1、 S 波段高温超导滤波器的研制收稿日期:2009204215 ; Reeived date :2009204215 a827827 163. 第 32 卷第 1 期 2 0 1 0 年 2 月低 温 物 理 学 报 HINESE JURNAL F L TEPERA TURE PH YSISVl. 32 ,N. 1February 2 0 1 0S 波段高温超导滤波器的研制莫祚建 羊 恺 补世荣 曾 成电子科技大学空天科学技术研究院成都 610054【摘要】 本文采用全波电磁仿真分析方法,在 YB/ LA/ YB 双面超导薄膜(介电常数为 23. 5) 上设计并研制了具有内部耦合的 8 级高温超
2、导( HTS) 小型化多曲折滤波器,在 77K 时基本未经调谐测得其中心频率为 3.6GHz ,带宽为 200Hz ,通带内插入损耗 0. 2dB ,回波损耗优于- 20 dB ,带外抑制优于 50 dB. 本文研制的 S 波段高温超导滤波器在移动通讯和卫星通讯领域具有广泛的应用前景,测试结果表明, 滤波器具有较为优异的性能.关键词: 高温超导,带通滤波器 , S 波段 PA: TN713THE DESIGN F S2BAND HIGH2TEPERATURESUPERNDUTR FILTER Zu2jian YAN G Kai BU Shi2rng ZEN G hengI nstitute f
3、 Ast rnautis A ernautis ,U ES T , heng du 610054【Abstrat】 In this paper , The dels f HTS ( high teperature superndutivity) resnatrs are built usingAD prgras ith full2ave field siulatin ethd. The filter is anufatured n duble2sided HTS YB( YBa2u37 ) fil f 400 n thikness n a LaAI3 subst rate f 0. 5 and
4、 has internal upling. It is tested at77K(the teperature f Liquid nit rgen) . ithut any tuning , the filter has a bandidth f 200 Hz ;and it s enterf requeny is 3. 4GHz ,the insertin lss is 0. 2dB ,and the return lss is - 20dB , band rejetin is better than50dB. Suh a st ruture f high teperature supern
5、duting filters ill have a ide appliatin prspet in bileuniatins and satellite uniatins fields.Keyrds : HTS , bandpass filter , S2bandPA: TN7131 引 言高温超导薄膜具有极低的微波表面电阻 Rs (在 S 波段比常规导体小 35 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, 其在微波领域的应用研究是目前国际上高温超导电子学应用研究的热点工作,将极大地推动通信技术、雷达技术和电子对抗技术的发展. 其中高温超导微波滤波器及滤波器组是
6、高温超导微波应用的关键器件之一, 具有比常规滤波器更好的高选择性、低插损和带外抑制等特性,并兼具平面电路的体积小、重量轻、易于与其它微波固态电路进行混合集成等优点. 因此倍受军事电子学、移动通讯和卫星通讯 1994-2011 hina Aadei Jurnal Eletrni Publishing Huse. All rights reserved. 的青睐. HTS 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 , HTS 带通滤波器以其优异性能
7、将在军事电子领域、民用通讯领域, 尤其在太空中获得更为引人注目的应用. 国际、国内在这方面的研究工作已卓有成效,特别在小型化和高选择性方面作了许多研究工作. 为使滤波器结构更为紧凑和带外频带抑制更宽而达到进一步小型化和性能更优化的目的,本文采用了一种具有内部耦合的多曲折线滤波器结构,并利用电磁全波分析- - 矩量法进行模拟仿真设计, 将传统综合方法与先进的全波分析手段相结合, 使得设计过程变得简单而准确.2 具有内部耦合的多曲折线高温超导滤波器的设计在微波集成电路里, 带通滤波器一般采用微带半波长谐振器平行耦合结构. 几种典型的半波长谐振器结构如图 1 所示. 结构(a) 、(b) 、() 在
8、几何形状上分别为线状、U 形(发夹) 和环形,它们是等效的 .(d) 中的谐振器具有和(b) 相似的 U 形结构, 但它具有内部耦合, 利用它们的开路端,使之微型化 . 图(e)是图(d) 的改进结构,为进一步微型化, 间距因素被明显地扩大了 . 本文采用了图 1 中结构(e) 的加入了内部耦合的多曲折线形式. 采用内部耦合多曲折结构其尺寸比采用发夹线结构减小了一半以上. 有效地减小了谐振器的尺寸,从而减小微带型滤波器的体积.图 1 几种典型的半波长谐振器结构示意图在 HTS 滤波器设计中, 考虑到 HTS 薄膜的损耗极小, 且由二流体模型出发计算出的相位常数 与常规导体计算出的 非常接近,
9、为简化设计, 采用常规导体模型. 采用图1 中的结构(e) (加入了内部耦合的多曲折线形式谐振器结构) 构成带通滤波器时,单元谐振器间的耦合方式很复杂,本文先采用电磁全波分析- - 矩量法进行粗略综合设计,再利用 IE3D 对滤波器进行微调优化设计,以达到较为理想的滤波器特性.按照上述方法,本文设计了如图 2 所示拓扑结构的 8 级 S 波段高温超导滤波器, 其工作于 3. 6GHz ,带宽为 200Hz ,设计过程中选用的材料参数为: 基片的介电常数 r23. 5 , tg= 10 - 5 , 厚度 h= 0. 5 ; HTS 薄膜 10GHz 微波表面电阻 Rs300 h. 最后得到的频率
10、响应曲线如图 3 所示.图 2 8 级 S 波段高温超导滤波器拓扑结构图 3 S 波段高温超导滤波器频率响应曲线 3 S 波段高温超导滤波器的制作级测试优质的高温超导薄膜是超导滤波器优良性能的重要保证,本文采用磁控溅射法制作的双面 YB/LA/ YB 超导薄膜,10GHz ,77 K 时测得该双面超导薄膜两面表面电阻 Rs 小于 0. 3 . 高温超导滤波器采用干法光刻制作, 输入输出均采用 SA 接头. 高温超导滤波器测试系统如图 4 所示,图 5 为滤波器频响测试曲线.4 结 论本文在 YB 双面超导薄膜上设计制作的870 低 温 物 理 学 报第 32 卷 1994-2011 hina
11、Aadei Jurnal Eletrni Publishing Huse. All rights reserved. 图 4 测试系统框图 图 5 测试频率响应曲线 1 为插入损耗 2 为回波损耗级 S 波段小型化高温超导滤波器,77 K 时基本未经调谐时测得中心频率为 3. 6GHz ,带宽为 200Hz ,通带内插损 0. 3dB ,回波损耗小于 20dB ,带外抑制优于 50dB. 达到了设计的要求, 充分展示了高温超导薄膜在微波应用中的优异性能,为进一步研制低噪声、高灵敏度接收机前端系统打下了基础. 随着 HTS 材料的日益发展以及制冷技术的不断提高 ,该类滤波器以其优异性能将在军事电子学领域军事电子领域、民用通讯领域, 尤其在太空中获得更为引人注目的应用 论文参考文献 1 DA
