L波段高性能雙通帶高溫超導(dǎo)濾波器

禹 瀟，張亞輝，賓 峰，陸勤龍，王生旺

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第十六研究所，合肥 230088；2. 中國電子科技集團(tuán)公司超導(dǎo)電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088)

0 引言

近年來，隨著通信、雷達(dá)、深空探測等技術(shù)的發(fā)展，可支持多通信協(xié)議和高質(zhì)量通信的多信道通信是一個重要趨勢。作為多信道接收機(jī)的重要部件之一，多通帶濾波器的性能可以直接影響接收機(jī)的性能。由于超導(dǎo)濾波器具有低插損、高帶外抑制和帶邊陡度等優(yōu)異性能，應(yīng)用于接收機(jī)時可有效提高接收機(jī)的信噪比和抗干擾能力，吸引著越來越多的關(guān)注。

目前雙通帶濾波器最常用的設(shè)計(jì)方法有三種。第一種方法是通過組合多個濾波器來設(shè)計(jì)雙通帶濾波器，在文獻(xiàn)[1]中，一個帶阻濾波器和一個帶通濾波器被直接組合成為一個雙通帶濾波器，在文獻(xiàn)[2]中，兩個帶通濾波器使用同一個饋電結(jié)構(gòu)連接在一起形成一個雙通帶濾波器。這種方法具有設(shè)計(jì)簡單、原理清晰、可獨(dú)立控制不同通帶的優(yōu)勢，但是這種方法得到的濾波器體積一般較大。第二種方法是采用優(yōu)化綜合耦合矩陣的方法[3]，這種方法的好處是邏輯清晰、結(jié)構(gòu)緊湊，但是這種方法得到的耦合矩陣往往比較復(fù)雜，有些耦合矩陣很難用物理電路實(shí)現(xiàn)。第三種方法是基于多模諧振器來實(shí)現(xiàn)，如階躍阻抗諧振器(stepped-impedance resonators, SIRs)[4-5]和枝節(jié)加載型諧振器(stub-loaded resonators, SLRs)[6-7]等，這種方法得到的多通帶濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，并可以實(shí)現(xiàn)多個不同的帶寬。Zhou等人[7]曾使用SLRs完成了一款L/S波段的雙通帶超導(dǎo)濾波器的研制，該濾波器的中心頻率分別為1 490 MHz(帶寬40 MHz)和2 340 MHz(帶寬80 MHz)，并通過引入傳輸零點(diǎn)提高了濾波器的帶邊陡度。Lu等人[8]也使用SLRs完成了一款S波段的四階雙通帶超導(dǎo)濾波器的研制，中心頻率分別為2 450 MHz(相對帶寬8%)和3 500 MHz(相對帶寬5%)。此外，還有Song等人[9]、Heng等人[10]均采用這種方法完成了雙通帶超導(dǎo)濾波器的研制?？偟膩碚f，雙通帶超導(dǎo)濾波器正朝著小型化、高選擇性、極限帶寬、均衡群時延等方向發(fā)展。

本文詳細(xì)介紹了一款基于SLRs的八階雙通帶超導(dǎo)濾波器的研制過程。該濾波器要求中心頻率分別為1 220 MHz和1 580 MHz，1 dB帶寬分別大于145 MHz和80 MHz；要求在960 MHz和1 900 MHz處帶外抑制均大于60 dB，在1 360～1 460 MHz之間大于40 dB。此外，該濾波器還要求帶內(nèi)任意20 MHz的群時延波動均要小于4 ns。

1 諧振器設(shè)計(jì)與分析

從設(shè)計(jì)指標(biāo)可以看出，該雙通帶濾波器既要兼顧帶外的頻率選擇性要求又要有平坦的帶內(nèi)群時延波動。為了滿足設(shè)計(jì)要求，本文采用八階切比雪夫?yàn)V波器并引入傳輸零點(diǎn)的方式來實(shí)現(xiàn)。由于濾波器群時延波動最大部分為通帶邊緣部分，因此在設(shè)計(jì)時將低頻通帶的下邊頻和高頻通帶的上邊頻展寬20 MHz，低頻通道的上邊頻和高頻通帶的下邊頻展寬10 MHz，這樣不僅能提高帶內(nèi)群時延平坦度，還能減小溫度以及仿真介電常數(shù)數(shù)值不準(zhǔn)確造成的頻率偏移影響。邊帶的拓寬值是根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)給出，經(jīng)過仿真可以滿足要求，也可以根據(jù)仿真結(jié)果靈活選擇其他數(shù)值。根據(jù)廣義耦合矩陣綜合理論[11]可得耦合系數(shù)和外部品質(zhì)因數(shù)如下表1所示。

表1 雙通帶超導(dǎo)濾波器耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)Table 1 Parameters of the properties of the system

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和耦合矩陣，本文所提出的SLR版圖如圖1(a)所示。該諧振器主要由上半部分的強(qiáng)耦合半波長諧振器和一個加載枝節(jié)組成，諧振器線條寬度均為0.1 mm。從圖中可以看出諧振器的上半部分沿著中軸線對稱，枝節(jié)加載在軸線位置，其等效電路圖如圖2(a)所示。

圖1 (a) 雙模SLR版圖；(b) 奇模諧振時的電流分布；(c) 偶模諧振時的電流分布Fig. 1 (a) Layout of the dual-mode SLR; (b) Current distribution of odd mode at resonance; (c) Current distribution of even mode at resonance

圖2 (a) 諧振器等效電路；(b) 諧振器在奇模時的等效電路；(c) 諧振器在偶模時的等效電路Fig. 2 (a) Equivalent circuit; (b) Odd-mode equivalent circuit; (c) Even-mode equivalent circuit

根據(jù)多模傳輸線理論和奇偶模分析法，該諧振器有奇模和偶模兩種諧振模式。當(dāng)諧振器在奇模處諧振時，諧振器的加載枝節(jié)可以等效為開路，此時諧振器可以看作只有上半部分的半波長諧振器，其等效電路圖如圖2(b)所示。諧振器在偶模處諧振時，加載枝節(jié)處可以等效為短路，此時諧振器可以看作上半部分的一半加上加載枝節(jié)組成的諧振器，等效電路圖如圖2(c)所示。在弱外部耦合條件下，我們使用Sonnet軟件對諧振器分別在奇模和偶模諧振頻率處的電流分布進(jìn)行了模擬仿真，結(jié)果如圖1(b)和1(c)所示，從圖中可以看出在奇模諧振頻率處，電流主要分布在諧振器上半部分，而在偶模諧振頻率處，電流幾乎分布在整個諧振器上，這與前面的分析也是一致的。

我們對相鄰諧振器耦合時的頻率響應(yīng)和相位曲線進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出曲線上有四個明顯的諧振峰，分別為奇模和偶模耦合時的諧振峰。此外，從圖中可以看出，諧振峰中間的相位均為負(fù)值。因此，當(dāng)該諧振器與相鄰諧振器進(jìn)行耦合時，奇模和偶模可以同時形成兩個通帶，由于加載枝節(jié)只影響諧振器的偶模諧振頻率，因此也可以獨(dú)立地調(diào)節(jié)這兩個通帶。

圖3 相鄰諧振器耦合時的頻率響應(yīng)和相位曲線Fig. 3 The frequency and phase response of the coupling resonators

根據(jù)表1中的耦合系數(shù)，低頻段的通帶需要更強(qiáng)的耦合強(qiáng)度，因此諧振器的奇模用于構(gòu)建濾波器低頻段的通帶1，偶模用于構(gòu)建高頻段的通帶2。兩個通帶相鄰諧振器的耦合系數(shù)與諧振器間距的仿真結(jié)果如圖4(a)和4(b)所示，從圖中可以看出，兩個通帶的耦合系數(shù)幾乎都隨著s1的增大而線性減小。但是當(dāng)s1不變時，通帶1的耦合系數(shù)不受s2的影響，而通帶2的耦合系數(shù)隨著s2的增大而減小，這也與前面的分析結(jié)果相一致。從圖中的耦合系數(shù)變化趨勢可以看出，該諧振器可以滿足表1的耦合系數(shù)要求。在濾波器版圖設(shè)計(jì)時，先通過調(diào)節(jié)s1，使通帶1的耦合系數(shù)滿足要求，然后再調(diào)節(jié)s2，使通帶2的耦合系數(shù)滿足要求。

圖4 (a) s1和耦合系數(shù)的關(guān)系；(b) s1 = 0.2 mm時，s2和耦合系數(shù)的關(guān)系Fig. 4 (a) Relationship between s1 and coupling coefficient; (b) Relationship between s1 and coupling coefficient when s1 = 0.2 mm

除了相鄰諧振器之間的主耦合之外，諧振器還要滿足表1中的交叉耦合系數(shù)要求。本文所提出的交叉耦合結(jié)構(gòu)如圖5所示，這種結(jié)構(gòu)所得到諧振峰之間的相位為正值，與相鄰諧振器耦合諧振峰之間的相位相反。交叉耦合系數(shù)主要受l1以及耦合線與諧振器線條間距影響，為了降低設(shè)計(jì)難度，在仿真時耦合線與諧振器線條間距設(shè)置為固定值，只調(diào)節(jié)l1，仿真結(jié)果如圖5所示。為了表示相位的不同，交叉耦合系數(shù)取值為負(fù)值，正負(fù)號不表示數(shù)值的大小。從結(jié)果可以看出，耦合系數(shù)隨著l1的增大而增大，且數(shù)值可以滿足表1的需求。

圖5 交叉耦合系數(shù)與l1之間的關(guān)系Fig. 5 Relationship between cross coupling coefficient and l1

2 濾波器設(shè)計(jì)

根據(jù)表1中的耦合矩陣，諧振器間的耦合系數(shù)確定以后，只需要得到輸入/輸出結(jié)構(gòu)即可得到濾波器的版圖。為了同時得到兩個通帶所需要的外部品質(zhì)因數(shù)，濾波器采用分叉枝節(jié)饋線分別連接SLR上下部分的方式，如圖6(a)所示。由于饋線直接連接在諧振器上會直接影響諧振頻率，為了保證諧振頻率相同，諧振器的尺寸與濾波器中間部分的諧振器的尺寸相比變化較大。兩個通帶的外部品質(zhì)因數(shù)Q1和Q2主要由饋線的相對位置h1、h2和h3來決定，其關(guān)系如圖6(a)、6(b)、6(c)所示。從圖中可以看出，h1、h2和h3對Q2均有影響，但是只有h2對Q1有影響，因此在設(shè)計(jì)時，優(yōu)先調(diào)節(jié)h2，然后再調(diào)節(jié)h1和h3，這樣即可快速得到所需要的外部品質(zhì)因數(shù)。

圖6 (a) Q值與h1的關(guān)系；(b) Q值與h2的關(guān)系；(c) Q值與h3的關(guān)系Fig. 6 (a) The relation between Q and h1; (b) The relation between Q and h2; (c) The relation between Q and h3

確定了諧振器耦合和輸入/輸出結(jié)構(gòu)以后，即可進(jìn)行物理電路的搭建。電路仿真使用Sonnet軟件，仿真方法采用單端口群時延法[12]，由于該方法已非常成熟，此處不再贅述。濾波器的最終版圖如圖7所示，包含接頭的電路尺寸約19.02 mm×21.12 mm。超導(dǎo)濾波器S曲線和群時延曲線的最終仿真結(jié)果如圖8(a)和8(b)所示，從圖中的仿真結(jié)果可以看出，矩形系數(shù)和群時延波動均符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 超導(dǎo)濾波器版圖Fig. 7 Layout of the HTS filter

圖8 超導(dǎo)濾波器實(shí)物圖Fig. 8 Photograph of the filter

3 濾波器制作與測試

濾波器電路采用2英寸的MgO襯底的雙面YBCO薄膜通過光刻技術(shù)制作而成。光刻技術(shù)是一種圖形復(fù)印和化學(xué)腐蝕或離子束刻蝕相結(jié)合的加工技術(shù)，在半導(dǎo)體器件和微型集成電路制造上應(yīng)用非常廣泛。光刻之前，首先需要制作掩膜版，掩膜版制作完成后即可進(jìn)行超導(dǎo)濾波器電路的刻蝕，高溫超導(dǎo)電路的刻蝕主要包括以下八個步驟：清潔、涂膠、前烘、曝光、顯影、后烘、腐蝕、去膠。光刻好的電路封裝在金屬屏蔽盒里，采用標(biāo)準(zhǔn)的SMA射頻接頭與外部電路相連，實(shí)物圖如圖8所示。

超導(dǎo)濾波器封裝完成后，使用小型制冷機(jī)配合真空杜瓦進(jìn)行冷卻，采用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀進(jìn)行測試，測試結(jié)果和仿真結(jié)果的對比如圖9所示。從圖中可以看出，濾波器的測試結(jié)果與仿真結(jié)果幾乎一致，這也說明了濾波器的光刻及封裝工藝精度較高，對濾波器的影響較小，可以滿足生產(chǎn)要求。圖9(a)為超導(dǎo)濾波器S參數(shù)測試結(jié)果與仿真結(jié)果的對比圖，測試結(jié)果表明1 dB通帶分別為1 121～1 321 MHz、1 527～1 648 MHz。結(jié)果中有四個較明顯的傳輸零點(diǎn)，分別在1 000 MHz、1 368 MHz、1 427 MHz和1 700 MHz處。由于傳輸零點(diǎn)的作用，濾波器在960 MHz和1 900 MHz處帶外抑制均大于60 dB，在1 360～1 460 MHz之間帶外抑制均大于40 dB，帶外抑制和通帶范圍均滿足設(shè)計(jì)要求。圖9(a)中的兩個放大圖分別為兩個通帶的S21曲線測試結(jié)果，從圖中可以看出，濾波器的最小插損<0.1 dB，帶內(nèi)最大波動<0.5 dB。圖9(b)為濾波器的群時延仿真和測試結(jié)果，從兩個通帶的放大圖中可以看出，在通帶內(nèi)任意20 MHz的群時延波動均<4 ns。濾波器在兩個通帶內(nèi)的群時延最大波動處均在通帶邊緣位置，由于兩個通帶均進(jìn)行了展寬，特別是第2個通帶的右邊頻展寬較多，因此群時延可以滿足設(shè)計(jì)要求。由于傳輸零點(diǎn)的作用，即使在適當(dāng)展寬通帶的情況下，帶外抑制依然可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 濾波器仿真和測試結(jié)果 (a) S曲線；(b) 群時延Fig. 9 Simulated and measured results of the filter (a) S-curve; (b) Group delay

4 結(jié)論

本文介紹了一種適用于L波段的雙頻SLR，并對該諧振器的耦合特性進(jìn)行了詳細(xì)分析?；谠撝C振器和分叉枝節(jié)直接加載饋電結(jié)構(gòu)，完成了一款八階高性能雙通帶超導(dǎo)濾波器的研制。該濾波器包含接頭的電路尺寸僅約19.02 mm×21.12 mm，濾波器測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，可以滿足設(shè)計(jì)要求。