無耦合交叉線高溫超導準橢圓函數(shù)濾波器

張?zhí)炝迹芰?，?愷，陳 鵬，任向陽，侯方焰，楊常林(電子科技大學航空航天學院 成都 611731)

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無耦合交叉線高溫超導準橢圓函數(shù)濾波器

張?zhí)炝迹芰?，?愷，陳 鵬，任向陽，侯方焰，楊常林
(電子科技大學航空航天學院 成都 611731)

【摘要】提出了一種用于設(shè)計高溫超導小型化準橢圓函數(shù)濾波器的新型多曲折諧振器結(jié)構(gòu)，在不改變?yōu)V波器總體布局的情況下，通過優(yōu)化諧振器結(jié)構(gòu)來直接實現(xiàn)拓撲邏輯上非相鄰諧振器之間的交叉耦合，引入多對傳輸零點以提高濾波器的帶外抑制。既能利于實現(xiàn)濾波器的小型化，也能避免耦合交叉線對加工工藝的特殊要求。利用自擬耦合矩陣，在31.5 mm×15.6 mm，厚度為0.5 mm、介電常數(shù)為24的雙面YBCO/LaAlO3/YBCO高溫超導薄膜上，設(shè)計制作了具有3對傳輸零點的12階CDMA 2 000高溫超導濾波器。在77 K時測得濾波器的中心頻率為830 MHz，帶寬為10 MHz，帶邊滾降大于45 dB/MHz，帶內(nèi)插入損耗最優(yōu)值小于0.4 dB，回波損耗整體優(yōu)于?11.3 dB，加工測試結(jié)果與仿真設(shè)計結(jié)果基本吻合。

關(guān) 鍵 詞濾波器; 高溫超導; 小型化; 多曲折諧振器; 傳輸零點

High Temperature Superconducting Quasi-Elliptic Function Filter Without Cross-Coupled Line

ZHANG Tian-liang, ZHOU Li-guo, YANG Kai, CHEN Peng, REN Xiang-yang, HOU Fang-yan, and YANG Chang-lin
(School of Astronautics and Aeronautics, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731)

Abstract This paper presents a group of improved multi-zigzag resonators to design high temperature superconducting (HTS) miniaturization quasi-elliptic filter. With a little change of the filter’s layout, cross-couplings between non-adjacent resonators in topology logic are directly achieved without any cross-coupling line by optimizing the resonator’s structure, and multi-pairs of transmission zeros are introduced to improve out-of-band rejection of filter, which are not only beneficial for filter’s miniaturization, but also avoids the high processing-technical requirement caused by cross-line coupling. By using a self-synthesized coupling matrix, a 12th-order HTS filter is designed with 3 pairs of transmission zeros on a double-sided YBCO/LaAlO3/YBCO high temperature superconducting thin film whose size is 31.5 mm×15.6 mm, thickness is 0.5 mm, and dielectric constant is 24. At 77 K, the filter’s tested center frequency is 830 MHz with a bandwidth of 10 MHz, a band edge roll-off more than 45 dB/MHz, a insert losing less than 0.4 dB and a return losing better than ?11.3 dB.

Key words filter; high temperature superconducting; miniaturization; multi-zigzag resonator; transmission zero

當前，移動通信頻譜資源變得越來越緊張，通信系統(tǒng)對濾波器的性能要求也越來越高。采用高溫超導薄膜設(shè)計制作的微帶濾波器具有極低的插入損耗、優(yōu)異的頻率選擇特性等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于各類通信系統(tǒng)中[1-4]。高溫超導濾波器設(shè)計時，為了獲得更為優(yōu)異的帶外抑制特性，除了盡可能采用小型化單元諧振電路以增加級數(shù)外，還廣泛采用準橢圓函數(shù)響應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)形式[3-11]。

對于高溫超導濾波器系統(tǒng)而言，一般是采用制冷機來提供低溫環(huán)境，為了減小制冷機的熱負載，縮短制冷時間，提高制冷效率，要求高溫超導器件尺寸越小越好。因此，盡可能采用小型化諧振器并在拓撲邏輯上非相鄰諧振器之間增加交叉耦合引入傳輸零點是很常用的方法，既能減小濾波器的尺寸又能提高濾波器的帶外抑制。CQ(cascaded quadruplet)結(jié)構(gòu)是引入傳輸零點的一種比較成熟的結(jié)構(gòu)，每一組CQ單元可以引入一對傳輸零點[8-11]。但如果用耦合交叉線來實現(xiàn)非相鄰諧振器之間的交叉耦合，會使電路對光刻工藝要求相對較高。為此，本文提出新的改進型多曲折諧振器結(jié)構(gòu)，并合理布局諧振器的相對位置來構(gòu)造CQ單元，引入多對傳輸零點來提高濾波器帶外抑制，同時無需使用耦合交叉線可減小對光刻加工工藝的要求。最后，采用多曲折諧振器并結(jié)合自行綜合的耦合矩陣，設(shè)計制作了用于CDMA 2 000的12階高溫超導濾波器。

1 12階準橢圓函數(shù)濾波器耦合系數(shù)的綜合

本文設(shè)計的濾波器中心頻率為830 MHz，帶寬為10 MHz。結(jié)合自行研究的濾波器耦合系數(shù)綜合方法[12]，綜合了一組12階濾波器的耦合系數(shù)，詳見表1。其中mij代表第i級與第j級諧振器間的耦合系數(shù)，對應(yīng)的拓撲結(jié)構(gòu)見圖1，圖中每一個圓圈代表一個諧振器，圓圈內(nèi)數(shù)字代表諧振器的編號，實線代表相鄰諧振器之間的耦合，虛線代表非相鄰諧振器之間的交叉耦合，S和L分別代表輸入和輸出。

表1　各諧振器間的耦合系數(shù)

利用表1的耦合系數(shù)，可以獲得12階準橢圓函數(shù)濾波器的理想頻率響應(yīng)曲線，如圖2所示。

圖1　12階準橢圓函數(shù)濾波器拓撲結(jié)構(gòu)

圖2　12階準橢圓函數(shù)濾波器的理想頻率響應(yīng)曲線

2 多曲折線半波長諧振器

在設(shè)計微帶線濾波器時，常采用半波長諧振器作為基本諧振單元。為了盡可能減小器件尺寸，已經(jīng)構(gòu)造出了多種形式的小型化半波長微帶線諧振器，圖3所示是幾種常見且使用比較靈活的多曲折線諧振器[9,11,13]。

圖3　幾種常見的諧振器

本文將圖3a所示的諧振器變形為圖4a所示的諧振器；將圖3b所示的諧振器變形為圖4b所示的諧振器。然后利用圖4a、圖4b和圖3c的3種諧振器構(gòu)造出圖5所示的兩種CQ單元，圖5中字母代表諧振器編號。

圖4　變形后的諧振器

圖5　兩種CQ單元

圖5a中，諧振器A與諧振器B之間、諧振器B與諧振器C之間、諧振器C與諧振器D之間均為電容耦合。在設(shè)計A與D之間的耦合時，充分利用A和D的中部區(qū)域，保證諧振器之間距離S5在滿足工藝最低縫隙寬度條件下，獲取較大的耦合[13]。而且此時A與D之間的耦合為磁場耦合，正好和B與C之間電場耦合的耦合極性相反，從而可產(chǎn)生一對傳輸零點。此外，圖5a中諧振器A與諧振器C(諧振器B與諧振器D)之間的耦合很弱。這樣，既避免了使用耦合交叉線來實現(xiàn)A與D之間的交叉耦合，也避免了CQ單元中不必要的交叉耦合。同時，考慮到本文設(shè)計的濾波器相對帶寬較小，如果采用輸入、輸出傳輸線與諧振器直接相連的方式來獲取外耦合，則需要盡可能把最邊側(cè)的諧振器中部區(qū)域放在最外側(cè)，因此在保證各諧振器之間耦合屬性不變的前提下，將圖5a中外側(cè)的一個諧振器替換為圖4b所示的諧振器，并構(gòu)造出圖5b的CQ單元。

3 高溫超導濾波器的仿真設(shè)計

本文采用表1中各級諧振器間的耦合系數(shù)指導濾波器物理電路的設(shè)計，采用介電常數(shù)為24，厚度為0.5 mm的LaAlO3基片。為了設(shè)計方便，首先分別對3個CQ諧振單元進行單獨設(shè)計，然后再進行各個CQ單元之間的耦合設(shè)計。

在設(shè)計圖5a所示的CQ單元時，所有諧振器線寬和諧振器內(nèi)部縫隙寬度均設(shè)置為0.1 mm。首先通過全波仿真軟件仿真獲得圖6a所示S2與kBC之間的關(guān)系，S2為圖5a中諧振器B與諧振器C之間的耦合間距，kBC為諧振器B與諧振器C之間的耦合系數(shù)。再根據(jù)表1中對應(yīng)的耦合系數(shù)即可確定S2的初值SBC，并保持不變。然后把圖5a中諧振器端頭到頂部的距離L1設(shè)置為2.4 mm，設(shè)置為較大值的目的是盡可能避免諧振器A與C(B與D)之間不必要的交叉耦合。再將諧振器A和B的最右側(cè)對齊，考慮到諧振器A與B之間和諧振器B與C之間的耦合系數(shù)比較接近，因此在把諧振器A與諧振器B之間的間距S1設(shè)置為和前述SBC相等的值，進行A與B之間的耦合仿真，S1與kAB的關(guān)系如圖6b所示，kAB為圖5a中諧振器A與B之間的耦合系數(shù)。仿真過程中諧振器A和B雖然結(jié)構(gòu)不同，但需要保證它們的諧振頻率相同。同理，根據(jù)表1中對應(yīng)的耦合系數(shù)可確定S1的初值SAB以及諧振器C與D之間的間距S3的初值SCD。在S1、S2、S3和L1的初值都確定后，諧振器A和D的相對位置就已經(jīng)確定下來，即S4已經(jīng)確定。然后通過改變諧振器A與D之間的耦合距離S5來改變它們之間的耦合系數(shù)kAD，S5與耦合系數(shù)kAD之間的關(guān)系如圖6c所示。在改變S5的時候不能改變S4，只能通過同步調(diào)節(jié)諧振器中L2的值來保持諧振器的諧振頻率不變。

當完成所有CQ單元后，即可仿真各個CQ單元之間的耦合距離，從而完成整個電路初值的搭建。通過微調(diào)各個諧振器的尺寸及各耦合距離S的大小，優(yōu)化后最終完成整個高溫超導濾波器平面電路設(shè)計，如圖7所示，電路尺寸為31.5 mm×15.6 mm。在進行電路優(yōu)化時，盡可能保持所有諧振器的頂端位置不變，只調(diào)節(jié)下端的位置以降低微調(diào)的復雜性，也便于降低電路后期封裝的難度。全波分析得到的頻率響應(yīng)曲線如圖8所示。和圖2對比可以得出，濾波器的仿真設(shè)計值與理論值吻合較好。

圖7　高溫超導濾波器平面拓撲結(jié)構(gòu)

圖8　高溫超導小型化準橢圓函數(shù)濾波器仿真結(jié)果

4 高溫超導濾波器的制作與測試

本文采用YBCO/LaAlO3/YBCO高溫超導薄膜，厚度為0.5 mm，介電常數(shù)為24，加工的實物如圖9所示。高溫超導濾波器采用半導體平面精細加工技術(shù)—離子束刻蝕工藝制作。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent 8720ET對設(shè)計制作完成的濾波器進行測試，最終的測試結(jié)果曲線如圖10所示。在77 K時，超導濾波器實測中心頻率為830 MHz，帶寬約10 MHz，帶邊滾降大于45 dB/MHz，通帶內(nèi)的插損最優(yōu)值小于0.4 dB，通帶內(nèi)中心區(qū)域60%范圍內(nèi)回波損耗優(yōu)于?12.5 dB，但通帶兩端小區(qū)域回波損耗不夠理想，最差值為?11.3 dB，造成部分頻點的插損較大，通帶內(nèi)最大插損值在825.43 MHz附近為1.23 dB。

圖9　高溫超導準橢圓函數(shù)濾波器實物照片

圖10　高溫超導小型化準橢圓函數(shù)濾波器測試結(jié)果

5 結(jié) 束 語

本文在不引入耦合交叉線的前提下，通過合理改變諧振器的結(jié)構(gòu)來直接實現(xiàn)非相鄰諧振器之間的交叉耦合，引入3對傳輸零點提高了濾波器的帶外抑制。既實現(xiàn)了濾波器的小型化設(shè)計，也避免了使用耦合交叉線，降低了電路對加工工藝的要求。利用該方法完成了含有3個CQ單元的高溫超導濾波器仿真設(shè)計和加工，測試結(jié)果與理論響應(yīng)基本符合。這種通過合理改變諧振器結(jié)構(gòu)引入非相鄰諧振器之間交叉耦合的方法，為下一步設(shè)計更高階小型化高選擇性準橢圓函數(shù)濾波器提供了保障。

參 考 文 獻

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

[2] 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.

[3] HONG J S, LANCASTER M J, JEDAMZIK D, et al. On the performance of HTS microstrip quasi-elliptic function filters for mobile communications application[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2000, 48(7): 1240-1246.

[4] ZHANG G, HUANG F, LANCASTER M J. Superconducting spiral filters with quasi-elliptic characteristic for radio astronomy[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2005, 53(3): 947-951.

[5] TSUZUKI G, YE S, BERKOWITZ S. Ultra-selective 22-pole 10-transmission zero superconducting bandpass filter surpasses 50-pole Chebyshev filter[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2002, 50(12): 2924-2929.

[6] ZUO T, YAN S, ZHAO X, et al. The design of a linear phase superconducting filter with quasi-elliptic response[J]. Superconductor Science and Technology, 2008, 21(6): 065018.

[7] ZHANG T, YANG K, ZHANG Y, et al. Parallel-coupled linear-phase superconducting filter[J]. Chinese Science Bulletin, 2014, 59(16): 1925-1928.

[8] HONG J S, MCERLEAN E P, KARYAMAPUDI B. Highorder superconducting filter with group delay equalization[C]// Microwave Symposium Digest, 2005 IEEE MTT-S International. [S.l.]: IEEE, 2005.

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

[10] YU T, LI C, LI F, et al. A novel quasi-elliptic HTS filter with group-delay equalization using compact quasi-lumped element resonators in VHF band[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2009, 19(2): 69-75.

[11] 張?zhí)炝? 羊愷, 孔根升, 等. 高溫超導小型化交叉線自均衡線性相位濾波器[J]. 科學通報, 2010(15): 1453-1458. ZHANG Tian-liang, YANG Kai, KONG Gen-sheng, et al. Miniature linear-phase superconducting filter with group delay equalization[J]. Chinese Sci Bull, 2010(15): 1453-1458.

[12] 張?zhí)炝? 高性能高溫超導線性相位濾波器的研究[D]. 成都: 電子科技大學, 2009. ZHANG Tian-liang. Research of HTSC linear-phase filters[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2009.

[13] HONG J S, LANCASTER M J. Couplings of microstrip square open-loop resonators for cross-coupled planar microwave filters[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1996, 44(11): 2099-2109.

編 輯 稅 紅

作者簡介：張?zhí)炝?1976 ? )，男，博士，副教授，主要從事高溫超導微波電子學方面的研究.

基金項目：國家自然科學基金(61471094)

收稿日期：2015 ? 04 ? 16；修回日期：2015 ? 09 ? 22

中圖分類號TN713

文獻標志碼A

doi:10.3969/j.issn.1001-0548.2016.01.003