环行器匹配多通带高温超导滤波器的制造方法
【专利摘要】本实用新型的环行器匹配多通带高温超导滤波器包括高温超导基片和形成于基片上的多个频带不同的子滤波器电路图案。子滤波器的输入端还包括三端口环行器，并分别与对应的环行器的第二端口相连接各子滤波器的输出端之间通过具有阻抗变换功能的T型结构成的微带电路匹配网络匹配输出。环行器工作于高温超导滤波器工作的低温环境。采用高温超导材料设计出了高性能的多通道高温超导滤波器。克服了输入耦合网络复杂、设计困难的问题。输出端采用的T型结匹配网络有效保证了各通带信号的同步输出。并同时满足了多个频段信号的滤波要求，克服了子滤波器间匹配困难的问题。低温环境下工作的环行器有效减小了器件的插入损耗，提高了滤波器的整体性能。
【专利说明】环行器匹配多通带高温超导滤波器
【技术领域】
[0001]本实用新型属于超导元器件设计【技术领域】，涉及高温超导滤波器件，特别涉及一种由多个子滤波器并联形成的多个通道的由环行器在输入端匹配的高温超导滤波器。
【背景技术】
[0002]随着通信产业的急速发展，各种通信标准同时存在使得频率资源越来越紧张，对于无线通信系统的前端接收设备的要求也越来越高。具体表现是高效的频谱利用率问题，即对具有高选择性、小体积、低成本、设计灵活的射频滤波器有着迫切需求。高温超导技术目前发展已经较为成熟，利用高温超导材料设计的滤波器具有插损小，带边陡峭，矩形系数高的特点，因此已在通信领域被广泛使用。但是，超导材料本身成本较高，并且由于当前工艺所致，单块超导材料的尺寸很难在保证低成本的同时做大，超导射频滤波器领域的元器件的小体积、低成本、设计灵活等特性显得尤为重要。另外，如今的通信系统要求同时工作于多个通信频段以节约成本，多通带滤波器是这些系统中必不可少的器件。针对这种情况，工程师开始研究具有多通带频率特性的滤波器。
[0003]基于上述滤波器多通带频率特性的问题，目前的研究点主要集中在以下方面:1、利用谐振器的双模特性，即一个谐振器工作在两个谐振模式，对应多个中心频率。该方法又主要有两个思路，一个是通过利用和控制阶跃谐振器的谐波来产生多通带，另一个则是通过在均匀阻抗谐振器或非均匀阻抗谐振器上加载短路或是开路枝节的方法。该技术的优点是体积较小，但是设计难度大。多个通带使用同一套耦合网络，很难同时达到各个通带所需要的耦合系数，因此难于分别调节各通带的带宽，查阅专利文献和期刊文献，利用该种方法的都只能设计出两级或是三级的滤波器，对于级数要求较高的滤波器设计很困难，因此很难设计出高性能的宽带多频带滤波器。2、将带通带阻滤波器集成在一起来完成多通道滤波器的设计。该方法的缺点是体积较大，设计复杂，调试困难。3、多个子滤波器并联方案。使用多个子滤波器实现多频带通滤波器，每一个子滤波器分别实现一个通道。但是由于子滤波器的耦合网络设计难度大，设计出得滤波器体积大，很多工程师便放弃了这一想法。特别应用于高温超导器件领域，由于超导基片制作工艺的限制导致基片尺寸通常较小，用于制作多通带滤波器时器件的小型化显得尤为重要。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的是为了解决现有的采用多个子滤波器组成多通带滤波器的设计方案中耦合网络规模大影响器件的小型化的不足，提出了一种环行器匹配多通带高温超导滤波器。
[0005]本实用新型的技术方案为:环行器匹配多通带高温超导滤波器，包括高温超导基片和形成于基片上的N个频带不同的子滤波器电路图案，N为不小于2的整数；其特征在于，子滤波器的输入端还包括N-1个与其中N-1个子滤波器一一对应的三端口环行器，子滤波器的输入端口分别与对应的环行器的第二端口相连接；第I环行器的第一端口作为滤波器输入端；第η环行器的第三端口与第η+1环行器的第一端口相连接，η为不小于I不大于Ν-2的整数，第N-1环行器的第三端口与第N子滤波器的输入端口相连接；各子滤波器的输出端之间通过具有阻抗变换功能的T型结构成的微带电路匹配网络匹配输出。
[0006]进一步的，上述T型结由阶跃阻抗传输线构成，T型结长度小于四分之一波长。
[0007]进一步的，谐振器为谐振于所在子滤波器工作带宽的中心频率的阶跃阻抗谐振器。
[0008]进一步的，子滤波器为八阶广义切比雪夫带通滤波器，包括八个依序一字排开的谐振器，并至少在两个非相邻的谐振器间引入交叉耦合。
[0009]进一步的，闻温超导基片由介电常数为23.8的招酸俩基材，基材厚度为0.5mm。
[0010]一般来讲常温下使用的环行器在液氮温区至液氦温区之间因为插损过大(通常大于3dB)而没法使用，应用于基于高温超导材料的滤波器时虽然能有效降低电路尺寸，但是并不能保证作为高温超导滤波器的整体性能；甚至当用于对电路损耗控制要求较高的工程领域比如说通信基站时，上述方案基本无法实现其参数要求，为了解决上述技术问题，本发明进一步提出如下改进方案:所述环行器为工作于液氮至液氦温区时插损不高于0.3dB的低温环行器。
[0011]上述低温环行器工作于低温环境，所述低温环境优选为与高温超导滤波器的超导电路工作的低温环境相同。
[0012]本实用新型的有益效果:本实用新型的多通带高温超导滤波器采用高温超导材料设计出了高性能的多通道高温超导滤波器。采用的是多个子滤波器并联方案，克服了输入耦合网络复杂、设计困难的问题。输出端采用的T型结匹配网络有效保证了各通带信号的同步输出。方案中采用的小型化的谐振器在满足设计要求的前提下使滤波器的体积大大减小。并同时满足了多个频段信号的滤波要求，带外抑制度高，克服了子滤波器间匹配困难的问题，结构紧凑，设计灵活。采用可工作与液氮或液氦温区的材料设计的低温环行器的插入损耗较常温环行器明显降低，进而提升了本实用新型多通道的高温超导滤波器的整体性倉泛。
【专利附图】
【附图说明】:
[0013]图1为本实用新型的一种三通带的高温超导滤波器系统框图；
[0014]图2为本实用新型的一种三通带的高温超导滤波器实施方案结构示意图；
[0015]图3为图2所示实施例的高温超导滤波器的第一子滤波器结构示意图；
[0016]图4为图2所示实施例的高温超导滤波器的第二子滤波器结构示意图；
[0017]图5为图2所示实施例的高温超导滤波器的第三子滤波器结构示意图；
[0018]图6为本实用新型实施例的三通道高温超导滤波器的结果仿真图。
【具体实施方式】
[0019]本实用新型的实施例是依据本实用新型的原理而设计，下面结合附图和以下具体实施例对本实用新型作进一步的阐述。
[0020]如图1所示，环行器匹配多通带高温超导滤波器，包括高温超导基片和形成于基片上的N个频带不同的子滤波器电路图案2，N为不小于2的整数；子滤波器的输入端还包括N-1个与其中N-1个子滤波器一一对应的三端口环行器，子滤波器的输入端口分别与对应的环行器的第二端口相连接;第I环行器的第一端口作为滤波器输入端；第11环行器的第三端口与第n+1环行器的第一端口相连接，η为不小于I不大于Ν-2的整数，第N-1环行器的第三端口与第N子滤波器的输入端口相连接；输入端的N-1个环行器组成输入端匹配网络I替换了传统的输入端匹配电路。由于通常输入端匹配电路设计困难并且电路规模较大。因此采用本实施例的设计可以有效降低设计难度并且减小了器件的整体尺寸。电路尺寸的减小在多通带滤波器设计领域特别是本实施例所涉及的利用高温超导材料设计的多通道滤波器领域，所带来的效果尤为突出。各子滤波器的输出端之间通过匹配网络连接输出。匹配网络可以采用微带电路匹配网络输出。具体的，上述用作匹配网络的微带电路具体为具有阻抗变换功能的T型结。T型结由阶跃阻抗传输线构成，T型结长度小于四分之一波长。通过T型结进行阻抗匹配，使三个通道的滤波器特性互不干扰。以图1所示的三通带高温超导滤波器为例，本实用新型的具体实现原理如下:输入信号自环行器I的第一端口输入，经第二端口输出，输出信号中符合滤波器I的设计频带的信号经滤波器I后进入输出端匹配网络3 ;其余信号被滤波器I反射回环行器I的第二端口并经第三端口输入到环行器2的第一端口，信号进一步经过环行器2的第二端口输出自滤波器2，在滤波器2的作用下，符合其频带的信号输出至输出端匹配网络；其余信号经滤波器2反射后依次经环行器2的第二端口、第三端口输出至滤波器3，并通过滤波器3将符合其频带的信号输出至输出端匹配网络。优选的，上述高温超导滤波器包括三个中心频率不同的子滤波器电路图案。由于通常在常温下使用的环行器在液氮温区至液氦温区之间因为插损过大(通常大于3dB)而没法使用，应用于基于高温超导材料的滤波器时虽然能有效降低电路尺寸，但是并不能保证作为高温超导滤波器的整体性能；甚至当用于对电路损耗控制要求较高的工程领域比如说通信基站时，上述方案基本无法实现其参数要求，为了解决上述技术问题，本实用新型进一步提出如下改进方案:所述环行器为工作于液氮至液氦温区时插损不高于0.3dB的低温环行器。需要说明的是，上述低温环行器由于在结构上与常规环行器并无实质不同，不同点仅仅在于使用了电磁参数的温度系数更好的铁氧体材料。具体的，上述铁氧体材料满足在液氮和/或液氦温区时电磁参数的温度系数不低于其在常温下的30%。由于上述材料的选择对于本领域的普通技术人员来说属于公知常识，因此使用上述材料制作的所述低温环行器的技术方案也是清楚的。
[0021]另外，上述包含工作于液氮至液氦温区插损不高于0.3dB的低温环行器的滤波器方案的参数设置，主要是因为应用于接收机前端的具体工程问题的需要，但是本发明的滤波器并不仅限于接收机前端的应用，因此上述具体参数并不构成对本发明保护范围的限制。比如，根据不同的工程领域上述插损值可以放宽至0.5dB或者ldB。
[0022]上述谐振器均为谐振于所在子滤波器工作带宽的中心频率的阶跃阻抗谐振器。
[0023]如图2至图5所示，子滤波器为八阶广义切比雪夫带通滤波器，包括八个依序一字排开的谐振器，并至少在两个非相邻的谐振器间引入交叉耦合。高温超导基片由介电常数为23.8的铝酸镧基材及形成于基材上的厚度为500nm的氧化钇钡铜高温超导薄膜组成，基材厚度为0.5mm。
[0024]如图2及图3所示，第一子滤波器为八阶的广义切比雪夫滤波器，主要由输入馈线11，输出馈线12，具有将非相邻谐振器进行电气连接的传输线，以及谐振器共同组成。通过传输线引入了交叉耦合，加入了传输零点，提高了滤波器的带外抑制度。八个谐振器呈一字型排开，各个谐振器间的间距由滤波器的特性决定，输入馈线和输出馈线与谐振器直接电气连接，其接入点位置与阻抗匹配有关。在本具体实施方案中，输入输出馈线的宽度Wll为0.22mm，长度对整个滤波器的性能影响不大，一般可取为2mm。谐振器间的间距 Lll=0.375mm, L12=0.6mm, L13=0.59mm, L14=0.573mm, L15=0.59mm, L16=0.6mm,L17=0.375mm。第三个谐振器与第六个谐振器间引入交叉耦合，其中耦合线的插入深度Lhl=L 97mm。耦合线与第三个谐振器间的间距W12=0.062mm。本实施例的谐振器为经过了两折的阶跃阻抗谐振器，谐振器谐振于该通带的中心频率，通过调整高底阻抗线的特征阻抗比可以调整杂散响应。Wlll=0.15mm、W112=0.55mm，谐振器的长度为Llll=8.367_。
[0025]如图4所示，第二子滤波器为八阶的广义切比雪夫滤波器，主要由输入馈线21，输出馈线22，以及谐振器2共同组成。优选的，输入输出馈线的宽度W21为0.22mm,长度对整个滤波器的性能影响不大，一般可取为2mm。谐振器间的间距L21=0.9mm, 122=1.09mm,L23=l.123mm, L24=l.124mm, L25=l.123mm, L26=l.09mm, L27=0.9mm。
[0026]如图5所示，第三子微带滤波器为八阶的广义切比雪夫滤波器，主要由输入馈线31，输出馈线32，以及谐振器33共同组成。优选的，输入输出馈线的宽度W31为0.22mm,长度对整个滤波器的性能影响不大，一般可取为2mm。谐振器间的间距L31=0.08mm，L32=0.165mm, L33=0.08mm, L34=0.266mm, L35=0.08mm, L36=0.165mm, L37=0.08mm。
[0027]为了简化子滤波器结构设计，本实施例的优选方案为第二子滤波器和第三子滤波器的谐振器结构形式与第一子滤波器的结构形式相同，通过调节谐振器的长度即可改变谐振器的谐振频率，使其谐振于所对应通带的中心频率。
[0028]如图6所示为三通道高温超导滤波器的结果仿真图，其中S (1，I)表示回波损耗。
[0029]本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。
【权利要求】
1.环行器匹配多通带高温超导滤波器，包括高温超导基片和形成于基片上的N个频带不同的子滤波器电路图案，N为不小于2的整数；其特征在于，子滤波器的输入端还包括N-1个与其中N-1个子滤波器一一对应的三端口环行器，子滤波器的输入端口分别与对应的环行器的第二端口相连接;第I环行器的第一端口作为滤波器输入端；第η环行器的第三端口与第η+1环行器的第一端口相连接，η为不小于I不大于Ν-2的整数，第N-1环行器的第三端口与第N子滤波器的输入端口相连接；各子滤波器的输出端之间通过具有阻抗变换功能的T型结构成的微带电路匹配网络匹配输出。
2.根据权利要求1所述的多通带高温超导滤波器，其特征在于，T型结由阶跃阻抗传输线构成，T型结长度小于四分之一波长。
3.根据权利要求1或2所述的多通带高温超导滤波器，其特征在于，谐振器为谐振于所在子滤波器工作带宽的中心频率的阶跃阻抗谐振器。
4.根据权利要求1或2所述的多通带高温超导滤波器，其特征在于，子滤波器为八阶广义切比雪夫带通滤波器，包括八个依序一字排开的谐振器，并至少在两个非相邻的谐振器间引入交叉耦合。
5.根据权利要求1或2所述的多通带高温超导滤波器，其特征在于，高温超导基片由介电常数为23.8的铝酸镧基材及形成于基材上的厚度为500nm的氧化钇钡铜高温超导薄膜组成。
6.根据权利要求3所述的多通带高温超导滤波器，其特征在于，高温超导基片由介电常数为23.8的铝酸镧基材及形成于基材上的厚度为500nm的氧化钇钡铜高温超导薄膜组成。
7.根据权利要求4所述的多通带高温超导滤波器，其特征在于，高温超导基片由介电常数为23.8的铝酸镧基材，基材厚度为0.5mm。
8.根据权利要求6或7所述的多通带高温超导滤波器，其特征在于，环行器工作于低温环境，所述低温环境与高温超导滤波器的超导电路工作的低温环境相同。
9.根据权利要求8所述的多通带高温超导滤波器，其特征在于，所述环行器为工作于液氮至液氦温区时插损不高于0.3dB的低温环行器。
10.根据权利要求9所述的多通带高温超导滤波器，其特征在于，低温环行器工作于低温环境，所述低温环境与高温超导滤波器的超导电路工作的低温环境相同。
【文档编号】H01P1/20GK203660021SQ201420030960
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年1月18日 优先权日:2014年1月18日
【发明者】任向阳, 羊恺, 舒绍敏, 段东林, 陈浩健, 孙阳丹 申请人:成都顺为超导科技股份有限公司