CN102255123A - 一种含有抽头结构的高温超导微带滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含有抽头结构的高温超导微带滤波器，属于微波通讯技术设备领域。该微波滤波器包括输入馈线，输出馈线，平行排列的多节U型二分之一波长谐振器，其特征在于，至少有一节所述二分之一波长谐振器为带有抽头结构的谐振器，用以在滤波器通带边缘引入传输零点。本发明利用抽头结构引入了恰当的传输零点，使得过渡带陡峭，并且具有整体尺寸小，插入损耗低，带外抑制好等优点。本发明用于制造高温超导滤波器，也适用于平面型普通金属微带滤波器。
Description
技术领域
本发明属于微波通讯设备技术领域，特别涉及微波滤波器的设计。
背景技术
微波滤波器是十分重要的微波元件，理想的滤波器特性应当是通带无衰减而在截止区域内衰减无穷大，通带与截止区域的跳变尽可能的陡峭。目前，滤波器设计的目标是在滤波器整体尺寸尽可能小的前提下，使滤波器的带内插入损耗更低，通带边缘更陡峭，从而实现良好的选择性。
对于带内插入损耗的降低，高温超导材料的使用具有关键作用。随着高温超导薄膜材料制备工艺的发展，推动了超导微带线滤波器的实用化进程。超导微带线具有很低的微波表面电阻，使得超导微带线滤波器带内插入损耗很小。已有的实验结果表明，超导微带线滤波器可以有极低的插入损耗和通带平坦特性，在性能上更接近于理想滤波器。
对于带边陡峭度的提高，则依赖于设计方法。在传统的滤波器设计方法中，通常采用增加节数的方法来提高带边陡峭度。但是，节数的增加将显著的增大滤波器的整体尺寸，并导致通带衰减变大，使得滤波器性能恶化。近年来，在滤波器的设计方法研究中，应用在通带边缘引入传输零点的方式来改善带边陡峭度备受青睐。在过去的研究中，许多方法都被用来产生传输零点。英国伯明翰大学的Jiasheng Hong等人通过错落的谐振器布局方式引入交叉耦合，实现了一对传输零点，详见Hong J and Lancaster M J，“Design of HighlySelective Microstrip Bandpass Filters with a Single Pair of Attenuation Poles atFinite Frequencies”，IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，VOL.48，NO.7，JULY 2000，PP.1098-1107。这种通过特殊的谐振器布局来实现交叉耦合的方法使其结构受到很大限制，而且在高频时为了避开封装盒模式必须采用狭长型的布局，这种方法难以实现。美国Conductus公司的研究人员通过一条耦合微带线为桥梁在非相邻谐振器之间建立交叉耦合，引入了传输零点，详见Shen Y and Sans C，IEEE MIT-S Digest，“Ultra SelectiveHTS Bandpass Filter for 3G Wireless Application”，VOL.13，NO.2，JUNE 2003，PP.261-264。然而频率较高时，构成滤波器的谐振器尺寸小，耦合微带线的电长度甚至比谐振器自身的电长度还长，耦合微带线会在通带附近引入一系列不需要的谐振模式，难以实现良好的滤波器性能。另外，通过在输入输出馈线上引入四分之一波长带阻线或者其它陷波单元的方法也被用来实现滤波器的高带边陡峭度响应，但这种方法会增加馈线的长度，并且影响外部输入输出Q值，增大设计难度。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种含有抽头结构的微带滤波器。采用直接在二分之一波长谐振器上引入抽头结构的方法，在滤波器通带边缘实现可控传输零点，提高滤波器的带边陡峭度。
为实现本发明的目的，采用以下技术方案：
一种含有抽头结构的高温超导微带滤波器，包括输入馈线，输出馈线，平行排列的多节U型二分之一波长谐振器，其特征在于，至少有一节所述二分之一波长谐振器为带有抽头结构的谐振器，用以在滤波器通带边缘引入传输零点。
所述抽头结构与该二分之一波长谐振器的中部虚地相连。
所述谐振器中抽头结构的有效长度为传输零点的频率所对应波长的四分之一。
所述谐振器的抽头结构可由弯折的高阻抗段和矩形的低阻抗段构成。
所述滤波器可采用YBCO高温超导薄膜制作。
本发明利用抽头结构在滤波器通带边缘引入了恰当的传输零点，使得过渡带陡峭，并且具有整体尺寸小，插入损耗低，带外抑制好等优点。
本发明用于制造高温超导滤波器，也适用于平面型普通金属微带滤波器。
附图说明
图1为本发明的包括输入馈线，输出馈线，谐振器组的基本滤波器的结构示意图。
图2为本发明的滤波器所用U型阶跃阻抗谐振器。
图3为本发明的包含抽头式结构的U型阶跃阻抗谐振器。
图4为本发明的包括一个抽头结构之超导滤波器的结构布局示意图。
图5为图4中的包括一个抽头结构之超导滤波器的响应曲线。
图6为本发明的包括两个抽头结构之超导滤波器的结构布局示意图。
图7为图6中的包括两个抽头结构之超导滤波器的响应曲线。
图8为包含两个抽头结构和不包含抽头结构之超导滤波器的响应曲线对比图。
具体实施方式
本发明提出的含有抽头结构的微带滤波器结合附图及实施例详细说明如下：
具体实施例为一个中心频率为7.42GHz，相对带宽2.2％的带通滤波器。采用双面钇钡铜氧(YBCO)超导薄膜，基片材料为MgO，厚度为0.50mm，相对介电常数为9.7。
本实施例的基本滤波器结构可通过电磁场仿真软件设计。如图1所示，11、12、13、14为滤波器的第一、第二、第三、第四节谐振器。15、16为输入、输出馈线。图1中滤波器选用的谐振器为U型阶跃阻抗谐振器，是二分之一波长谐振器，尺寸根据工作中心频率7.42GHz确定。如图2所示，21为U型阶跃阻抗谐振器的高阻抗段，微带线的宽度0.3mm，长度2.2毫米。22和23为低阻抗段，微带线宽度均为1.0mm，长度均为1.87毫米。
然后，直接在二分之一波长谐振器上连接抽头结构，如图3所示。
所述的抽头结构3S，其连接的位置处于二分之一波长谐振器的中部虚地处。根据传输线理论，二分之一波长谐振器基频谐振时，谐振器中部电压为零，可视为虚地，在此处引入抽头结构对基频谐振的影响可忽略。
所述的抽头结构3S，其尺寸为传输零点的频率所对应波长的四分之一。抽头结构3S，由弯折的高阻抗段和矩形的低阻抗段构成。3S1为抽头结构的细线条段，3S2为抽头结构的矩形块。高低阻抗的搭配使得抽头的整体尺寸紧凑，可调参数多，对传输零点位置的调节灵活有效。
本实施例由具有一个抽头结构的二分之一波长谐振器及三个普通的二分之一波长谐振器组成超导滤波器，该超导滤波器结构布局如图4所示。41、42、43、44为滤波器的第一、第二、第三、第四节谐振器，41S为第一节谐振器上连接的抽头结构，45、46为输入、输出馈线。滤波器整体尺寸24.0×8.0mm。
本实施例的抽头结构41S，由弯折的高阻抗段和矩形的低阻抗段构成。高阻抗段宽度0.1mm，长度2.2mm，可等效为电感。低阻抗段的矩形块，尺寸为0.6mm×1.5mm，可等效为电容。抽头的有效尺寸需满足要求，在传输零点的频率处所对应电长度为90度。
本实施例包括一个抽头结构之超导滤波器的响应曲线如图5所示。51为传输曲线S21，传输曲线中有两个传输零点，其中511为谐振器非相邻耦合产生的一个传输零点，512为抽头结构引入的一个传输零点，频率为7.6GHz。52为反射曲线S11。
根据性能需要，本实施例2由具有两个抽头结构的二分之一波长谐振器及两个普通的二分之一波长谐振器组成超导滤波器，即在上述实施例1的基础上再增加一个抽头结构。该超导滤波器结构布局如图6所示。61、62、63、64为滤波器的第一、第二、第三、第四节谐振器，61S为第一节谐振器上连接的抽头结构，64S为第四节谐振器上连接的抽头结构，65、66为输入、输出馈线。滤波器整体尺寸仍然是24.0×8.0mm。
抽头结构引入之后，需要对整个滤波器布局进行微调，优化仿真以得到良好的响应曲线。本实施例2包括两个抽头结构的超导滤波器的响应曲线如图7所示。71为传输曲线S21，可见传输曲线中有三个传输零点，其中711为谐振器非相邻耦合产生的一个传输零点，712为抽头结构引入的一个传输零点，频率为7.58GHz，713为抽头式谐振器引入的另一个传输零点，频率为7.64GHz。72为反射曲线S11。
本发明的微带滤波器，通过抽头结构的引入，产生的传输零点有效地改善了滤波器的带边陡峭度。包含两个抽头结构和不包含抽头结构之超导滤波器的响应曲线对比如图8所示。81为不含抽头式谐振器之超导滤波器的频率响应图，82含有两个抽头式谐振器之超导滤波器的频率响应图。本发明的包含抽头结构的高温超导滤波器带边陡峭度明显改善，实现了本发明的目的。
虽然在上述实施例的基础上对本发明进行了说明，但是本发明并不局限于此，具有相关领域背景知识的人可以在此基础上进行多种变形。
Claims (5)
1.一种含有抽头结构的高温超导微带滤波器，包括输入馈线，输出馈线，平行排列的多节U型二分之一波长谐振器，其特征在于，至少有一节所述二分之一波长谐振器为带有抽头结构的谐振器，用以在滤波器通带边缘引入传输零点。
2.如权利要求1所述的高温超导微带滤波器，其特征在于，所述抽头结构与该二分之一波长谐振器的中部虚地相连。
3.如权利要求1所述的高温超导微带滤波器，其特征在于，所述谐振器中抽头结构的有效长度为传输零点的频率所对应波长的四分之一。
4.如权利要求1所述的高温超导微带滤波器，其特征在于，所述谐振器的抽头结构由弯折的高阻抗段和矩形的低阻抗段构成。
5.权利要求1-4中任一项所述的高温超导微带滤波器，其特征在于，所述滤波器采用YBCO高温超导薄膜制作。
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