CN102868012A

CN102868012A - 一种高温超导微带谐振器及包含该谐振器的滤波器

Info

Publication number: CN102868012A
Application number: CN2012103297970A
Authority: CN
Inventors: 金世超; 李梁; 郭栋; 苏敏; 高旭东; 张磊; 高蔚
Original assignee: Space Star Technology Co Ltd
Current assignee: Space Star Technology Co Ltd
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: CN102868012B

Abstract

本发明涉及一种高温超导微带谐振器及包含该谐振器的滤波器，其中谐振器为劈裂阶跃结构，由一条镜像对称开环结构的高阻抗线和两条镜像对称的开环结构的低阻抗线嵌套连接构成；高温超导滤波器是由输入微带线、输出微带线和多个劈裂阶跃结构微带谐振器构成。本发明劈裂阶跃阻抗结构谐振器作为一种慢波结构可以有效减小谐振器的尺寸，结构更加紧凑，减弱了相同距离下的相邻耦合强度；同时通过调整高低阻抗线之间的阻抗相对比例，有效控制寄生通带的位置；再者这种滤波器还保持了高温超导滤波器带内插损小、带外抑制好、带边陡峭和通带窄等优点。本发明可用于窄通带、宽阻带以及小型化的高温超导滤波器电路中。

Description

一种高温超导微带谐振器及包含该谐振器的滤波器

技术领域

本发明属于微波工程领域，涉及一种适用于微波通信和探测的劈裂阶跃阻抗结构高温超导微带谐振器以及由其构成的滤波器，是一种微波无源器件。

背景技术

由于低温低电阻特性，高温超导薄膜制作的微波谐振器通常具有很高的无载Q值(＞10000)。而对于一定节数和相对带宽的滤波器，其插损反比于谐振器的无载Q值，因此高温超导滤波器通常具有很低的带内插损。同时，由于可以引入较高的滤波器节数，高温超导滤波器可以具有较高的带边陡峭度和带外抑制。基于这些优势，高温超导滤波器可以广泛应用于微波通信、天文观测和雷达探测等领域。

目前，针对高温超导滤波器的文献与专利主要集中在基频通带的低插损、高带边陡峭度和高带外抑制等方面，而专门针对高温超导滤波器寄生通带的研究尚少。事实上，人们针对常规金属滤波器已经提出多种寄生通带抑制方案，但是往往不适用于超导滤波器。二者区别主要有以下方面：(1)高温超导滤波器的高Q值，使其高频寄生通带并不能像普通金属那样，可以通过自身损耗衰减许多；(2)高温超导滤波器存在接地困难的特点，因为采用的铝酸镧、氧化镁和蓝宝石等介质的高温超导基片接地打孔工艺难于实现，并且1/4波长谐振器只能去除偶数倍频处的寄生通带；(3)常规微带滤波器采用的寄生通带抑制方法，一般采用的谐振器尺寸较大，且只适于节数较低的情况，而超导滤波器受限于薄膜材料的尺寸(最大3英寸)，且一般要求推广到高节数设计；(4)低频情况下，谐振器本身尺寸较大，也增加了设计的困难。

基于以上考虑，人们将阶跃阻抗结构引入到高温超导滤波器的设计中，目前的几种典型阶跃阻抗的设计方案如下：

图1为典型的阶跃阻抗谐振器(stepped impedance resonator，SIR)构成的带通滤波器(Bandpass filter)，请参考D.C.Chung and B.S.Han，“HTS Microstrip Filters using H-Type Resonators”，IEEETRANSACTIONS APPLIED SUPERCONDUCTIVITY，VOL.11，pp.388。每个谐振器的有效电长度为半波长，这种谐振器的磁场主要集中在谐振器中间的高阻抗线上，电场则主要集中在两端的低阻抗线上。这种谐振器的整体线长度较大，且谐振器之间的耦合强度较强，适合制作宽带的滤波器，若制作窄带滤波器，则体积较大。当需要较宽的带外阻带时，为了使第一寄生通带尽量的移向高频，需要比较高的高低阻抗比；但考虑到实际加工工艺精度，高阻抗线通常不宜过细，并且过细也会导致谐振器Q值降低。因此，这种SIR结构的阻抗比的提高会受到限制，其中10为典型阶跃阻抗谐振器构成的平行耦合型滤波器，11为耦合谐振器，12为信号输入微带，13为信号输出微带。

图2是在附图1基础上改进而来的开环阶跃阻抗谐振器(Open-looped Stepped Impedance Resonator，OLSIR)构成的滤波器，请参考S.Jin，B.Wei，X.Zhang，et al，“Design of a novel HTSopen-loop SIR filter with the relocation of its second passband”，Microwae and Optical Technology letters，VOL.11，pp.2097-2101。与普通的SIR相比，这种谐振器整体上进行弯折，尺寸减小。其中，为了降低耦合强度，将分布电流密度较大的高阻抗线向内进行了折叠，而电场较强的低阻抗线围绕在外侧，这样相邻耦合由于电耦合起主要作用可使得谐振器间距减小。但是仍然会遇到高低阻抗比受限的问题，其中20为开环阶跃阻抗谐振器构成的滤波器，21为开环阶跃阻抗谐振器，22为信号输入微带，23为信号输出微带，24为开环阶跃阻抗谐振器的开口，25开环阶跃阻抗谐振器的弯折部分。

附图3是在开环阶跃阻抗谐振器基础上进一步发展的劈裂阶跃阻抗谐振器(Bandpass filter)构成的滤波器，请参考S.Jin，B.Wei，X.Zhang，et al，“A compact narrowband HTS filter with an extended upperstopband”，Microwae and Optical Technology letters，VOL.50，pp.1066-1069。其中31为劈裂阶跃阻抗结构谐振器，32为信号输入微带，33为信号输出微带，34劈裂阶跃阻抗结构谐振器的开口，35为劈裂阶跃阻抗结构谐振器的折叠结构。这种谐振器将SIR两端的低阻抗线劈裂为并联的两段低阻抗线，因此等效阻抗是每段低阻抗线的一半。这种谐振器可以获得比前两种更高的阻抗比，因此可以获得更宽的阻带，然而结构上相对图2中的开环阶跃阻抗谐振器较大，且输入与输出馈线采用直接耦合时搭接空间受限，

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种高温超导微带谐振器，该谐振器为劈裂阶跃阻抗结构，适用于高温超导滤波器的宽阻带、小型化、弱耦合强度的谐振器结构。

本发明的另外一个目的在于提供包括上述劈裂阶跃阻抗结构高温超导微带谐振器的滤波器。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种高温超导微带谐振器，由一条高阻抗线和两条低阻抗线连接构成，高阻抗线采用镜像对称开环结构，两条低阻抗线采用互为镜像的开环结构，且高阻抗线与两条低阻抗线之间采用嵌套结构，即两条低阻抗线从高阻抗线的开口处嵌入高阻抗线的内部。

在上述高温超导微带谐振器中，高阻抗线的两个端口相对，两条低阻抗线各自的两个端口相对。

在上述高温超导微带谐振器中，高阻抗线为矩形对称开环结构或环形对称开环结构。

在上述高温超导微带谐振器中，两条低阻抗线为矩形开环结构或环形开环结构，且两条低阻抗线各自为对称结构或非对称结构。

在上述高温超导微带谐振器中，通过分别调整所述一条高阻抗线和两条低阻抗线的宽度，达到调整谐振器高低阻抗比的目的。

一种滤波器，包括n个权利要求1或2所述的高温超导微带谐振器、输入微带线和输出微带线，所述输入微带线和输出微带线各自与最邻近的高温超导微带谐振器为直接激励关系或耦合激励关系，其中n为正整数，且n≥2。

在上述滤波器中，n个高温超导微带谐振器依次平行排列，各个谐振器的上下位置可以与相邻谐振器平齐，也可以不平齐。

在上述滤波器中，n个高温超导微带谐振器可以为同一方向，也可以为不同方向，可以排列成整体为旋转对称结构，也可以排列成整体为线性对称结构。

在上述滤波器中，滤波器带宽越宽，n个高温超导微带谐振器之的间隙距离越窄。

在上述滤波器中，滤波器采用金属薄膜或高温超导薄膜制作。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明对高温超导微带谐振器结构进行了创新设计，谐振器由一条高阻抗线和两条低阻抗线连接构成，为劈裂阶跃阻抗结构，高阻抗线采用镜像对称开环结构，两条低阻抗线采用互为镜像的开环结构，且高阻抗线与低阻抗线之间采用嵌套结构。该结构设计可以大大缩小谐振器的尺寸，使滤波器结构更加紧凑；由于电流主要集中在高阻抗线的中间部分，即谐振器的底部，使得相邻谐振器之间的磁耦合大幅降低，进而有非常弱的相邻耦合强度，适用于窄带滤波器的设计；

(2)本发明劈裂阶跃阻抗结构谐振器基于SIR谐振器发展而来，通过调整高低阻抗比，可以灵活改变其构成滤波器的寄生通带相对基频通带的偏移，实现寄生通道位置的可调此外还保持了高温超导滤波器带内插损小、带外抑制好、带边陡峭和通带窄等优点；

(3)本发明劈裂阶跃阻抗结构谐振器可以避免高温超导滤波器陶瓷基片的接地工艺困难问题，通过增加高低阻抗线之间的阻抗相对比例，可以相对传统SIR滤波器更有效的提高寄生通带的频段相对位置，特别适用于需要高寄生通带的高温超导滤波器；

(4)本发明劈裂阶跃阻抗结构谐振器构成的滤波器的输入微带线、输出微带线各自与最邻近的劈裂阶跃结构微带谐振器可以为直接激励关系，也可以为耦合激励关系，可以排列成整体为旋转对称结构，也可以排列成整体为线性对称结构，谐振器可以为同一方向，也可以为不同一方向，结构形式灵活多样，可以满足各种不同需求。

附图说明

图1为现有典型的半波长阶跃阻抗谐振器平行耦合型滤波器结构示意图；

图2为现有的开环阶跃阻抗谐振器构成的滤波器结构示意图；

图3为现有的劈裂阶跃阻抗谐振器构成的滤波器结构示意图；

图4为本发明高温超导微带谐振器的结构示意图；

图5为本发明高温超导微带谐振器所构成的输入输出采用直接激励的4阶滤波器结构示意图；

图6为本发明高温超导微带谐振器所构成的输入输出采用耦合激励的4阶滤波器结构示意图；

图7为本发明直接激励型4阶劈裂阶跃阻抗结构滤波器的窄带频率特性曲线；

图8为本发明直接激励型4阶劈裂阶跃阻抗结构滤波器的宽带频率特性曲线；

其中：40为劈裂阶跃阻抗结构谐振器，41为对称开环高阻抗线，42a、42b为互为镜像的开环低阻抗线，43a、43b为开环低阻抗线的两个端口；44a、44b为开环高阻抗线的两个端口；50为直接激励型4阶滤波器，51为信号输入微带，52为信号输出微带，53为相邻谐振器之间的间隙；60为耦合激励型4阶滤波器，61为信号输入微带，62为信号输出微带，63为相邻谐振器之间的间隙。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图4所示为本发明高温超导微带谐振器的结构示意图，由图可知本发明高温超导微带谐振器由一条高阻抗线和两条低阻抗线连接构成，为劈裂阶跃阻抗结构，高阻抗线41采用镜像对称开环结构，两条低阻抗线42a、42b采用互为镜像的开环结构，且高阻抗线41与两条低阻抗线42a、42b之间采用嵌套结构，即两条低阻抗线42a、42b从高阻抗线41的开口处嵌入高阻抗线41的内部，在两条低阻抗线42a、42b之间留有间隙。

高阻抗线41的两个端口44a、44b相对，两条低阻抗线42a、42b各自的两个端口43a、43b位于谐振器的同侧，且两条低阻抗线42a、42b各自的两个端口43a、43b分别相对。

此外高阻抗线41为矩形对称开环结构或环形对称开环结构，图4中给出了矩形对称开环结构的示例。两条低阻抗线42a、42b为矩形开环结构或环形开环结构，且两条低阻抗线42a、42b各自为对称结构或非对称结构，图4中给出了非对称结构的低阻抗线42a、42b。高阻抗线41和两条低阻抗线42a、42b也可以为其它满足要求的开环结构。

本发明滤波器由上述n个劈裂阶跃阻抗结构高温超导微带谐振器40、输入微带线和输出微带线组成，输入微带线和输出微带线各自与最邻近的高温超导微带谐振器为直接激励关系或耦合激励关系，其中n≥2。

滤波器中劈裂阶跃结构微带谐振器40依次平行排列，其谐振器的方式可以上下交替，可以为同一方向，也可以为不同一方向，可以排列成整体为旋转对称结构，也可以排列成整体为线性对称结构。

滤波器中的劈裂型阶跃阻抗结构谐振器40在平行排列时，谐振器的上下位置可以与相邻谐振器平齐，也可以不平齐。

滤波器可用金属薄膜制作，也可以使用高品质因子的高温超导薄膜制作，金属薄膜可以为Au、Ag、Cu、Al，高温超导薄膜可以为YBCO、TBCCO。且滤波器带宽越宽，滤波器中n个高温超导微带谐振器之间的间隙距离越窄。

实施例1

如图5所示为本发明高温超导微带谐振器所构成的输入输出采用直接激励的4阶滤波器结构示意图，滤波器50由输入微带51、输出微带52和四个劈裂阶跃阻抗结构微带谐振器40构成，四个劈裂阶跃阻抗结构微带谐振器40依次平行排列，且为同一方向，排列成整体为线性对称结构。谐振器40之间的间隙53由滤波器带宽确定，间隙53距离与滤波器带宽成反比。输入微带线51和输出微带线52各自与最邻近的高温超导微带谐振器连接，形成直接激励关系。

如图7所示为本发明直接激励型4阶劈裂阶跃阻抗结构滤波器的窄带频率特性曲线，图中71为滤波器的频率响应S11曲线，72为滤波器的频率响应S21曲线，由图可知基频通带相对带宽为2.4％，带内反射损耗优于-19dB。

如图8所示为本发明直接激励型4阶劈裂阶跃阻抗结构滤波器的宽带频率特性曲线，图中81为滤波器的基带频率响应S21曲线，82为滤波器的第一寄生通带频率响应S21曲线，由图可知第一寄生通带位于三倍基频的位置，带外抑制优于60dB。

实施例2

如图6所示为本发明高温超导微带谐振器所构成的输入输出采用耦合激励的4阶滤波器结构示意图，滤波器60由输入微带61、输出微带62和四个劈裂阶跃阻抗结构微带谐振器40构成，四个劈裂阶跃阻抗结构微带谐振器40依次平行排列，且为同一方向，排列成整体为线性对称结构。谐振器40之间的间隙63由滤波器带宽确定，间隙63距离与滤波器带宽成反比。输入微带线61和输出微带线62各自与最邻近的高温超导微带谐振器采用非搭接形式，形成耦合激励关系。

实施例2采用耦合激励设计，其设计结果与实施例1基本相同，主要区别在于实施例2的馈线和第一节谐振器由于具有较弱的耦合强度，主要适用于窄带设计，而实施例1不仅适用于窄带也适用于宽带设计。

本发明谐振器采用劈裂阶跃阻抗结构，由其构成的高温超导滤波器具有紧凑的体积，可调的寄生通带以及较宽的带外阻带，适合使用具有高品质因子的高温超导薄膜制作高温超导滤波器。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims

1.一种高温超导微带谐振器，其特征在于：由一条高阻抗线和两条低阻抗线连接构成，高阻抗线(41)采用镜像对称开环结构，两条低阻抗线(42a、42b)采用互为镜像的开环结构，且高阻抗线(41)与两条低阻抗线(42a、42b)之间采用嵌套结构，即两条低阻抗线(42a、42b)从高阻抗线(41)的开口处嵌入高阻抗线(41)的内部。

2.根据权利要求1所述的一种高温超导微带谐振器，其特征在于：所述高阻抗线(41)的两个端口(44a、44b)相对，两条低阻抗线(42a、42b)各自的两个端口(43a、43b)相对。

3.根据权利要求1或2所述的一种高温超导微带谐振器，其特征在于：所述高阻抗线(41)为矩形对称开环结构或环形对称开环结构。

4.根据权利要求1或2所述的一种高温超导微带谐振器，其特征在于：所述两条低阻抗线(42a、42b)为矩形开环结构或环形开环结构，且两条低阻抗线(42a、42b)各自为对称结构或非对称结构。

5.根据权利要求1或2所述的一种高温超导微带谐振器，其特征在于：通过分别调整所述一条高阻抗线和两条低阻抗线的宽度，达到调整谐振器高低阻抗比的目的。

6.一种滤波器，其特征在于：包括n个权利要求1或2所述的高温超导微带谐振器、输入微带线和输出微带线，所述输入微带线和输出微带线各自与最邻近的高温超导微带谐振器为直接激励关系或耦合激励关系，其中n为正整数，且n≥2。

7.根据权利要求6所述的一种滤波器，其特征在于：所述n个高温超导微带谐振器依次平行排列，各个谐振器的上下位置可以与相邻谐振器平齐，也可以不平齐。

8.根据权利要求6所述的一种滤波器，其特征在于：所述n个高温超导微带谐振器可以为同一方向，也可以为不同方向，可以排列成整体为旋转对称结构，也可以排列成整体为线性对称结构。

9.根据权利要求6所述的一种滤波器，其特征在于：所述滤波器带宽越宽，n个高温超导微带谐振器之间的间隙距离越窄。

10.根据权利要求6所述的一种滤波器，其特征在于：所述滤波器采用金属薄膜或高温超导薄膜制作。