo)技術(shù)完成緊湊型的雙CT結(jié)構(gòu)帶通濾波器，具有體積小、選擇性能好、很明顯的立體感的美觀效果等特點(diǎn)。通過合理改變諧振器的相對位置來實(shí)現(xiàn)諧振器之間的耦合，引入傳輸零點(diǎn)提高了濾波器的帶外抑制。既實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化設(shè)計(jì)，也避免了使用耦合交叉線，降低了電路對加工工藝的要求。實(shí)物經(jīng)過設(shè)計(jì)加工與測試證明，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的雙CT結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)濾波器與理論相吻合，具有帶外抑制度陡峭、阻帶寬，能很好地抑制系統(tǒng)的干擾信號(hào)等特點(diǎn)。

[1]郭旭波, 魏斌, 張曉平,等. 采用電容耦合式饋線的高溫超導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)[J]. 微波學(xué)報(bào), 2007, 23(S1)： 73-76.GUO Xu-bo, WEI Bin, ZHANG Xiao-ping, et al. Design of high-temperature superconducting filter with capacity-coupled feedlines[J]. Journal of Microwaves, 2007,23(S1)： 73-76.

[2]SUN L, HE Y. Research progress of high temperature superconducting filters in China[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, 24(5)： 1-8.

[3]SAITO A, TESHIMA H, OBARA H, et al. Design and performance of transmit filters using HTS bulk resonators for IMT-advanced applications[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007, 17(2)： 886-889.

[4]ZHANG T, DU J, GUO Y J, et al. A compact HTS bandpass microstrip filter with novel coupling structure for on-chip integration[J]. Physica C Superconductivity, 2013, 495(8)：69-73.

[5]HOU F, ZHANG T, ZHOU L, et al. Cascaded trisection linear-phase filter[C]//IEEE International Conference on Communication Problem-Solving. [S.l.]： IEEE, 2014：584-587.

[6]SEKIYA N, SUGIYAMA S. Design of miniaturized HTS dual-band bandpass filters using stub-loaded meander line resonators and their applications to tri-band bandpass filters[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2015, 25(3)： 1-5.

[7]ZHANG T L, YANG K, BU S R, et al. The design of open-loop resonator HTSC linear-phase filter[J]. Cryogenics,2004, 47(7-8)： 409-412.

[8]ZHANG T, ZHOU L, YANG K, et al. The research of parallel-coupled linear-phase superconducting filter[J].Physica C Superconductivity, 2015, 519： 153-158.

[9]GAO L, SUN L, LI F, et al. 8GHz narrowband high-temperature superconducting filter with high selectivity and flat group delay[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2009, 57(7)： 1767-1773.

[10]HONG J S, MCERLEAN E P, KARYAMAPUDI B M. A high-temperature superconducting filter for future mobile telecommunication systems[J]. IEEE Proceedings-Microwaves, Antennas and Propagation, 2004, 151(6)：491-496.

[11]HONG Jia-sheng, LANCASTER M J. Microstrip filters for RF/microwave applications[M]. [S.l.]： A Wiley-Interscience Publication, 2001.

[12]孔根升. 線性相位接收機(jī)前端子系統(tǒng)的研究[D]. 成都：電子科技大學(xué), 2011.KONG Gen-sheng. Study on front end subsystem of linear phase receiver[D]. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China, 2011.