一种三模高温超导滤波器的制作方法

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种三模高温超导滤波器。


背景技术：

2.近年来，随着现代无线系统的迅猛发展，频谱资源日益紧张，高性能、高集成化电路的需求日益增强。滤波器是通信射频前端的重要器件，它的特性直接决定了整个通信系统性能的优劣。
3.为了实现具有高选择性、带宽可控的滤波性能，传统的方法是通过级联多个uir谐振器来实现。这种实现方式需要引入多个谐振器，所需要的电路面积较大，插入损耗大。为了在满足高性能的基础上适应小型化电路的发展趋势，许多学者做了大量研究，并取得了重要成果，其中一种行之有效的方式是采用多模谐振器。目前，实现多模谐振器的方式主要有开路枝节加载、短路枝节加载、微扰分离简并模等。但是由于高次谐波的存在，滤波器阻带性能通常比较差，同时具有低插损、高品质因数、宽阻带特性的滤波器设计仍然有具大的挑战。
4.高温超导技术是在近几年快速发展起来的一项高科技技术，相比常规器件，高温超导器件拥有更低的损耗和更好的性能，采用高温超导薄膜制成的滤波器具有极低的通带损耗和极高的邻频干扰抑制能力，因此在射频、微波通信领域具有非常广阔的应用前景，并且在移动通信领域已经实现小批量规模应用。相比传统滤波器，高温超导滤波器的高温超导薄膜和基片都具其特有的电磁特性，同时，目前高温超导制作费用还比较昂贵，因此开展高性能小型化的多模滤波器研究不仅具有科研价值还具有广阔的商业价值。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种三模高温超导滤波器，有低损耗，宽阻带，结构小，设计灵活等特点，适合使用具有高品质因数的高温超导薄膜制作。
6.为了解决上述问题，本发明提出了一种三模高温超导滤波器，所述三模高温超导滤波器包括：介质基板和位于所述介质基板上的高温超导薄膜层，所述高温超导薄膜层在所述介质基板上形成有滤波器电路，所述滤波器电路包括：第一微带结构、第二微带结构、第三微带结构和50ω馈线，其中：
7.所述第一微带结构为交指耦合结构，所述第二微带结构为阶跃阻抗结构，所述第三微带结构为具有三模带通特性的传输耦合线结构；
8.所述第一微带结构的外侧对称分布有所述50ω馈线，所述第一微带结构内侧分布有第二微带结构和第三微带结构；
9.所述第一微带结构的交指耦合区域末端设置有第二微带结构，所述第二微带结构连接在所述第一微带结构的交指耦合线上；
10.所述第三微带结构与所述第一微带结构间具有啮合结构关系，且所述第三微带结
构与所述第一微带结构间具有间隙，所述第三微带结构与所述第二微带结构间具有间隙。
11.所述第一微带结构包括对称分布于所述介质基板上的第一交指耦合线和第二交指耦合线，其中：
12.所述第一交指耦合线包括第一外侧微带线、第一连接微带线和第一内侧微带线，所述第一外侧微带线、第一连接微带线和第一内侧微带线连接形成u形结构，所述第一外侧微带线长度大于所述第一内侧微带线；
13.所述第二交指耦合线包括第二外侧微带线、第二连接微带线和第二内侧微带线，所述第二外侧微带线、第二连接微带线和第二内侧微带线连接形成u形结构，所述第二外侧微带线长度大于所述第二内侧微带线；
14.所述第一外侧微带线、所述第一内侧微带线、所述第二外侧微带线和所述第二内侧微带线之间相互平行；
15.所述第一内侧微带线的垂直方向延伸有一个以上的第一交指枝节，所述第二内侧微带线的垂直方向延伸有一个以上的第二交指枝节，所述第一交指枝节与所述第二交指枝节间交叉分布并相互平行；
16.所述第一交指枝节与所述第二内侧微带线之间具有间隙，所述第二交指枝节与所述第一内侧微带线之间具有间隙。
17.所述50ω馈线包括第一馈线和第二馈线，所述第一馈线和第二馈线对称分布于所述第一微带结构的两侧，所述第一馈线垂直连接在所述第一外侧微带线上，所述第二馈线垂直连接在所述第二外侧微带线上。
18.所述第二微带结构包括第一阶跃阻抗模块和第二阶跃阻抗模块，所述第一阶跃阻抗模块和第二阶跃阻抗模块对称分布在所述第一微带结构的交指耦合区域末端；
19.所述第一阶跃阻抗模块包括第一高阻抗结构和第一低阻抗结构，所述第一高阻抗结构的一端连接着所述第一内侧微带线，所述第一高阻抗结构的另一端连接着所述第一低阻抗结构；
20.所述第二阶跃阻抗模块包括第二高阻抗结构和第二低阻抗结构，所述第二高阻抗结构的一端连接着所述第二内侧微带线，所述第二高阻抗结构的另一端连接着所述第二低阻抗结构。
21.所述第一内侧微带线与所述第一高阻抗结构的连接处截面尺寸相同。
22.所述第二内侧微带线与所述第二高阻抗结构的连接处截面尺寸相同。
23.所述第三微带结构包括：第一模微带线、第二模微带线和第三模微带线，其中：
24.所述第一模微带线为u形结构，并位于所述第一外侧微带线和所述第二外侧微带线之间；
25.所述第二模微带线为u形结构，所述第二模微带线位于所述第一模微带线的u形结构内，且所述第一微带结构的交指耦合区域和所述第三微带结构位于所述第二模微带线的u形结构内；
26.所述第三模微带线为直线形结构，所述第三模微带线一端垂直连接在所述第一模微带线的u形结构底部，所述第三模微带线的另一端垂直连接在所述第二模微带线的u形结构底部。
27.所述第三模微带结构将所述第一模微带线分割成对称两部分。
28.所述第三模微带结构将所述第二模微带线分割成对称两部分。
29.所述高温超导薄膜层材质为钇钡铜氧或者铋锶钙铜氧。
30.本发明实施例基于传输耦合线的三模高温超导滤波器，其性能符符2.5ghz无线技术标准设计要求，具有明显的工程实用价值；本发明通过改进传输耦合线结构形成了三模特性，有效减少了滤波器的物理尺寸，同时通过同向折叠小型化技术，进一步提高了滤波器的集成度；在滤波器设计中，将两个奇模频率分布在偶模频率两边，通过调节l1，l2可以分别调整通带的上下边带位置，通带宽度和位置具有灵活可控的特点；通过sir交指结构，可以产生4个传输零点，使滤波器在具有高选择性的同时具有良好的阻带特性；通过sir交指结构l4、w3可单独调节传输零点tz4的位置，可极有效地提高滤波器的宽阻带特性。除此之外，本发明结构紧凑，体积小，设计灵活，易于集成，电路加工方便；适合使用具有高品质因数的高温超导薄膜制作。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
32.图1是本发明实施例中的三模高温超导滤波器的结构示意图；
33.图2是本发明实施例中的三模高温超导滤波器电路的结构示意图；
34.图3是本发明实施例中的三模高温超导滤波器电路的另一结构示意图；
35.图4是本发明实施例中的三模高温超导滤波器的具体尺寸结构示意图；
36.图5是本发明实施例中的三模高温超导滤波器s参数响应示意图；
37.图6是本发明实施例中的基于调节第二微带结构改变传输零点的s参数响应示意图。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
39.图1示出了本发明实施例中的三模高温超导滤波器的结构示意图，所述三模高温超导滤波器包括：介质基板1和位于所述介质基板1上的高温超导薄膜层，所述高温超导薄膜层在所述介质基板上形成有滤波器电路，所述滤波器电路包括：第一微带结构3、第二微带结构4、第三微带结构5和50ω馈线2，其中：所述第一微带结构3为交指耦合结构，所述第二微带结构4为阶跃阻抗结构，所述第三微带结构5为具有三模带通特性的传输耦合线结构；所述第一微带结构3的外侧对称分布有所述50ω馈线2，所述第一微带结构3内侧分布有第二微带结构4和第三微带结构5；所述第一微带结构3的交指耦合区域末端设置有第二微带结构4，所述第二微带结构4连接在所述第一微带结构3的交指耦合线上；所述第三微带结构5与所述第一微带结构3间具有啮合结构关系，且所述第三微带结构5与所述第一微带结
构3间具有间隙，所述第三微带结构5与所述第二微带结构4间具有间隙。
40.需要说明的是，这里基于高温超导薄膜层生成滤波器电路，滤波器电路上的第一微带结构3、第二微带结构4和50ω馈线2之间存在物理连接关系。通过第一微带结构3和第二微带结构4共同组成交指阶跃阻抗耦合结构的功能，从而多提供一条传输耦合路径，产生多个传输零点，提高阻带特性；同时，通过设计第一微带结构3上的交指结构的数量、长度以及间距，可以优化通带的品质因数q值；第二微带结构4的功能是微调通带特性，控制第四个传输零点位置，进而控制阻带特性。第三微带结构5为谐振器，实质具有三模带通特性的改进型传输耦合线结构，其通过调节三个模上的位置和长度关系，实现滤波器带宽可控的效果。
41.需要说明的是，所述高温超导薄膜层材质可以是钇钡铜氧(ybco)或者铋锶钙铜氧(bscco)。高温超导薄膜一般是指临界温度在绝对温度77k以上，电阻接近零的超导材料，通常可以在液氮(77k)制冷环境中使用，主要分为两种：钇钡铜氧(ybco)和铋锶钙铜氧(bscco)。相比于常规薄膜材料(如铜)，在超导状态时，高温超导薄膜具有零电阻，反磁性和量子隧道效应。
42.具体的，图2示出了本发明实施例中的三模高温超导滤波器电路的结构示意图，第一微带结构3包括对称分布于所述介质基板上的第一交指耦合线31和第二交指耦合线32，其中：
43.所述第一交指耦合线31包括第一外侧微带线311、第一连接微带线312和第一内侧微带线313，所述第一外侧微带线311、第一连接微带线312和第一内侧微带线313连接形成u形结构，所述第一外侧微带线311长度大于所述第一内侧微带线313；
44.所述第二交指耦合线包括第二外侧微带线321、第二连接微带线322和第二内侧微带线323，所述第二外侧微带线321、第二连接微带线322和第二内侧微带线323连接形成u形结构，所述第二外侧微带线321长度大于所述第二内侧微带线323；
45.所述第一外侧微带线311、第一内侧微带线313、第二内侧微带线323和第二外侧微带线321之间相互平行；第一连接微带线312和第二连接微带线322之间相互平行；第一连接微带线312一端垂直连接着第一外侧微带线311，另一端垂直连接着第一内侧微带线313；第二连接微带线322一端垂直连接着第二外侧微带线321，另一端垂直连接着第二内侧微带线323。第一外侧微带线311的长度和宽度与第二外侧微带线321的长度和宽度相同；第一内侧微带线313的长度和宽度与第二内侧微带线323的长度和宽度相同；第一连接微带线312的长度和宽度与第二连接微带线322的长度和宽度相同。
46.所述第一内侧微带线313的垂直方向延伸有一个以上的第一交指枝节(即第一交指枝节314和第一交指枝节315)，所述第二内侧微带线323的垂直方向延伸有一个以上的第二交指枝节(即第二交指枝节324和第二交指枝节325)，所述第一交指枝节与所述第二交指枝节间交叉分布并相互平行，即第一交指枝节314、第二交指枝节324、第一交指枝节315和第二交指枝节325交叉成型于交指耦合结构的一部分。
47.需要说明的是，第一交指枝节314与所述第二内侧微带线323之间具有间隙，第一交指枝节315与所述第二内侧微带线323之间具有间隙，第一交指枝节与第二内侧微带线323之间的间隙相同；第二交指枝节324与所述第一内侧微带线313之间具有间隙，第二交指枝节325与所述第一内侧微带线313之间具有间隙，第二交指枝节与第一内侧微带线323之
间的间隙相同。第一交指枝节314、第一交指枝节315、第二交指枝节324、第二交指枝节325之间相互平行，且具有相同尺度(即超导薄膜的长度、宽度、厚度等相同)；第一交指枝节314与第二交指枝节424所具有的间隙和第二交指枝节324与第一交指枝节415所具有的间隙相同，第二交指枝节324与第一交指枝节415所具有的间隙与第一交指枝节315与第二交指枝节所具有的间隙相同，各个交指枝节所具有的间隙为g1。
48.需要说明的是，这里的第一内侧微带线313、所述第二内侧微带线323、第一交指枝节314、第二交指枝节324、第一交指枝节315和第二交指枝节325形成交指耦合区域。
49.具体的，该50ω馈线2包括第一馈线21和第二馈线22，所述第一馈线21和第二馈线22对称分布于所述第一微带结构3的两侧，所述第一馈线21垂直连接在所述第一外侧微带线311上，所述第二馈线22垂直连接在所述第二外侧微带线321上。第一馈线21和第二馈线22的具有相同尺度(即超导薄膜的长度、宽度、厚度等相同)。50ω馈线是指50ω是这个馈线的阻阬值大小，是一种标准值。
50.具体的，图3示出了本发明实施例中的三模高温超导滤波器电路的另一结构示意图，所述第二微带结构4包括第一阶跃阻抗模块41和第二阶跃阻抗模块42，所述第一阶跃阻抗模块41和第二阶跃阻抗模块42对称分布在所述第一微带结构3的交指耦合区域末端。
51.该第一阶跃阻抗模块41包括第一高阻抗结构411和第一低阻抗结构412，所述第一高阻抗结构411的一端连接着所述第一内侧微带线313，所述第一高阻抗结构411的另一端连接着所述第一低阻抗结构412；所述第二阶跃阻抗模块42包括第二高阻抗结构421和第二低阻抗结构422，所述第二高阻抗结构421的一端连接着所述第二内侧微带线323，所述第二高阻抗结构421的另一端连接着所述第二低阻抗结构422。每个阶跃阻抗模块基于超导薄膜所成型的结构包括细的部分和粗的部分，细的部分可以称为高阻抗结构，粗的部分叫低阻抗结构；超导薄膜越细则代表阻抗越高。
52.需要说明的是，第一内侧微带线313与所述第一高阻抗结构411的连接处截面尺寸相同；所述第二内侧微带线323与所述第二高阻抗结构421的连接处截面尺寸相同；第一低阻抗结构412和第二低阻抗结构422的尺寸大小相同，即具有相同的长度、宽度和厚度等。
53.该第三微带结构5包括：第一模微带线51、第二模微带线53和第三模微带线52，其中：所述第一模微带线51为u形结构，并位于所述第一外侧微带线311和所述第二外侧微带线321之间；所述第二模微带线53为u形结构，所述第二模微带线53位于所述第一模微带线51的u形结构内，且所述第一微带结构3的交指耦合区域和所述第三微带结构4位于所述第二模微带线53的u形结构内；所述第三模微带线52为直线形结构，所述第三模微带线52一端垂直连接在所述第一模微带线51的u形结构底部，所述第三模微带线52的另一端垂直连接在所述第二模微带线53的u形结构底部。这里所述第三模微带结构52将所述第一模微带线51分割成对称两部分；所述第三模微带结构将所述第二微模带线53分割成对称两部分。
54.具体的，该第一模微带线51包括：第一模第一子微带线511、第一模第二子微带线512和第一模第三子微带线512，其中：第一模第一子微带线511、第一模第二子微带线512和第一模第三子微带线513连接形成u形结构，第一模第一子微带线511垂直连接在第一模第二子微带线512一端，第一模第三子微带线513垂直连接在第一模第二子微带线512另一端；第一模第二子微带线512中部垂直连接着第三模微带线52；第一模第一子微带线511、第一模第三子微带线513和第三模微带线52相互平行。
55.具体的，该第二模微带线53包括：第三模第一子微带线531、第三模第二子微带线532和第三模第三子微带线533，其中：第三模第一子微带线531、第三模第二子微带线532和第三模第三子微带线533连接形成u形结构，第三模第一子微带线531垂直连接在第三模第二子微带线532一端，第三模第三子微带线533垂直连接在第三模第二子微带线532另一端；第三模第二子微带线532中部垂直连接着第三模微带线52；第三模第一子微带线531、第三模第三子微带线533和第三模微带线52相互平行。
56.具体的，图4示出了本发明实施例中的三模高温超导滤波器的具体尺寸结构示意图，各个交指枝节所具有的臂长为l5、各个交指枝节所具有的间隙为g1、低阻抗结构所具有的宽度为w3、低阻抗结构所具有的长度为l4、第一模微带线51所具有的单边臂长为l2、第二模微带线53所具有的单边臂长为l1、第三模微带线52所具有的臂长为l3、第三模微带线52所具有的宽度为w1、第一模微带线51的子微带线宽度为w2。w(w1，w2)表示高温超导微带线的宽度，其取值大小与介质基板厚度h需满足以下表达式：0.05<＝w/h<＝20，在本发明实施例中这里设置w1的大小是w2的2倍。
57.基于图1至图4所示结构，图5是本发明实施例中的三模高温超导滤波器s参数响应示意图，该三模高温超导滤波器可以具有4个传输零点，传输零点(tz2，tz3)是在通带两边，主要作用是提高通带选择性，提高品质因数q值。传输零点(tz1，tz4)离通带很远了，可以说已经在阻带位置，根据“传输零点理论指的是滤波器传输函数等于零，即在这一频点上能量不能通过网络，因而起到完全隔离作用。”所以说引入输零点(tz1，tz4)可以提高阻带特性。第一微带结构3和第二微带结构4共同组成交指阶跃阻抗耦合结构的功能是多提供一条传输耦合路径，产生多个传输零点，提高阻带特性；同时，通过设计交指枝节的数量、l5的长度以及间距g1，可以优化通带的品质因数q值。通过试验发现，通过这几个变量(数量、长度l5、间距g1)的调整组合，可以用来在保证一定的耦合强度条下件，优化得到比较好的品质因数q值。具体的，交指数量越多(交指枝节的数量越多)，耦合越强；交指长度越长(l5越长)，耦合越强；交指间距(g1)越小，耦合越强。
58.第二微带结构4的功能是微调通带特性，控制第四个传输零点位置，进而控制阻带特性，4个传输零点(tz1，tz2，tz3，tz4)已在图5所示的s参数特性图中标识出，通过控制l5、g1等参数可以控制传输零点tz2，tz3的位置使通带具有高选择性；通过调节l4、w3可以调节传输零点tz4的位置，使滤波器有良好的阻带特性。设置传输零点的好处：提高通带选择性(也即提高q值)，提高阻带特性。第四个传输零点主要作用是提高阻带特性。
59.主要是通过控制调节第二微带结构4上的阶跃阻抗的阻抗比或电长度比来控制转输零点位置，具体图6示出了基于调节第二微带结构改变传输零点的s参数响应示意图，通过调节第二微带结构4的参数控制第四个传输零点位置，进而控制阻带特性，具体表现为：调节第二微带结构4的阻抗比，当阻抗比变小时，传输零点4远离通带位置，当阻抗比变大时，传输零点4靠近通带，传输零点4与通带距离大小与阻抗比大小呈反相关关系。
60.第三微带结构5为改进型传输耦合线结构，是谐振器，实现三模带通特性，三个模的位置主要分别可以通过调计l1，l2，l3的长度来设置，从而可以实现滤波器带宽可控的效果。本发明实施例中的三模滤波器，“三模”也可以理解成3个谐振频率(f1，f2，f3)，通过设置3个谐振频率的位置间隔便可以实现带宽控制，三个频率与长度间的关系如下：
[0061][0062]
具体应用时，基于本发明实施例中的三模高温超导滤波器，可以设计一种具体尺寸如下的三模高温超导滤波器：介质基板的介电常数为9.78，厚度为0.5mm；l1＝10.95mm，l2＝11.3mm，l3＝1.15mm，l4＝1.6mm，l5＝3mm，w1＝0.8mm，w2＝0.4mm，w3＝1.9mm。按照上述参数采用全波电磁场仿真软件sonnet进行仿真，s参数仿真结果如图5所示，通带范围为2.46ghz
‑
2.75ghz，通带内回波损耗<
‑
15db，通带两侧各有两个传输零点。通过控制l5、g1等参数可以控制传输零点tz2，tz3的位置使通带具有高选择性。通过调节l4、w3可以调节传输零点tz4的位置，使滤波器有良好的阻带特性。
[0063]
综上，本发明实施例基于传输耦合线的三模高温超导滤波器，其性能符符2.5ghz无线技术标准设计要求，具有明显的工程实用价值；本发明通过改进传输耦合线结构形成了三模特性，有效减少了滤波器的物理尺寸，同时通过同向折叠小型化技术，进一步提高了滤波器的集成度；在滤波器设计中，将两个奇模频率分布在偶模频率两边，通过调节l1，l2可以分别调整通带的上下边带位置，通带宽度和位置具有灵活可控的特点；通过sir交指结构，可以产生4个传输零点，使滤波器在具有高选择性的同时具有良好的阻带特性；通过sir交指结构l4、w3可单独调节传输零点tz4的位置，可极有效地提高滤波器的宽阻带特性。除此之外，本发明结构紧凑，体积小，设计灵活，易于集成，电路加工方便；适合使用具有高品质因数的高温超导薄膜制作。
[0064]
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。