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          一種基于新型D-CRLH諧振器結構的雙通帶超導濾波器

          2023-12-29 來(lái)源:微波射頻網(wǎng) 作者:閆鑫,李顥毅,張浩,季來(lái)運 字號:

          閆鑫1,2,李顥毅1,2,張浩1,2,季來(lái)運1

          (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:基于新型雙模雙復合左右手諧振器結構(D-CRLH),設計了一款四階雙通帶高溫超導濾波器,該濾波器由均勻二分之一波長(cháng)螺旋耦合微帶線(xiàn)組成。該濾波器實(shí)現了兩個(gè)通帶的中心頻率和耦合系數獨立可控,增加了濾波器設計的自由度。整個(gè)濾波器的物理電路在0.5mm厚的MgO(氧化鎂)襯底上的DyBa2Cu3O7(鏑鋇銅氧)超導薄膜上設計。結果表明,該濾波器具有良好的帶內特性,中心頻率分別為1221MHz和1588MHz,通帶相對帶寬分別為1.06%和2.64%。

          關(guān)鍵字:D-CRLH;雙通帶;MgO;DyBa2Cu3O7

          1引言

          超導材料的表面電阻在射頻/微波頻段內比傳統的金屬材料低大約2~3個(gè)數量級,其在射頻中的損耗幾近于無(wú)。由于設計的高溫超導濾波器具有邊緣陡度高、帶外抑制好、插入損耗低等優(yōu)點(diǎn),因此采用高溫超導材料設計的濾波器在微波性能方面有著(zhù)傳統器件無(wú)法比擬的優(yōu)勢[1]。

          雙通帶濾波器的設計方法有很多:2010年Yong Heng等人,通過(guò)采用帶通-帶阻級聯(lián)的方式在YBCO(釔鋇銅氧)高溫超導薄膜上設計一款雙通帶濾波器[2]。2022年秦楚等人,通過(guò)采用帶阻-低通級聯(lián)設計了一款雙通帶濾波器。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[3]。2018年P(guān)engyu Ma等人,通過(guò)采用一種新的耦合矩陣的技術(shù)設計了一款雙通帶濾波器。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,實(shí)現難度較大[4]。2013年Li Gao等人,提出了一種基于短截線(xiàn)加載的四模諧振器構成的雙通帶濾波器[5]。2018年張赟霞等人,設計了一款基于一種新型的開(kāi)路/短路T形枝節加載圓環(huán)諧振器構成的雙通帶濾波器。這種方法雖然會(huì )使濾波器的尺寸變小,但是不能獨立控制每個(gè)通帶的帶寬[6]。

          本文介紹了一種四階雙通帶高溫超導濾波器。該濾波器兩個(gè)通帶的中心頻率分別是1221MHz和1588MHz,通帶帶寬分別為13MHz和42MHz。為了滿(mǎn)足設計要求,首先提出了一種雙模雙復合左右手諧振器結構,分析該諧振器結構的諧振特性,其次分析諧振器之間的耦合、饋線(xiàn)與諧振器之間的耦合,最后再進(jìn)行物理電路的整體組合與仿真。

          2諧振器設計與分析

          本工作要求濾波器兩個(gè)通帶的中心頻率分別是1221MHz和1588MHz。為了滿(mǎn)足要求,本文采用切比雪夫濾波器的低通設計原型實(shí)現。根據廣義耦合矩陣綜合理論[7-9]可得耦合系數和外部品質(zhì)因數如圖表1所示。

          表1雙通帶濾波器耦合系數和外部品質(zhì)因數

          通帶

          K1,2=K2,1

          K2,3=K3,2

          Qe

           1

          0.0155

          0.0106

          9.871

           2

          0.022

          0.0182

          14.891

          根據設計要求,本文提出了一種新型D-CRLH諧振器結構,如圖1所示。該諧振器有兩部分組成,分別對應圖中的橙色和黃色部分,兩個(gè)部分都是由均勻二分之一波長(cháng)螺旋微帶線(xiàn)相互耦合而成。該諧振器結構可以激發(fā)兩個(gè)諧振頻率,分別記為f1、f2。該諧振器結構的橙色部分激發(fā)一個(gè)諧振頻率,也就是f1,橙色部分可以單獨激發(fā)一個(gè)諧振頻率。然后,在橙色部分的下方接入相同結構的均勻二分之一波長(cháng)螺旋耦合微帶線(xiàn),對應圖中的黃色部分。黃色部分也可以單獨激發(fā)一個(gè)諧振頻率,也就是f2。

          圖1 雙模諧振器示意圖

          從圖2(a)(b)中的模擬電流分布圖也可以得出,當諧振頻率為f1時(shí),電流主要分在諧振器的橙色部分,當諧振頻率為f2時(shí),電流主要分布在諧振器的黃色部分,這與上面的分析結果一致。如圖3所示,改變L1的物理尺寸會(huì )影響f1的數值,改變L2的物理尺寸會(huì )影響f2的數值。因此,通過(guò)獨立調整該諧振器橙色和黃色部分的物理尺寸,可以獨立調諧兩個(gè)通帶對應的諧振頻率以滿(mǎn)足本工作的設計要求。

          圖2(a)f1時(shí)的模擬電流分布圖。(b)f2時(shí)的模擬電流分布圖。

           

          (a)

           (b)

          圖3(a)f1與L1的關(guān)系。(b)f2與L2的關(guān)系。

          該雙通帶濾波器需要設計在0.5mm厚的MgO襯底上的2英寸DyBa2Cu3O7超導薄膜上,MgO襯底得介電常數為9.68。計算微帶線(xiàn)長(cháng)度參數主要基于公式(1):

                                 (1)

          其中f0為濾波器的中心頻率,c為自由空間電磁波傳播速度,εeff為超導微帶電路襯底的有效介電常數。根據本工作的指標參數,通過(guò)式(1)計算出所需的微帶線(xiàn)長(cháng),然后通過(guò)全波電磁仿真軟件仿真,得出弱耦合下單個(gè)諧振器的頻率響應曲線(xiàn),如圖4所示。

           

          圖4 單個(gè)諧振器頻率響應曲線(xiàn)

          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5(a)所示。兩個(gè)諧振器的耦合頻率響應曲線(xiàn)及相位曲線(xiàn)如圖5(b)所示,每個(gè)諧振器激發(fā)兩個(gè)諧振頻率,分別是f1,1、f2,1、f1,2和f2,2,且諧振峰中間的相位均為正值,說(shuō)明兩個(gè)諧振器之間的耦合為磁耦合。從圖2的模擬電流密度分布圖也能得出,在諧振頻率為f1或f2時(shí),電流主要分布在諧振器螺旋耦合微帶線(xiàn)的外圍,而在諧振器中間電流分布最少,因此也可以證明兩個(gè)諧振器之間的耦合為磁耦合。相鄰諧振器間的耦合系數基于公式(2)(3):

                  (2)

                  (3)

          (a)                                                                                     (b)

          圖5(a)雙模諧振器耦合布局。(b)耦合諧振器頻率響應曲線(xiàn)及相位曲線(xiàn)圖

          圖6(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6中可以看出,隨著(zhù)S1的增大,第一通帶的耦合系數變小,而第二通帶的耦合系數基本保持不變。隨著(zhù)S2的增大,第二通帶的耦合系數變小,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6(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

          由上述分析可以確定該濾波器結構的物理尺寸和耦合系數,接下來(lái)還需要確定外部品質(zhì)因數和對應的饋線(xiàn)位置。外部Qe值的頻率響應曲線(xiàn)如圖7所示,Qe值的計算則通過(guò)式(4)確定。

                       (4)

          圖7 濾波器外部Qe值得頻率響應曲線(xiàn)

          其中f0表示通帶的中心頻率,∇f3dB表示-3dB處的帶寬。濾波器采用彎折抽頭式饋線(xiàn)的外部耦合方式,如圖8所示。兩個(gè)通帶的外部品質(zhì)因數Qe1和Qe2主要和h有關(guān),其關(guān)系如圖9所示??梢钥闯?,第一通帶和第二通帶的外部Qe值隨著(zhù)h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h值。

          圖8 外部耦合布局

          圖9 Qe與h的關(guān)系

          3.3 濾波器的仿真結果與分析

          在厚度為0.5毫米、介電常數為9.68的雙面DyBCO/氧化鎂/DyBCO高溫超導基片上,采用基于圖1的雙模諧振器結構和圖8中的彎折抽頭式饋線(xiàn)結構設計4階高溫超導雙通帶濾波器,如圖10所示。該濾波器的整體尺寸為22.61*6.21mm2。最終優(yōu)化濾波器的尺寸為:W=0.48、h=2.43、L1=3.28、L2=2.93、W1=0.15、D1=0.35、D2=0.45、D3=0.47、D4=0.53(單位:mm)。

          圖10 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11所示。兩個(gè)通帶的中心頻率分別為1221MHz和1558MHz,對應的相對帶寬分別是1.06%和2.64%,插入損耗均小于0.15dB,帶外抑制度高于45dB。

          圖11 S參數響應曲線(xiàn)

          4 結論

          設計了一款基于雙模雙復合左右手諧振器結構的四階雙通帶高溫超導濾波器。該雙模諧振器由上下兩部分組成,每部分都是由二分之一波長(cháng)的微帶線(xiàn)相互耦合而成。通過(guò)調整諧振器結構相應的物理參數,完成了濾波器兩個(gè)通帶的中心頻率及帶寬的獨立設計,具有較高的設計自由度。

          參考文獻

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