低温与超导 超导技术 Ｃｒｙｏ．＆Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ 第４１卷第３期 Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｖｏ１．４１ Ｎｏ．３ 宽阻带抑制的高温超导带通滤波器设计 ，魏斌，曹必松，汪径尘，高天琪 （清华大学物理系，北京１０００８４） 摘要：提出了一种新型加载插指电容的ｕ型阶跃阻抗谐振器，该谐振器可用于实现高温超导带通滤波器的宽阻 带抑制。利用所提出的新型谐振器结构，设计并制作了一个４节切比雪夫型高温超导带通滤波器。滤波器中心频率 为１０２６ ＭＨｚ，带宽１２．６ ＭＨｚ，第一谐频频率５１２１ ＭＨｚ，第一谐频与基频的比值为４．９２，阻带抑制度优于６０ ｄＢ。 关键词：高温超导滤波器；阶跃阻抗谐振器；插指电容；宽阻带 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｂａｎｄｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈ ｗｉｄｅ ｓｔｏｐｂａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｗａｎｇ Ｄａｎ，Ｗｅｉ Ｂｉｎ，Ｃａｏ Ｂｉｓｏｎｇ，Ｗａｎｇ Ｊｉｎｇｃｈｅｎ，Ｇａｏ Ｔｉａｎｑｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｍｉ￣，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ Ｕ ｔｙｐｅ ｓｔｅｐｐｅｄ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ（ＳＩＲ）ｌｏａｄｅｄ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ ｌｉｋｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｉｓ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ（ＨＴＳ）ｂａｎｄｐａｓｓ ｉｆｌｔｅｒ ｗｉｔｈ ｗｉｄｅ ｓｔｏｐｂａｎｄ． Ａ ｆｏｕｒ—ｐｏｌｅ Ｃｈｅｂｙ ｓｈｅｖ ＨＴＳ ｆｉｌｔｅｒ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ．Ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｈａｓ ａ ｃｅｎｔｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ １０２６ ＭＨｚ ｗｉｔｈ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｏｆ １２．６ ＭＨｚ．Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｓｐｕｒｉｏｕｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｈｅｒ ｉｓ ５１２１ ＭＨｚ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｂｏｕｔ ４．９２ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｈｔｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔＭ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｔｈｅ ｉｆｌｔｅｒ ｈａｓ ｏｕｔｂａｎｄ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ６０ｄＢ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＩＴＳ ｆｉｌｔｅｒ，Ｓｔｅｐｐｅｄ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ，Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ ｃａｐａｃｉｔｏｒ，Ｗｉｄｅ ｓｔｏｐｂａｎｄ １ 引言 高温超导滤波器实现宽阻带抑制特性的方法 主要有两类，一类设计方法是推高第一谐频的频 高温超导滤波器与传统滤波器相比，具有插 率，使谐频通带远离工作通带，从而增大阻带的频 入损耗小、带外抑制高、带边陡峭等优点。在移动 率范围；另一类方法是通过引入传输零点等方法， 通信、卫星通信、微波探测和射电天文观测等领域 抑制谐频通带的强度，从而提高宽阻带范围内的 有广泛的应用前景。高温超导滤波器通常采用微 抑制度…。目前实现宽抑制的常用谐振器结构 带线结构，由于微带线结构具有周期性的边界条 有以下几种：（１）使用插指电容谐振器推高第一 件，会在基频通带外产生谐频通带。当外界干扰 谐频的频率 ；（２）使用阶跃阻抗谐振器（ＳＩＲ， 信号与超导滤波器的谐频通带频率相同时，会通 Ｓｔｅｐｐｅｄ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）推高第一谐频的频 过超导滤波器进入接收机的后级电路，产生干扰 率 ；（３）利用缺陷地结构（ＤＧＳ，Ｄｅｆｅｃｔｅｄ 并影响整个接收系统的正常工作。近年来，随着 Ｇｒｏｕｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）引入传输零点，提高带外抑制 通信技术的迅猛发展，越来越多的微波频率资源 度 ；（４）使用１／４波长谐振器，消除偶数倍 被通信系统所使用，空间电磁频谱日益密集，各无 频 儿副；（５）在滤波器输入输出馈线或者谐振器 线通信系统之间的干扰现象也越来越严重。因 上添加短截线结构，提高对倍频的抑制度 Ｊ。 此，高性能通信接收机中的微波滤波器，不仅需要 研究表明，采用多种结构优化谐振器结构，是 具有高矩形系数特点，也需要具有宽阻带抑制特 实现宽阻带抑制滤波器的一种有效方法。据文献 性。对于通带性能优异的超导滤波器而言，则需 ［２］一［５］报道，通常的滤波器设计方法可实现 要提高滤波器的带外抑制特性。 ３０—４０ ｄＢ的带外抑制度，谐频通带可延伸到４ 倍基频左右。本文提出了一种新型加载插指电容 收稿日期：２０１２—１２—１０ 基金项目：国家自然科学基金项目（６０９０１００２，６１１２７００１）资助。 作者简介：（１９９１一），男，博士生，研究方向为超导滤波器。 ・２２・ 超导技术 Ｓｕｐｅｒｃ０ｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ 第３期 的ｕ型阶跃阻抗结构谐振器，具有优异的谐频特 性。利用该谐振器设计的高温超导带通滤波器， 第一谐频的频率可提高到近５倍基频，阻带抑制 度优于６Ｏ ｄＢ。 ２谐振器结构 该谐振器在阶跃阻抗谐振器原型中加载了插 指电容结构，最终的谐振器结构如图１所示。谐 振器的主体是一个改良的ｕ型ＳＩＲ结构：由两个 低阻抗的矩形块和一段高阻抗的蜿蜒线组成。在 此基础上，在两个低阻抗矩形块之间加载插指电 容结构，进一步推高谐振器倍频。 插指 结构 图１谐振器结构 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ２．１主体ＳＩＲ结构 图２为ＳＩＲ基本结构，由三段宽度不同的微 带线组成，两端的两段低阻抗微带线电长度相同。 ｚ２ ｚｌ ｚ２ 图２ ＳＩＲ基本结构 Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＳＩＲ 设高低阻抗微带线的电长度分别为２ 和 ， 阻抗分别为ｌｚ】和Ｚ２，导纳分别为 和ｙ２。设低阻 抗部分与高阻抗部分的阻抗比为Ｋ＝Ｚ２／Ｚ。，则从开 路端看过去，阶跃阻抗结构谐振器的导纳为。 。： １，Ⅳ ２（Ｋｔａｎ０１＋ｔａｎ０２）（Ｋ－ｔａｎ０１・ｔ ） （１一ｔａｎ￣０１）・（１一ｔ ）一２（１＋ ）ｔａｎ０１・ｔａｎ０￣ 假设谐振器的基频频率为 ，基频谐振时的电长 度为０ｏ；寄生谐振频率为 （几＝１，２，３，…），谐 振时的电长度为 （ｎ＝１，２，３…）。为简化计 算，我们取０ ＝０ ＝０。由于在谐振时，有 ：０， 所以由上式可以计算得到： １ ０ ｌ ６｝０ ２ｔａｎ一 ｆ ｓ２＝等：２（ ）一ｔ ｆ万ｓ３＝鲁：２（ ） 由上式可知，阻抗比Ｋ值越小，谐频频率与基频 的比值越大。 在谐振器尺寸允许范围内，减小高阻抗微带 线线宽，增加低阻块微带线线宽，降低了阻抗比Ｋ 值，推高谐振器第一谐频的频率。最终确定的阻 抗比Ｋ为０．２２。此外，在基本的ＳＩＲ结构基础 上，通过对不同阻抗的微带线结构进行弯曲和折 叠，优化得到了ｕ型的ＳＩＲ结构，此改进有以下 优点：（１）高阻抗部分采用蜿蜒线结构，可以有效 减小滤波器面积；（２）新的ｕ型结构中微带线的 两个开口端相互靠近，有利于推高倍频。 ２．２加载插指电容结构 在Ｕ型阶跃阻抗结构谐振器结构中加载插指 电容结构，能够进一步推高倍频。其原因如下：对 于１／２波长谐振器，在基频谐振时，谐振器两端为 异号电荷。将两端靠近，可以使谐振器的自电容变 大，进而谐振频率变小。在倍频谐振时，谐振器两 端为同号电荷。将两端靠近，可以使谐振器的自电 容变小，进而谐振频率变大。所以，总体上，使得倍 频／基频的比值变大，使得倍频被推高 Ｊ。 本文对Ｕ型阶跃阻抗结构谐振器在加载插指 电容结构前后的谐频特性进行了仿真对比。如图 ３虚线所示，加载插指电容结构前，ｕ型阶跃阻抗 结构谐振器的基频 为１０３０ ＭＨｚ，第一谐频 为 ３２３３ ＭＨｚ。加载插指电容结构后的频率特性如图 ３实线所示，谐振器基频 同样为１０３０ ＭＨｚ，第一 谐频 显著提高到５１０６ ＭＨｚ，第一谐频与基频的 比值 ，由原来的３．１５提高至５．００。 第３期 超导技术 Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ・２３・ 图３加入插指结构前后谐振器的￥２１仿真曲线 Ｆｉｇ．３ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ￥２１ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｕｎｌｏａｄｅｄ ａｎｄ ｌｏａｄｅｄ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ３滤波器设计 本文利用滤波器设计的网络综合方法，以四节 切比雪夫滤波器的耦合矩阵为基础，设计了一个中 心频率为１０３０ ＭＩ－Ｉｚ，带宽为１０ ＭＨｚ的超导带通滤波 器。滤波器中各谐振器之间的耦合系数为Ｍｌ ＝ ＝４制作和测试结果 超导滤波器采用０．５ｍｍ厚的Ｍｇｏ基片的双 面ＹＢＣＯ超导薄膜制备。利用光刻和离子束刻蚀 方法，在超导薄膜的一面刻出超导滤波器电路图 形，另一面超导薄膜作为接地面。整个滤波器封装 在金属屏蔽盒内。超导滤波器在微型电制冷测试 腔内降温至６５ Ｋ，使用安捷伦Ｅ５０７１Ｃ矢量网络分 析仪进行测试。通过对设计参数中的基片介电常 数进行修正，得到滤波器的修正后仿真曲线如图５ （图中虚线）所示，并给出了调谐后的滤波器实际 ０．０１０５， ＝０．１３０７７，外部Ｑ值为７３．４３。 ｕ型阶跃阻抗结构谐振器结构中，高阻抗电 路块部分电流密度大，低阻抗电路块部分电流密 度小。因此，在滤波器设计过程中将相邻谐振器 的高阻抗电路块交错摆放，使相邻谐振器之间通 过低阻抗电路块部分相互耦合，实现谐振器窄间 距情况下的弱耦合。此外，滤波器的输入输出馈 线均直接搭接在第一节谐振器。所设计的四节切 比雪夫滤波器的电路结构如图４所示，电路尺寸 为２６ ｍｍ×１２ ｍｍ。 测试曲线（见图５中实线）。测试结果表明：滤波器 的中心频率为１０２６ ＭＨｚ，ｌｄＢ带宽为１２．６ ＭＨｚ，带 内插损优于０．１１ ｄＢ，回波损耗优于２０ ｄＢ。 ｎＭＨｚ 图５超导滤波器通带频率响应的仿真和测试结果 Ｆｉｇ．５ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｄ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｉｇ．４ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ＨＴＳ ｆｉｌｔｅｒ ＨＴＳ ｆｉｌｔｅｒ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ・２４・ 超导技术 Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ 第３期 ∞ ∽ ０ １０００ ２０００ ３０００ ４０ｏｏ ５ｏ００ ６０００ 图６超导滤波器宽频响应的仿真和测试结果 Ｆｉｇ．６ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｗｉｄｅｂａｎｄ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＨＴＳ ｆｉｌｔｅｒ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ 图６给出了超导滤波器在低于６ ＧＨｚ的基频通带和谐频通带的分布情况。可以看到，仿真曲 线和测试曲线符合得很好。测试结果表明：滤波 器的基频厂０为１０２６ ＭＨｚ，第一谐频 １为５１２１ ＭＨｚ， Ｉ／ 为４．９９倍。滤波器在６０ ｄＢ阻带抑 ｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｄｅ一 ｓｉｇｎ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐａｃｋａ￣ｎｇ＆Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ， ２００９（ＥＤＡＰＳ ２００９）：１—５・ Ｅ３］ｗ。ｉ～ｃｈ “Ｌｉｎ，Ｍｉ“一Ｈｕａ Ｈｏ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｎｄ— ｐ 。 ｗ ｈ ｄ。。 。ｐｂ “ｄ ｐ。ｄ。ｎｎａｎ “。 “ｇ／４ 倍 度下，谐频 堂 篓 至１ ４ ： Ｈ 。：约 ．７７ ２ｆｏｒ ｋｅｄ（ＳＡＩＰＲＭｓｃ［Ｃ２。］。．９Ａ）ｓ．ｉ１ａ。 Ｐ。ａｃ—ｉｆｃ Ｍ２．ｉ咖ｗａｖｅ ∞， ８０ｄＢ阻带抑制度下，谐频通带可推高到 Ｅ４］Ｌｕ。。 ， ｉ Ｇｕ。，Ｌｉ． 一Ｐｉｎｇ．Ｍｉ ｉａｔ ｒｉ 。ｄ ｅ ｓｔ叩ｂａｆ１ｄ ｕ． ４４６７ ＭＨｚ，约为４・３５倍 。 ｂａｎｄｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｖ ａｎｄ ５结论 本文提出了一种新型谐振器结构。该谐振器 ｉ￣ ＩＥＥＥ ＭＴ ｒ， Ｍ．几［５］Ｌｕｏ Ｘｕｎ，Ｑｉａ．Ｈｕｉｚｈｅｎ，ｅｔ ａｌ－Ａ ｃｏｍｐａｃｔ ｗｉｄｅ ｓｔｏｐ’ 结构结合了阶跃阻抗结构和插指电容结构的优 点，具有优异的宽阻带抑制性能。利用该谐振器 设计和制作了一个４节 比雪夫滤波器，测试结 果和仿真结果符合得很好。测试表明，该滤波器 具有优异的抑制度和宽阻带抑制特．陛。滤波器的 第一谐频位于４．９９倍ｆｏ，６０ｄＢ阻带展宽为４．７９ ｆｏ，８０ｄＢ阻带展宽为４．３５ｆｏ。此外，该滤波器具 ｂａｎｄ 口吣ｍｐ ｂａｎｄｐ踟ｎｎ即岫ｍｇ ｑｕａｎｅ 一ｗａｖｅ一 ａｅｄ 。“ｐ 。ｄ一 ｉ 。 ［ｃ］・Ａｓｉａ—Ｐａｃｉ６ Ｍｉ・ 。“ｇｔｈ ｈｏｗａｖ ｅ ｃ。 ｒｅｎ Ｐｍ 。ｄｉｎｇｓ（ＡＰＭｃ），２叭０：¨４２ ｃｒｏ…『６］Ｃｈｅｎ Ｘｉａｏ—ＱＵｎ Ｌｉ，Ｐｉｎｇ ｔ ａ１．Ｏｐｅｎ ｌｏｏｐ陀。。 ａｔ。 ｂａｎｄｐａｓ ｆｉｌｔ。 ｗｉｔｈ ｉｄ ｔ。ｐｂａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｐ ｒｌｉ ａ ｄ ｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｓｔｕｂｓ［ｃ］２０１０ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉ０ｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏ ．Ｍｉｃ Ⅲｅ ａｎｄ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏ１ｏｇＹ（ＩＣＭＭＴ）： 有良好的带内特性，带内最大插损仅为０．１１ ｄＢ。参考文献…Ｈ。ｎｇ Ｊ，Ｌａｎ。 Ｍ Ｊ・Ｍｉ。ｒｏ 邱ｆｉｌｔｅｒｓ ｆ０ ＲＦ／ｍｉ ４０—４３． ［７］Ｍａｋｉｍｏｔｏ Ｍ，Ｙａｍａｓｈｉｔａ Ｓ．Ｂａｎｄｐａｓｓ ｉｆｌｔｅｒｓ ｕｓｉｎｇ ｐａｒａｌ一 ｌｅｌ ｃ０ｕｐｌｅｄ ｓｔｒｉｐｌｉｎｅ ８ｔｅｐｐｅｄ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｒｅｓｏｎａｔ０ｒｓ［Ｊ］． ｌ９８０２８（１２）：１４１３一ｌ４１７．，。 ｗ ａｙ ：印ｐ ｉ。砒ｉ。“ｓ［Ｍ］・Ｎｅｗ Ｙ。ｒｋ： 。ｈｎ ｗｉ ｅｙ＆ｓ。ｎｓ， ［８］龚利 ． 宽 带高温超导滤波器设计［Ｄ］．北京：清 ［２］ｗｅｊ ｓ，ｗｅｎ—Ｙａｎ Ｙ，Ｘｉａ０一ｗｅｊ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｅｗ ｗｉｄｅ 华大学，２０１１．
