L波段可調(diào)諧帶通濾波器技術(shù)的研究

劉英

摘 要：可調(diào)諧微波濾波器能夠在很大程度上改善現(xiàn)在及未來微波系統(tǒng)的通信容量等關(guān)鍵問題，其重要性正吸引著人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注來對(duì)其進(jìn)行研究和開發(fā)。利用材料的高Q值、低損耗特性，研制一種高性能通帶可調(diào)諧的帶通濾波器，實(shí)現(xiàn)了在L波段通帶頻率可調(diào)諧、具有通帶內(nèi)插損小、調(diào)諧范圍靈活，在1.29GHz-1.436GHz連續(xù)可調(diào)諧的濾波器，可在原有濾波器基礎(chǔ)上將濾波器通帶范圍向高頻或者低頻任意方向調(diào)諧移動(dòng)的特點(diǎn)，并對(duì)電調(diào)微波帶通濾波器的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：L波段；濾波器；可調(diào)諧；帶通

中圖分類號(hào)：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）23-0162-03

Abstract： Tunable microwave filters can improve the communication capacity of present and future microwave systems to a great extent， and its importance is attracting more and more attention for its research and development. Taking advantage of the high Q value and low loss of the material， a high performance passband tunable band-pass filter is developed， which achieves tunable frequency， low passband interpolation loss and flexible tunable range in L-band. The tunable filter at 1.29GHz～1.436GHz can shift the passband range of the filter to any direction of high frequency or low frequency. The future development of the electrically modulated microwave bandpass filter is prospected.

Keywords： L-band； filter； tunable； band-pass

引言

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，衛(wèi)星、雷達(dá)、移動(dòng)通信等民用、軍用通信系統(tǒng)不斷升級(jí)換代，未來通信系統(tǒng)愈發(fā)青睞多功能、智能化、小型化和低成本的硬件設(shè)備，對(duì)接收機(jī)系統(tǒng)的指標(biāo)提出了更高的要求[1]?？烧{(diào)諧或自適應(yīng)接收前端可以隨接收信號(hào)的變化自動(dòng)適應(yīng)到接收信號(hào)的頻率、帶寬和幅值，并抑制干擾信號(hào)，能有效減輕系統(tǒng)后端的信號(hào)數(shù)字化處理壓力，對(duì)可調(diào)諧接收前端的需求越來越高[2]。然而，可調(diào)諧微波器件的實(shí)際應(yīng)用尚被其有限的調(diào)諧范圍、由調(diào)諧元件帶來的較大損耗、調(diào)諧時(shí)伴隨的阻抗失配、波形失真等諸多弊病困擾[3]。高溫超導(dǎo)可調(diào)諧微波器件的應(yīng)用則可以有效地解決上述問題。由于高溫超導(dǎo)薄膜具有極低的表面電阻，具備更高的Q值，可很大程度上降低濾波器通帶差損、增強(qiáng)阻帶抑制以及提高邊帶陡峭度[4]?；诟邷爻瑢?dǎo)材料的優(yōu)越性，本論文將利用高溫超導(dǎo)材料極低損耗特性，研制可調(diào)諧高溫超導(dǎo)濾波器，將其應(yīng)用于接收機(jī)前端子系統(tǒng)中，可大幅提升系統(tǒng)性能。并廣泛應(yīng)用于通信、測控、雷達(dá)等系統(tǒng)中[5，6]。

1 濾波器的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)L波段帶寬為50MHz的高溫超導(dǎo)可調(diào)諧濾波器，依據(jù)濾波器設(shè)計(jì)理論，采用切比雪夫型低通響應(yīng)為設(shè)計(jì)原型，通過頻率變換，得到中心頻率位于1.3GHz，帶寬為50MHz的帶通濾波器設(shè)計(jì)初值。本文采用YCBO薄膜的超導(dǎo)材料作為電路，500nm的薄膜采用磁控濺射法生長在0.5mm厚的LaAlO3介質(zhì)襯底上。

1.1 諧振器的設(shè)計(jì)

得到了L波段帶通濾波器設(shè)計(jì)初值，需要設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)耦合要求的諧振器結(jié)構(gòu)，同時(shí)需要根據(jù)高溫超導(dǎo)材料介質(zhì)基片的特性，選擇適合加工制作實(shí)現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)。

常見的濾波器結(jié)構(gòu)由微帶線半波長諧振器、梳狀線型、交指線型等結(jié)構(gòu)組成[7-10]。但是由于高溫超導(dǎo)介質(zhì)基片材料特性較硬，并且很脆，不適合制作帶狀線結(jié)構(gòu)，同時(shí)不能在基片做接地孔，所以無法采用體積較小的梳狀線和交指線結(jié)構(gòu)，故而本文采用半波長微帶線結(jié)構(gòu)的諧振器形式。

帶通濾波器設(shè)計(jì)和制作采用半波長諧振器，諧振器的電長度變化，濾波器對(duì)應(yīng)的中心頻率也就同時(shí)發(fā)生偏移，對(duì)于微帶線結(jié)構(gòu)，其中填充了至少兩種介質(zhì)（基片和空氣介質(zhì)），屬于分區(qū)填充介質(zhì)的導(dǎo)波系統(tǒng)，TEM波不能滿足介質(zhì)基片與空氣分界面的邊界條件，電場和磁場均具有縱向分量，因此微帶線的介電常數(shù)作出修正，從而來實(shí)現(xiàn)一種基于高溫超導(dǎo)材料的頻率連續(xù)可調(diào)的L波段帶通濾波器結(jié)構(gòu)。

本文是基于用磁控濺射法生長在鋁酸鑭（LAO）基片上的YBCO的高溫超導(dǎo)薄膜材料的半波長微帶線諧振器結(jié)構(gòu)。工作于L波段的諧振器半波長物理長度較長，常見的諧振器形式存在體積大，場結(jié)構(gòu)集中在諧振器內(nèi)部，不適合用在高溫超導(dǎo)薄膜制作濾波器，本文在考慮場結(jié)構(gòu)分布的同時(shí)需要考慮諧振器的小型化設(shè)計(jì)，諧振器結(jié)構(gòu)采用如圖 1所示的交指電容和曲折線的結(jié)構(gòu)形式。

1.2 濾波器的設(shè)計(jì)及構(gòu)建

首先設(shè)計(jì)中心頻率在1.325GHz，帶寬為50MHz，切比雪夫響應(yīng)的帶通濾波器。通過低通到帶通的變換得到帶通濾波器設(shè)計(jì)初值，借助微波電路仿真軟件得到了帶通濾波器的初步結(jié)構(gòu)。如圖2所示。

利用微波電路仿真軟件，對(duì)得到初步結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到電路整體的頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。

在圖3中可以看出，通帶已經(jīng)達(dá)到指標(biāo)要求，但是通帶中的反射不好，需要進(jìn)一步考慮各個(gè)諧振器之間的耦合系數(shù)，對(duì)濾波器結(jié)構(gòu)和諧振器尺寸進(jìn)一步優(yōu)化，得到滿足指標(biāo)要求的濾波器仿真結(jié)構(gòu)，如圖4所示。仿真軟件計(jì)算得到的頻率響應(yīng)曲線如圖5所示。

濾波器通帶中心頻率為1.32GHz，通帶范圍為1.294-1.344GHz，帶寬50MHz，通帶內(nèi)插損小于0.2dB，濾波器通帶頻率范圍的高端和低端分別偏離通帶33MHz和22.5MHz，抑制度達(dá)到60dB以上。表現(xiàn)出很好的帶外抑制效果，同時(shí)帶內(nèi)插損很小。

2 可調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)諧方式

通過調(diào)節(jié)介質(zhì)的有效相對(duì)介電常數(shù)，就可以達(dá)到改變一定物理尺寸結(jié)構(gòu)下的波導(dǎo)波長，改變諧振器的諧振頻率，本設(shè)計(jì)中高溫超導(dǎo)材料YBCO的生長基片選用介電常數(shù)24.2的鋁酸鑭（LAO）基板，通過改變填充系數(shù)q，也就是改變微帶線上層空氣介質(zhì)的厚度h，就可以實(shí)現(xiàn)改變電路介質(zhì)整體的有效相對(duì)介電常數(shù)。圖6和圖7中分別展示了微帶電路中距離h與填充系數(shù)和有效相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系曲線。

2.2 調(diào)諧方式的實(shí)現(xiàn)

從上圖中的電路的有效相對(duì)介電常數(shù)與空氣腔距離的關(guān)系曲線，此距離對(duì)電路的介電常數(shù)有一定程度的影響，但是變化范圍并不大，同時(shí)對(duì)距離h的控制要求很高。為了克服這樣的弊端，本文在此基礎(chǔ)上采用了在微帶電路上部附加介質(zhì)片的方式，對(duì)微帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行擾動(dòng)，同時(shí)改變介質(zhì)片與微帶電路的距離，調(diào)節(jié)的示意圖如圖8所示。

通過如圖8所示的外加介質(zhì)片的擾動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以在很大程度上改變整體電路的有效相對(duì)介電常數(shù)，使得電路的有效相對(duì)介電常數(shù)在一定程度上減小，波導(dǎo)波長變大，濾波器的中頻頻帶向高頻段頻移。實(shí)現(xiàn)濾波器調(diào)諧的設(shè)計(jì)。

通過調(diào)節(jié)微帶線上方空氣層的厚度，借助電磁仿真軟件計(jì)算電路S參數(shù)，頻率變化結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，在不同的空氣層的厚度條件下，濾波器的中心頻率從1.31GHz變化到了1.436GHz，向高頻端偏移了126MHz，同時(shí)，帶寬由調(diào)諧之前的51MHz變化成為15MHz。

雖然實(shí)現(xiàn)了頻率的調(diào)諧移動(dòng)，但是通帶內(nèi)的反射出現(xiàn)惡化，同時(shí)帶外抑制的效果也大幅惡化。

采用同樣的思路，改變微帶電路上層空氣層的介質(zhì)的介電常數(shù)，繼續(xù)采用如圖8中的電路調(diào)諧結(jié)構(gòu)，同樣可以達(dá)到改變電路有效相對(duì)介電常數(shù)的目的，改變?yōu)V波器的中心頻率。

采用不同的介質(zhì)基片，加載在電路上方，如圖10中虛線部分為常規(guī)結(jié)構(gòu)未擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)的傳輸和反射曲線，實(shí)線部分為擾動(dòng)片厚度為2.2mm，介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)為400的介質(zhì)片對(duì)電路擾動(dòng)后的傳輸與反射參數(shù)曲線。兩組曲線之間頻率范圍可以通過前文所述的改變介質(zhì)上方的空氣層的厚度或者使用不同的相對(duì)介電常數(shù)的介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)頻率的移動(dòng)。采用這種方法完成了濾波器頻率向低頻段調(diào)諧的目的，實(shí)現(xiàn)了25MHz的調(diào)諧范圍。保持帶寬基本不變，但是帶外抑制出現(xiàn)了較大幅度的惡化。

3 結(jié)束語

本文通過選擇設(shè)計(jì)了對(duì)電路外部擾動(dòng)敏感的諧振器結(jié)構(gòu)，利用在0.5mm厚的鋁酸鑭（LAO）基板上生長的YBCO高溫超導(dǎo)薄膜為材料，設(shè)計(jì)了性能優(yōu)異的高溫超導(dǎo)濾波器，在此基礎(chǔ)上，研究了對(duì)濾波器外部調(diào)諧的方式和方法，采用調(diào)整空氣層的厚度和換用不同的相對(duì)介電常數(shù)的介質(zhì)基片的方法，實(shí)現(xiàn)了一種固定諧振器物理尺寸的情況下能夠自主調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)不同電長度的諧振器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)濾波器的通帶頻率可調(diào)諧，濾波器中心頻率的調(diào)諧范圍可以從1.29GHz-1.436GHz的連續(xù)可調(diào)諧。相比于變?nèi)荻O管等其他單一移動(dòng)頻率的調(diào)諧方式，本文提出的方法可以實(shí)現(xiàn)調(diào)諧頻率上下變動(dòng)的效果，具有很高的實(shí)用性。但同時(shí)也存在調(diào)諧范圍較小，在某些頻帶下帶外抑制不好的缺點(diǎn)，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

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