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          一種結構新穎的雙通帶超導濾波器設計

          2023-11-22 來(lái)源:微波射頻網(wǎng) 作者:閆鑫,季來(lái)運等 字號:

          閆鑫1,2,季來(lái)運1,張浩1,2,李顥毅1,2,王昭月1,2,曹鳳瑩1,2

          (1.天津海芯電子有限公司,天津300380;2.天津師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院,天津 300387.)

          摘要:本文基于雙模諧振器設計了一款新型雙通帶高溫超導(HTS)濾波器。雙模諧振器由一個(gè)短路枝節和兩個(gè)開(kāi)路枝節構成,可以激發(fā)兩個(gè)諧振頻率。探究了諧振器枝節的物理尺寸對兩個(gè)諧振頻率的影響,通過(guò)合理設計雙模諧振器各枝節的長(cháng)度、諧振器間耦合間距、以及輸入輸出饋線(xiàn)的激勵型式,完成了雙通帶超導濾波器的設計,濾波器電路在厚度為0.5mm的MgO基片上的DyBa2Cu3O7高溫超導薄膜上設計。該雙通帶濾波器的兩個(gè)中心頻率為350MHz和817MHz,其相對帶寬分別為0.71%和1.93%。

          關(guān)鍵詞:雙通帶濾波器;短路枝節;開(kāi)路枝節;高溫超導薄膜

          1  引言

          隨著(zhù)通信行業(yè)的快速發(fā)展,能夠滿(mǎn)足不同通信頻段要求的雙頻段通信系統受到越來(lái)越多的關(guān)注。雙通帶濾波器作為射頻前端的關(guān)鍵部件,直接影響到系統的性能。隨著(zhù)高溫超導材料和制造技術(shù)的快速發(fā)展,高溫超導雙通帶濾波器以其插入損耗低、衰減陡峭、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一[1, 2]。

          雙通帶濾波器的基本設計方法有三種。第一種就是將多個(gè)濾波器組合形成雙通帶。例如在[3]中,通過(guò)將兩個(gè)帶通濾波器并聯(lián)形成雙通帶。在[4]中,通過(guò)將帶通濾波器和帶阻濾波器級聯(lián)形成雙通帶。這種方法雖然在設計理論上相對簡(jiǎn)單,但是會(huì )使濾波器的尺寸增大,不利于小型化,而且還要考慮兩個(gè)濾波器匹配所引入的額外損耗。第二種方法是耦合矩陣綜合法。在[5-8]中,通過(guò)采用交叉耦合產(chǎn)生的傳輸零點(diǎn),將單個(gè)通帶分為兩個(gè)通帶。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是邏輯清晰,但耦合矩陣往往比較復雜。第三種方法基于多模諧振器[9-11],如階躍阻抗諧振器、短截線(xiàn)負載諧振器等。這種方法雖然會(huì )使濾波器的尺寸變小,但是難以獨立設計帶寬。針對以上問(wèn)題,本文提出了一款新型的雙模諧振器。該雙模諧振器由一個(gè)短路枝節和兩個(gè)開(kāi)路枝節構成,基于該諧振器結構完成了雙通帶超導濾波器設計。

          2  雙模諧振器的分析

          本工作要求濾波器的兩個(gè)通帶的中心頻率分別為350MHz和817MHz。作者給出了一種結構新穎的雙模諧振器,該雙模諧振器由一個(gè)短路枝節和兩個(gè)開(kāi)路枝節構成,結構示意如圖1(a)所示。諧振器的傳輸線(xiàn)模型如圖1(b)所示。該雙模諧振器可以激發(fā)兩個(gè)諧振頻率,通過(guò)改變短路枝節和開(kāi)路枝節的物理尺寸來(lái)設計這兩個(gè)諧振頻率。

          基于傳輸線(xiàn)理論,該諧振器的輸入導納由下列公式得出[12]

          式中:θn(n=1,2,...,6)表示諧振器對應各部分枝節的電長(cháng)度。根據(1)~(6)式得出雙模諧振器的輸入導納Yin,由諧振條件Yin=0得出雙模諧振器的諧振頻率,再根據傳播常數β、諧振器的物理長(cháng)度L和諧振器電長(cháng)度θ的等效關(guān)系:θ=βL,可以得出各枝節物理尺寸。

                             

          (a)                                                                (b)

          圖1 (a)雙模諧振器示意圖 (b)雙模諧振器傳輸線(xiàn)模型

          基于θ和f之間的數值關(guān)系,可以得到f與L之間的數值關(guān)系。雙模諧振器的諧振頻率主要取決于L1+L6、L2、L3、L4、L5。L1+L6、L4、L5對f1、f2都有影響。L2、L3主要影響f2,對f1影響較小。以L(fǎng)3、L5與f1的關(guān)系和L3與f2的關(guān)系舉例說(shuō)明,通過(guò)改變L3、L5的物理尺寸可以改變f1的數值,而f2的數值不變,如圖2(a)所示。通過(guò)改變L3的物理尺寸可以使f2的數值改變,而f1的數值不變,如圖2(b)所示。

             

          (a)                                                                      (b)

          圖2(a)f1與L3、L5的關(guān)系(b)f2與L3的關(guān)系

          根據仿真軟件分析雙模諧振器的頻率響應特性,參考雙模諧振器計算的物理尺寸,調節各組成枝節的長(cháng)度得到雙模諧振器頻率響應曲線(xiàn),如圖3所示。

          圖3頻率響應曲線(xiàn)圖

          3  濾波器的設計

          3.1 諧振器之間的耦合

          在兩個(gè)諧振器之間存在兩條耦合路徑,分別是通過(guò)S1之間的耦合和通過(guò)S2之間的耦合,如圖4(a)所示。兩個(gè)諧振器的耦合頻率響應曲線(xiàn)如圖4(b)所示,每個(gè)諧振器激發(fā)兩個(gè)諧振頻率。每個(gè)通帶諧振器間的耦合系數由公式(7)(8)得出:

          圖5(a)(b)顯示了兩個(gè)通帶相鄰諧振器的耦合系數和諧振器間距的仿真結果。從圖5中可以看出,隨著(zhù)S1的增大,第一通帶和第二通帶的耦合系數均減小。隨著(zhù)S2的增大,第二通帶的耦合系數變大,而第一通帶的耦合系數基本保持不變。這與前面的結果分析一致,可以獨立調整S1、S2的大小,使其滿(mǎn)足濾波器耦合系數的設計要求,增加了濾波器設計的自由度。

            

          (a)                                                                           (b)

          圖4(a)雙模諧振器耦合布局(b)耦合諧振器頻率響應曲線(xiàn)圖

             

          (a)                                                                       (b)

          圖5(a)耦合系數與S1的關(guān)系(b)耦合系數與S2的關(guān)系

          3.2 外部品質(zhì)因數

          在上述分析中已經(jīng)確定了濾波器的尺寸和耦合系數,接下來(lái)需要確定所需要的外部品質(zhì)因數和對應的饋線(xiàn)位置。每種模式的雙模諧振器的外部品質(zhì)因數由公式(9)確定:

          其中f0為耦合諧振頻率,BW-3dB為耦合曲線(xiàn)-3dB的帶寬。濾波器采用彎折T型饋線(xiàn)的耦合方式,如圖6所示。兩個(gè)通帶的外部品質(zhì)因數Qe1和Qe2主要和g有關(guān),其關(guān)系如圖7所示??梢钥闯?,第一通帶和第二通帶的外部Qe值隨著(zhù)g值的增大而同時(shí)增大。因此,在設計濾波器時(shí),根據濾波器的帶寬來(lái)確定相應的g值。

          圖6 外部耦合布局

          圖7 Qe與g的關(guān)系

          3.3 濾波器的仿真結果與分析

          該高溫超導濾波器是在厚度為0.5mm的MgO基底上的雙面DyBa2Cu3O7薄膜上設計,布局如圖8所示。該濾波器的整體尺寸為19.65*20mm2。最終優(yōu)化濾波器的尺寸為:L1=15.88、L2=1.02、L3=5.9、L4=1.24、L5=7.22、L6=4.45、W1=0.3、W50=0.48、S1=0.68、S2=1.42(單位:mm)。

           

          圖8 雙通帶高溫超導濾波器布局圖

          通過(guò)全波電磁仿真軟件對電路進(jìn)行模擬,結果如圖9所示。兩個(gè)通帶的中心頻率分別為350MHz和817MHz,對應的相對帶寬分別是0.71%和1.93%,回波損耗低于25dB,帶外抑制度高于50dB。由于該濾波器外部品質(zhì)因數的獨立設計有局限性,因此在此基礎上如何實(shí)現外部品質(zhì)因數的獨立設計將是以后的工作重點(diǎn)。表1是本設計的濾波器參數與部分已報道的雙通帶濾波器參數進(jìn)行的對比。

           

          圖9 S參數響應曲線(xiàn)

          表1 本工作與其他工作對比

          文獻

          C.F./MHz

          FBW/%

          RL/dB

          S/mm2

          [5]

          1490/2340

          2.69/3.42

          18.5/18.1

          17.2*14.7

          [6]

          240/540

          16.7/25.92

          16.65/17.17

          36.65*32

          [8]

          1500/2400

          9.6/12

          21/23.5

          12.04*7.74

          [9]

          1800/3500

          10月14日

          25/28

          12.9*10.3

          本文

          350/817

          0.186/0.56

          43.31/28.55

          19.65*20

          注:C.F.為通帶的中心頻率;FBW為相對帶寬;RL為回波損耗;S為濾波器尺寸。

          4  結論

          設計了一款基于雙模諧振器的雙通帶高溫超導濾波器。雙模諧振器由一個(gè)短路枝節和兩個(gè)開(kāi)路枝節構成。通過(guò)調整諧振器結構的相應物理參數,完成了濾波器兩個(gè)通帶中心頻率及帶寬的獨立設計,具有較高的設計自由度;采用雙模諧振器,與傳統單模諧振器的設計方式相比,結構更緊湊,濾波器的物理尺寸更小,為無(wú)線(xiàn)通信系統雙通帶高溫超導濾波器的應用提供一種新的設計思路。

          參考文獻

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