专利名称：一种层叠结构的高功率超导滤波器的制作方法
技术领域：
本发明属于微波工程技术领域，特别涉及具有较高功率承受能力的超导滤波器的结构 设计。
背景技术：
在微波频段，超导薄膜的微波表面电阻比常规金属低两个数量级以上。利用超导材料 可以实现插入损耗小、带外抑制好、带边陡峭的高性能滤波器，具有常规金属滤波器无法 比拟的性能。自从1986年高温超导材料发现后，经过20多年的发展，己经研制出无线通 信接收用具有优异频率响应特性的超导滤波器。而通信发射用滤波器除对频率响应特性有 要求外，还要求具有较高的功率承受能力。由于受超导薄膜临界电流密度和尺寸、超导滤 波器工作所需的真空腔体积和制冷机制冷量等因素的限制，高功率超导滤波器的研究仍然 面临较大挑战。
超导滤波器是用超导薄膜制备的、由输入馈线、输出馈线和多个谐振器构成的微波器 件。计算和仿真结果表明，在一定输入功率下，超导滤波器电路上各处的电流密度分布是 不均匀的，并且存在最大电流密度值。随着输入功率的增加，滤波器电路上各处的电流密 度也随之增加。当最大电流密度超过某一临界值时，将造成滤波器性能的恶化甚至完全失 去滤波特性。通过增加滤波器内各谐振器的宽度可以降低谐振器内的最大电流密度，提高 谐振器的功率容量，从而提高滤波器的功率承受能力。G,C丄iang等人报导了使用较宽的 微带线谐振器来设计高功率超导滤波器的方法，并实际制作了一个5阶高功率超导滤波器 (G.-C. Liang, et al. High-power high-temperature superconducting microstrip filters for cellular base-station applications, IEEE Trans. Applied Supercond., vol.5, no.2, pp: 2652-2655, Jun. 1995)。该5阶超导滤波器是在直径为2英寸的LaA103基片上实现的，其电路图如图 1所示，包括设置在基片10上的输入输出馈线11、 12和5个线宽较宽的谐振器13-17。 滤波器的中心频率为2 GHz,相对带宽为1.2%，在45 K温度下能够承受20 W的输入功 率。然而，通过增加谐振器线宽来提高滤波器功率的方法会导致超导滤波器的频率特性受 到超导薄膜尺寸的制约。滤波器的频率特性与其阶数(滤波器所包含谐振器的个数)密切 相关，阶数越高，带边陡峭度和带外抑制越高，占用薄膜尺寸也越大。图1中5阶超导滤 波器占用的面积即，为2英寸。由于超导薄膜尺寸的限制(现有超导薄膜的直径一般为2 3 英寸)，在设计更高阶数的高功率超导滤波器时将面临极大困难。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提出一种层叠结构的高功率超导滤波器， 以降低超导薄膜尺寸对高功率超导滤波器设计的限制，提高超导滤波器的功率承受能力和 频率响应特性。
本发明提出的一种层叠结构的高功率超导滤波器，其特征在于，该滤波器包括安装在 封装盒内的输入馈线、输出馈线及多个组件，该多个组件上下相对、交错放置，每个组件 包括设置在一块基片上的一个或顺序排列的多个谐振器。
上述滤波器中，所述输入馈线位于第一个组件上的第一个谐振器的一侧，输出馈线位 于最后一个组件上的最后一个谐振器的一侧。
上述滤波器中，还包括安装在该封装盒侧面，并插入上下组件之间的调谐螺钉。该调 谐螺钉可以是介质钉，也可以是金属钉。
本发明的效果
本发明设计的高功率超导滤波器不受超导薄膜尺寸的限制，使得用有限尺寸的超导薄 膜可以制备出具有较高阶数和较大功率承受能力的超导滤波器，以提高超导滤波器的功率 承受能力和频率响应特性。本发明滤波器阶数和组成滤波器的组件个数可以根据需要确 定。本发明可以用超导材料制作，也可以用其他材料制作。
图1为已有的一个5阶高功率超导滤波器的电路结构示意图。
图2为本发明的一种高功率超导滤波器实施例的结构示意图，其中(a)为滤波器各
组件电路示意图，(b)为层叠结构超导滤波器示意图侧视图，(c)为超导滤波器各谐振器
相对位置示意图。
图3为图2所示的超导滤波器实施例的频率响应曲线图。
图4为图2所示高功率超导滤波器实施例调谐螺钉位置示意图。
图5是本发明的另外一种高功率超导滤波器实施例的结构示意图，其中(a)为滤波
器各组件电路示意图，(b)为层叠结构超导滤波器示意图侧视图，(c)为超导滤波器各谐
振器相对位置示意图。
具体实施例方式
本发明提出的高功率超导滤波器实施例1的电路结构如图2所示。该高功率超导滤波 器是针对中国第三代移动通信系统TD-SCDMA的要求设计的，滤波器中心频率为2017.5MHz，带宽为15MHz。图中20为LaAlO3基片。图2(a)为超导滤波器各组件电路结构图， 其中21为输入馈线，22为第1个谐振器，23为第2个谐振器，24为第3个谐振器，25 为输出馈线。输入馈线21与第1个谐振器22组成第一个组件，第2个谐振器23为第二 个组件，第3个谐振器24和输出馈线25组成第三个组件，各组件分别设置在一块单独的 基片20表面上，基片尺寸皆为21 mmX9.6mm。各谐振器的宽度根据超导滤波器的功率 承受能力要求确定，长度约为滤波器中心频率在该基片上对应波长的一半。本发明中谐振 器22、 23、 24的宽度皆为5mm，谐振器22的长度为16.32 mm，距基片左侧边缘的距离 为2.56mm，距基片顶部的距离为2 mm;谐振器23的长度为16.28 mm，距基片左侧边缘 的距离为2.36mm，距基片顶部的距离为2 mm;谐振器24的长度为16.32 mm，距基片左 侧边缘的距离为2.12 mm，距基片顶部的距离为2 mm。输入馈线和输出馈线的宽度为0.16 mm，对应于此基片上50Q特征阻抗，馈线长度及其与谐振器之间的距离由滤波器所要求 的外部Q值确定。本发明中输入馈线21的长度为14.24 mm，与第一个谐振器22之间的 距离为0.28 mm;输出馈线25的长度为14.24 mm，与第三个谐振器24之间的距离为0.28 mm。图2(b)为本发明提出的高功率超导滤波器实施例结构示意图侧视图，各组件上下相 对，顺序交错放置在封装盒29中，其中，各基片20的背面设有超导层26作为接地面， 27为输入馈线21和第一个谐振器22的电路侧视图，28为第3个谐振器24和输出馈线 25的电路侧视图。图2(c)为本发明提出的高功率超导滤波器实施例各谐振器相对位置示意 图，其中输入馈线21、第1个谐振器22、第3个谐振器24和输出馈线25位于同一平面 上，第2个谐振器23位于另一水平面上。相邻谐振器之间的距离h和相对位置sa、 sb由 滤波器所要求的耦合强度确定。本发明中谐振器之间距离h为5mm，相对位置sa-sb-3.24 mm。
图3为图2所示滤波器实施例的频响应曲线，其中实线31为传输损耗曲线，虚线32 为反射损耗曲线。滤波器反射系数达到了 18.1dB，带边陡峭度两边都达到了 ldB/MHz。 如果继续增加滤波器的阶数，带边会更加陡峭，带外抑制更好。
图4为图2所示滤波器实施例调谐螺钉位置示意图。实际制作的超导滤波器的性能一 般与仿真结果有一定的偏差，主要是由仿真软件的误差、制作和封装工艺误差、基片厚度 和介电常数的不均匀性等因素造成的。因此需要对制作后的滤波器进行调谐，以提高滤波 器的频率响应特性。图4为图2所示超导滤波器调谐螺钉引入位置示意图。从封装盒侧面 伸入调谐螺钉41，位于相邻谐振器相互重叠的部分，通过调节调谐螺钉可以改变滤波器 电路的局域电磁场分布，从而对滤波器的特性进行调谐。调谐螺钉可以是介质钉，也可以 是金属钉。
图5为本发明提出的另一个高功率超导滤波器实施例的结构示意图。图中50为介质 基片。该滤波器为4阶，包含4个谐振器，由两个组件构成，各组件分别使用一块基片。各组件的电路图如图5(a)所示。输入馈线51、第1个谐振器52和第2个谐振器53组成第 一个组件，第3个谐振器54、第4个谐振器55和输出馈线56组成第二个组件。各谐振 器的宽度根据滤波器的功率承受能力要求确定，长度约为滤波器中心频率在该基片上对应 波长的一半。输入馈线和输出馈线的宽度对应于此基片上50 Q特征阻抗，馈线长度及其 与谐振器之间的距离由滤波器所要求的外部Q值确定。图5(b)为该高功率超导滤波器实施 例结构示意图侧视图，各组件上下相对，顺序交错放置在封装盒510中，其中57为超导 体接地面，58和59分别为构成超导滤波器的两个组件的电路侧视图，两个组件上下相对， 交错放置，之间距离为hl。图5(c)为该高功率超导滤波器实施例各谐振器相对位置示意图， 其中输入馈线51、第1个谐振器52和第2个谐振器53位于一个水平面上，第3个谐振 器54、第4个谐振器55和输出馈线56位于另一个水平面上。各相邻谐振器之间的距离 和相对位置由滤波器所要求的耦合强度确定。
上述实施例只是举例对本发明进行说明，但是本发明并不局限于此，可以在此基础上 进行多种变形。例如，上述实施例中分别设计了3阶和4阶高功率高温超导滤波器，但是 本发明还可以很容易用此结构设计出其它更高阶数的滤波器。此外，上述实施例中虽然选 用了铝酸镧LaA103基片，但是根据需要完全可以使用
权利要求
1、一种层叠结构的高功率超导滤波器，其特征在于，该滤波器包括安装在封装盒内的输入馈线、输出馈线及多个组件，该多个组件上下相对、交错放置；每个组件包括设置在一块基片上的一个或顺序排列的多个谐振器。
2、 如权利要求1所述滤波器，其特征在于，所述输入馈线位于第一个组件上的第一 个谐振器的一侧，输出馈线位于最后一个组件上的最后一个谐振器的一侧。
3、 如权利要求1所述滤波器，其特征在于，还包括安装在该封装盒侧面，并插入上 下组件之间的调谐螺钉。
全文摘要
本发明涉及一种层叠结构的高功率超导滤波器，属于微波工程技术领域，该滤波器包括安装在封装盒内的输入馈线、输出馈线及多个组件，该多个组件上下相对、交错放置，每个组件包括设置在一块基片上的一个或顺序排列的多个谐振器。本发明设计的高功率超导滤波器不受超导薄膜尺寸的限制，使得用有限尺寸的超导薄膜可以制备出具有较高阶数和较大功率承受能力的超导滤波器。以提高超导滤波器的功率承受能力和频率响应特性。
文档编号H01P1/203GK101447596SQ20081024675
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月31日 优先权日2008年12月31日
发明者张晓平, 曹必松, 郭旭波, 斌 魏 申请人:清华大学