CN111755786B

CN111755786B - 准集总元件极宽带带通滤波器及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN111755786B
Application number: CN202010637141.XA
Authority: CN
Inventors: 代金豪; 吴云; 袁跃峰; 王佳; 王旭; 李国强; 李春光; 张雪强; 孙亮; 何豫生
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2021-12-28
Anticipated expiration: 2040-07-03
Also published as: CN111755786A

Abstract

本发明提供了一种准集总元件极宽带带通滤波器，所述准集总元件极宽带带通滤波器由三层结构的超导薄膜制成，超导薄膜的底层为接地超导层，中层为电介质，顶层超导层刻有微带电路；还提供了其制备方法和应用。本发明通过将微带低通电路中部分片状电容替换为插指电容，在不增加元件个数的情况下将低通电路变换为带通电路，并通过改变插指电容或折线电感和片状电容的参数可以达到独立调控滤波器的低频或高频的截止频率的效果，该滤波器具有极低的插入损耗，极高的带外抑制和极宽的带宽。

Description

准集总元件极宽带带通滤波器及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于射频或微波工程技术滤波器领域，涉及一种准集总元件极宽带带通滤波器，及其制备方法和应用。

背景技术

通信系统中，滤波器的性能直接影响整个系统的性能，因此在极端环境或特殊场景中，高性能滤波器有着极大的优势。另一方面，极宽带技术具有高速率、低功耗、抗干扰能力强等优势，因此高性能的极宽带带通滤波器广泛应用于通讯、雷达、制导、电子对抗、射电天文等领域，是很多通信系统中必不可少的重要部件。

现有技术中，极宽带带通滤波器的设计方法通常是利用耦合谐振电路或者多模谐振器来实现的。

采用耦合谐振电路的方法设计宽带滤波器会面临以下问题：宽带滤波器设计不满足窄带近似，由模型计算得到的电参数与实际偏差较大。其次，相邻谐振器之间难以产生足够强的耦合，且谐振器的间距越小，所产生相互影响越大，还会导致谐振器的中心频率偏移。此外，每个谐振器的谐振倍频对滤波器带外性能有影响，且滤波器的带宽越宽，该影响越剧烈。

采用多模谐振器设计宽带滤波器会面临以下问题：缺少具体设计参数，只通过电磁仿真确定每个模式的谐振频率，而且还需要引入极强的外部耦合来减小插入损耗。滤波器整体的品质因数低，带边陡度差，带外抑制差。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决现有技术无法高效地制作高性能的极宽带滤波器问题，提出一种基于低通原型和准集总元件的高性能极宽带带通滤波器的制作方法。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种准集总元件极宽带带通滤波器，所述准集总元件极宽带带通滤波器由三层结构的超导薄膜制成，超导薄膜的底层为接地超导层，中层为电介质，顶层超导层刻有微带电路；

其中，所述顶层超导层微带电路为由准集总的折线电感、片状电容、插指电容和输入输出馈线按照低通滤波电路结构连接再经过变换而成的微带滤波器。

根据本发明第一方面的准集总元件极宽带带通滤波器，其中，所述低通滤波电路的结构为：串联电感与并联电容交替排列形成的可以阻隔高频信号通过的滤波电路；

优选地，所述低通滤波电路的阶数为2阶～99阶。

根据本发明第一方面的准集总元件极宽带带通滤波器，其中，所述变换为集总电路变换和微带电路变换。

根据本发明第一方面的准集总元件极宽带带通滤波器，其中，所述集总电路变换为：先将高通电容插入低通滤波电路，再将电路中的T型电容网络等效替换为π型电容网络；

优选地，在所述变换中，插入高通电容能向低通滤波电路中引入一个低频截止频率从而将低通电路变换为带通电路。

根据本发明第一方面的准集总元件极宽带带通滤波器，其中，所述微带电路变换为：将微带低通电路中部分片状电容替换为插指电容，从而在不增加元件个数的情况下将微带低通电路转变为带通电路。

本发明的第二方面提供了第一方面所述的准集总元件极宽带带通滤波器的制备方法，所述微带滤波器的制备方法包括以下步骤：

先利用低通滤波电路的结构连接折线电感和片状电容，构成微带低通滤波器，再将部分片状电容替换为插指电容，构成微带带通滤波器。

根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述的准集总的折线电感和片状电容的电参数利用低通滤波电路和传输函数计算得到；和/或

所述的准集总的插指电容的电参数由公式

和要求的截止频率计算得到；

优选地，所述用于计算准集总元件电参数的传输函数选自以下一种或多种：切比雪夫函数、巴特沃兹函数、椭圆函数、准椭圆函数。

根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述微带滤波器通过图形转移技术在微波电路板或高温超导薄膜材料上制造出所述微带线、折线电感、片状电容和/或插指电容；

优选地，所述高温超导薄膜材料选自以下一种或多种：钇钡铜氧、镝钡铜氧、汞钡铜氧、铊钡钙铜氧；

更优选地，所述高温超导薄膜材料生长于衬底上，所述的高温超导薄膜材料的衬底选自以下一种或多种：氧化镁、氧化铝、铝酸镧。

根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述折线电感的线宽和缝宽为1μm～10mm和/或所述折线电感的弯折数量为0个～99个；

所述片状电容的长度和宽度为1mm～50mm；和/或

所述插指电容的线宽和缝宽为1μm～10mm和/或所述插指电容的插指数量为2个～99个。

本发明的第三方面提供了一种通信系统，所述通信系统包括如第一方面所述的准集总元件极宽带带通滤波器或按照第二方面所述的制备方法而制得的准集总元件极宽带带通滤波器。

本发明属于射频或微波工程技术领域，涉及一种准集总元件极宽带带通滤波器的制作方法。其由三层结构的超导薄膜制成，超导薄膜的底层为接地超导层，中层为电介质，顶层超导层刻有微带电路。顶层微带电路由微带准集总元件按照集总电路的结构连接而成，其中微带准集总元件包括：折线电感、片状电容和插指电容，其中集总电路结构为插入了串联电容的切比雪夫低通原型电路。微带电路具体结构为插指电容和片状电容交替排列，并在每两个电容之间串联一个折线电感，在电路的两端串联两个折线电感后以微带线与输入输出馈线相连而构成。本发明中的微带电路通过改变插指电容或折线电感和片状电容的参数可以达到独立调控滤波器的低频或高频的截止频率的效果，该滤波器具有极低的插入损耗，极高的带外抑制和极宽的带宽。

本发明的技术方案为：

一，低通滤波器原型的设计

已知极宽带带通滤波器低频高频截止频率，根据高频截止频率，计算低通元件的电参数，将对应的微带准集总低通元件插入电路形成低通滤波器版图。

二，高通滤波器元件对低通滤波器元件的替换

根据极宽带带通滤波器的低频截止频率，计算高通元件的电参数，用对应的微带准集总高通元件替换低通滤波器中的对应元件，形成极宽带带通滤波器版图。

三，滤波器的材料

本发明的滤波器利用高温超导薄膜材料以及微带线结构，低温下微波表面电阻比常规金属小几个数量级，电路品质因数远高于常规材料制作的滤波器。

本发明的滤波器可以具有但不限于以下有益效果：

(1)滤波器低频的截止频率由高通元件决定，高频的截止频率由低通电路决定，通带的低频高频带边独立调控。

(2)设计极宽带滤波器时，不会因强耦合导致的谐振器间存在强烈的相互影响，也不会造成电流密度过大导致滤波器损坏。

(3)集总电路经过电路变换简化结构，利用微带准集总元件，可在不增加元件个数的情况下完成串联电容的插入。

(4)本发明的设计采用集总电路结构，而非耦合谐振电路，不需考虑窄带近似；

(5)元件之间以微带线直接相连，而非元件之间的相互耦合，能保证足够大的间距以减小元件之间相互影响；

(6)对于任意要求频段，利用公式计算和电路仿真可确定每个元件的具体参数，从而简化、精确化设计流程；

(7)易于设计高阶滤波器，不需要引入极强的外部耦合就能获得微小的插入损耗，同时获得高带边陡度和高带外抑制。

(8)易于向电路中添加陷波结构，从而抑制通带内可能出现的某个强干扰信号，或在不改变通带性能的情况下进一步优化带外性能。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1示出了几种常见的微带准集总元件示意图及其等效电路。其中图1(a)为折线电感，图1(b)为片状电容，图1(c)为插指电容。

图2示出了本发明采用的低通滤波器原型电路示意图。

图3示出了本发明中的低通滤波器版图。

图4示出了本发明带通滤波器电路示意图，其中图4(a)为插入串联电容后的带通滤波器电路示意图，图4(b)为经过等效变换的带通滤波器电路示意图。

图5示出了本发明中的极宽带带通滤波器版图。

图6示出了本发明中的极宽带带通滤波器制作方法流程图。

图7示出了本发明中的极宽带带通滤波器频率响应特性曲线示意图。

图8示出了本发明中高通元件对低通电路影响的示意图。

附图标记说明：

1、输入端口；2、输出端口；3、折线电感3；4、折线电感4；5、插指电容5；6、插指电容6；7、折线电感7；8、折线电感8；9、片状电容9；10、片状电容10；11、折线电感11；12、折线电感12；13、插指电容13；14、插指电容14；15、折线电感15；16、折线电感16；17、片状电容17；18、片状电容18；19、折线电感19；20、折线电感20；21、插指电容21；22、插指电容22；23、折线电感23；24、折线电感24；25、片状电容25。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

实施例1

本实施例用于说明本发明的准集总元件极宽带带通滤波器的制备方法。

如图1所示是本发明采用的准集总元件示意图，其中图1(a)为折线电感，图1(b)为片状电容，图1(c)为插指电容。折线电感代表串联电感，片状电容代表并联电容，插指电容代表串并联电容。

如图2所示是本发明采用的低通滤波器原型电路示意图，由串联电感和并联电容交替连接而成，并联电容的一端与地相连。

如图3所示是将图1(a)(b)元件按照图2组装而成的微带电路示意图。

如图4所示是本发明采用的带通滤波器原型电路(a)和等效变换后的电路(b)示意图。

如图5所示是将图3中部分片状电容(图1(b))替换为插指电容(图1(c))后的带通滤波器版图。图5中1、2分别对应于图4(b)中输入端口和输出端口；图5中折线电感3、4、7、8、11、12、15、16、19、20、23、24分别对应于图4(b)中串联电感L1、L12、L2、L11、L3、L10、L4、L9、L5、L8、L6、L7；图5中片状电容9、10、17、18、25分别对应于图4(b)中并联电容C2、C10、C4、C8、C6；图5中插指电容5、6、13、14、21、22分别对应于图4(b)中电容π型网络C12'、C1'、C13'，C23'、C11'、C22'，C14'、C3'、C15'，C21'、C9'、C20'，C16'、C5'、C17'，C19'、C7'、C18'。

如图6所示是本发明中极宽带带通滤波器制作方法流程图。

步骤601，确定微波电路的结构。本例采用如图2所示的低通原型电路结构且滤波器阶数为23。

步骤602，按照步骤1得到的电路结构连接微带准集总元件。本例中从图1中选取对应的准集总元件，按照图2结构连接成微带电路如图3，得到微带低通滤波器。

步骤603，将部分片状电容替换为插指电容。本例中通过修改图3结构从而得到如图5的结构，通过电磁仿真优化，得到极宽带带通滤波器。

本实施例中，所述微带滤波器通过图形转移技术在镝钡铜氧/氧化镁/镝钡铜氧超导薄膜上制造出所述微带线、折线电感、片状电容和/或插指电容。

如图7所示是本发明中极宽带带通滤波器测试得到频率响应特性曲线示意图，测试曲线反映出滤波器的通带范围为0.8GHz～2.7GHz，相对带宽108％，带内插入损耗小于0.29dB，反射损耗大于14dB，通带左右两侧带外抑制为60dB/70dB。测试结果反映出该滤波器具有极低的插入损耗，极高的带外抑制和极宽的带宽。

如图8所示是本发明中高通元件对低通电路影响的示意图，图中曲线表明，仅通过改变三对插指电容的电参数可以让滤波器的低频截止频率由0GHz上升到1.2GHz，高频的截止频率仅由2.7GHz上升到2.9GHz，高通元件对低通电路的影响很小。因此在电路设计中，先由低通元件(折线电感和片状电容)确定低通电路，再由高通元件(插指电容)确定高通频率，最后通过改变插指电容或折线电感和片状电容的参数即可独立调控滤波器的低频或高频的截止频率。

利用上述设计步骤设计的极宽带带通滤波器的中心频率可以在30MHz～100GHz之间，相对带宽可以在5％到200％之间。

本发明提出了一种新的极宽带带通滤波器以及其制作方法，应用于射频或微波工程技术滤波器领域，尤其适用于极宽带高性能滤波器的设计与制作。本发明中的带通滤波器左右带边可以独立设计，不依赖于窄带近似和强耦合，从而减少了元件之间的相互影响。另外，高阶的电路原型确保了滤波器优异的带外性能。

本发明滤波器的设计中，对于任意要求频段，利用公式计算和电路仿真可以确定每个元件的具体参数，从而简化、精确设计流程。滤波电路中各元件分为低通元件和高通元件，低通元件包括图1中(a)折线电感(串联电感)和(b)片状电容(并联电容)，高通元件为图1中(c)插指电容(串并联电容)，对于任意要求频段，将高频的截止频率带入切比雪夫低通原型电路中即可计算出所有低通元件(串联电感、并联电容)的电参数，而将低频的截止频率带入公式

即可计算出所有高通元件(串并联电容)的电参数，再利用电路仿真优化滤波电路，最后使用电磁仿真可完成滤波器版图的设计。

尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims

1.一种准集总元件极宽带带通滤波器，其特征在于，所述准集总元件极宽带带通滤波器由三层结构的超导薄膜制成，超导薄膜的底层为接地超导层，中层为电介质，顶层超导层刻有微带电路；

其中，所述顶层超导层微带电路为由准集总的折线电感、片状电容、插指电容和输入输出馈线按照低通滤波电路结构连接再经过变换而成的微带滤波器；并且，

所述微带电路变换为：将微带低通电路中部分片状电容替换为插指电容，从而在不增加元件个数的情况下将微带低通电路转变为带通电路。

2.根据权利要求1所述的准集总元件极宽带带通滤波器，其特征在于，所述低通滤波电路的结构为：串联电感与并联电容交替排列形成的可以阻隔高频信号通过的滤波电路。

3.根据权利要求2所述的准集总元件极宽带带通滤波器，其特征在于，所述低通滤波电路的阶数为2阶～99阶。

4.根据权利要求1所述的准集总元件极宽带带通滤波器，其特征在于，所述变换为集总电路变换和微带电路变换。

5.根据权利要求4所述的准集总元件极宽带带通滤波器，其特征在于，所述集总电路变换为：先将高通电容插入低通滤波电路，再将电路中的T型电容网络等效替换为π型电容网络。

6.根据权利要求5所述的准集总元件极宽带带通滤波器，其特征在于，在所述变换中，插入高通电容能向低通滤波电路中引入一个低频截止频率从而将低通电路变换为带通电路。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的准集总元件极宽带带通滤波器的制备方法，其特征在于，所述微带滤波器的制备方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述的准集总的折线电感和片状电容的电参数利用低通滤波电路和传输函数计算得到；和/或

所述的准集总的插指电容的电参数由公式

和要求的截止频率计算得到。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述用于计算准集总元件电参数的传输函数选自以下一种或多种：切比雪夫函数、巴特沃兹函数、椭圆函数、准椭圆函数。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述微带滤波器通过图形转移技术在高温超导薄膜材料上制造出所述微带电路、折线电感、片状电容和/或插指电容。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述高温超导薄膜材料选自以下一种或多种：钇钡铜氧、镝钡铜氧、汞钡铜氧、铊钡钙铜氧。

12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述高温超导薄膜材料生长于衬底上，所述的高温超导薄膜材料的衬底选自以下一种或多种：氧化镁、氧化铝、铝酸镧。

13.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述折线电感的线宽和缝宽为1μm～10mm和/或所述折线电感的弯折数量为0个～99个；

所述片状电容的长度和宽度为1mm～50mm；和/或

所述插指电容的线宽和缝宽为1μm～10μm和/或所述插指电容的插指数量为2个～99个。

14.一种通信系统，其特征在于，所述通信系统包括如权利要求1至6中任一项所述的准集总元件极宽带带通滤波器或按照权利要求7至13中任一项所述的制备方法而制得的准集总元件极宽带带通滤波器。