三分钟看懂365MHz高温超导带阻滤波器的研制

摘要：本文成功设计了一款8阶高温超导带阻滤波器，滤波器的阻带中心频率为365MHz，阻带带宽为9.2MHz。给出了滤波器设计原理、设计过程以及设计结果，采用Sonnet软件进行滤波器微带电路的全波电磁场仿真，滤波器由基于2英寸LaAlO3为衬底的DyBa2Cu3O7高温超导薄膜制作而成。实际测试得到很好的技术指标。

1、引言

自从高温超导薄膜材料问世以来，经过20多年不同领域的科技工作者的不懈努力，证实高温超导薄膜在射电天文、深空探测、移动通信系统、医疗器械等领域都有着广泛的应用前景。在移动通信频段内，高温超导材料的微波电阻比传统金属材料小3个数量级左右，利用高温超导材料薄膜制作的滤波器具有插入损耗极小、过渡带陡峭，带外抑制高的特点。在国内许多科研院所，高校以及企业都围绕着高温超导滤波器展开了更加细致的研究，已经设计制作出多款具有很好技术指标水平的高温超导滤波器产品［1］［2］ ［3］。

近年来，随着通信系统的迅猛发展，越来越多的微波频段被通信系统所利用，空间电磁频谱日益密集，无线通信环境越来越复杂，无线通信系统之间的干扰也越来越严重，无线通信环境越来越恶劣。干扰信号会给无线通信基站覆盖区域内的通信质量带来很多问题，如电话掉线、连接困难、信息丢失以及接收语音质量很差等等［4］。因此，在通信网络的建设中，有效解决干扰是一项重要的工作内容，在常用的带通滤波器不能很好的解决问题的时候，就需要针对干扰信号增加带阻滤波器，实现对干扰源信号的滤除。本工作的主要研究目标就是针对实际的移动通信场景，在通信系统的接收端，设计开发一款带阻滤波器，滤除掉集群通信系统的强发射信号，解决集群发射信号对本通信系统的干扰问题。

2、带阻滤波器理论设计

本次设计的滤波器电路是基于切比雪夫原型电路设计，每个谐振器的谐振频率都是完全相同的，而且每相邻两个谐振器之间的电长度是1/4波长［5］。带阻滤波器的电抗斜率参数依据以下公式计算得出：

其中，ωi=ω0是滤波器的中心角频率，FBW是带阻滤波器的相对带宽，gi为切比雪夫低通原型相应第i个元件的电导参数值，通过查表得到。Zp=Z0为传输线的特性阻抗。

电抗斜率参数与带阻滤波器的中心频率之间关系由下式计算得出：

其中，f0是带阻滤波器中心频率，Δfi3dB是-3dB处带宽。

按照切比雪夫结构带阻滤波器的综合设计理论，给出切比雪夫带阻滤波器的等效电路结构，如图1所示。

图1、切比雪夫带阻滤波器的等效电路

借助于微波设计对带阻滤波器等效电路的参数进行综合优化，可以得到满足设计要求的8阶带阻滤波器的频率响应理论曲线，如图2所示，其中S11为带阻滤波器回波损耗曲线，S21是滤波器的传输损耗曲线。

图2、8阶带阻滤波器频率响应理论曲线

3、物理电路设计与仿真

带阻滤波器具体设计过程是：

首先，如上节内容所述，利用微波设计软件，得到满足设计要求的8阶带阻滤波器的频率响应理论曲线，得到电路元件的优化后数据，从而提取出滤波器耦合参数数据，作为滤波器物理电路设计的理论依据。

其次，确定所设计滤波器采用的衬底材料及谐振器、传输线结构。

本设计滤波器衬底材料为0.5mm厚度LaAlO3，其介电常数约为23.8，适合设计较低频率滤波器，导电层为镝钡铜氧（DyBa2Cu3O7简写成DyBCO）高温超导薄膜材料。

由于滤波器工作频率较低，谐振器长度较长，为了有效减小滤波器尺寸，节省占用空间，谐振器结构采用半波长对称螺旋谐振器结构，谐振器结构如图3所示。

每两个谐振器之间的传输线长度是1/4波长。同样由于超导薄膜面积有限，需要采用适宜的传输线物理形式，减小滤波器的面积，本工作采用折线结构，如图4所示，有效地解决了主传输线的长度问题。

由于在带阻滤波器理论设计中，每个谐振器只与主传输线发生耦合作用，所以实际的物理电路设计要尽可能的减弱或者消除谐振器之间的相互耦合。一种方法是物理上分离这些谐振器，例如把每一个谐振器放在单独的金属盒里来隔离彼此之间的耦合。这样能够得到很好的效果，但是很大地增加了滤波器的尺寸［6］。本工作采用把谐振器依次分别放置在主传输线的两侧的方法，很好地减弱了谐振器之间的耦合效应。

图3、对称螺旋结构谐振器

图4、折线结构传输线

再次，采用Sonnet软件，在电磁仿真环境中，确定好带阻滤波器传输线结构后加入第一个谐振器，仿真得到其频率响应曲线，通过调整谐振器与传输线的相对位置，使得到的仿真数据与理论值一致，从而确定第一个谐振器与传输线耦合位置。依次完成各个谐振器与传输线的耦合设计。

最后，搭建出8阶高温超导带阻滤波器的整体物理电路，并进行电路的电磁场全波模拟仿真。由于非预期寄生效应的客观存在，滤波器的仿真结果会与理论结果存在一定的差距，还需要对滤波器的整体物理电路进行细微调节，最终实现滤波器的物理设计，得到理想的模拟仿真结果。滤波器结构示意图如图5所示，滤波器的性能仿真结果如图6所示。

图5、8阶高温超导带阻滤波器电路结构示意图

图6、8阶高温超导带阻滤波器最终仿真曲线

4、滤波器的制作与测试

将以上设计完成的滤波器电路制作到厚度为0.5mm的2英寸LaAlO3为衬底的双面DyBCO高温超导薄膜上。高温超导薄膜材料的制备采用的是多源热共蒸技术，微带电路的加工采用半导体平面精细加工工艺技术，经过曝光、显影、离子束刻蚀、切割等过程，得到超导带阻滤波器电路芯片，超导芯片最后封装到铜质屏蔽盒中，标准SMA接头作为输入输出端口，输入输出匹配阻抗均为50Ω。封装完成后，采用Agilent公司的8753ES网络分析仪对高温超导带阻滤波器性能进行测试。工作温度设定为75K，测试结果如图7所示，其中图7（a）为滤波器阻带特性，图7（b）为滤波器的宽频域特性。横坐标为频率（MHz），纵坐标为幅度（dB），两图中传输特性S21的0dB参考线在最上方第一条横格线，反射特性S11的0dB参考线在中间的第六条横格线。由滤波器测试曲线可以看出，滤波器的阻带中心频率为365MHz，阻带宽度为9.2MHz，阻带抑制最高达到80dB，滤波器通带的回波损耗优于20dB，通带插入损耗小于0.1dB，实际测试结果与设计结果吻合度很高，取得了非常理想的结果。

（a）阻带特性、（b）宽频域特性

图7、8阶高温超导带阻滤波器测试结果

5、结论

本文设计了一款新型的8阶高温超导带阻滤波器，用于滤除无线通信中的强干扰信号，提高系统的信号接收灵敏度和抗干扰能力。并制作出了滤波器实物，经低温测试，带阻滤波器的性能比较理想。表明采用双螺旋结构谐振器和折线结构传输线设计的带阻滤波器不但具有紧凑的物理结构，而且性能指标与设计结果具有很好的吻合性。