??? 摘? 要： 基于在LaALO3襯底上用磁控濺射法制備而成的雙面氧化物高溫超導(dǎo)薄膜YBCO,，設(shè)計(jì)了L波段高溫超導(dǎo)帶通濾波器,。該濾波器采用了SIR型諧振器,利用高溫超導(dǎo)薄膜在微波范圍內(nèi)的Q 值比常規(guī)導(dǎo)體高1～3個(gè)數(shù)量級(jí)的優(yōu)點(diǎn),，使器件具有小型化和低插損的特點(diǎn),。同時(shí)還研制了具有實(shí)用意義的全密封高溫超導(dǎo)濾波器外殼,僅需液氮制冷即可進(jìn)入工作狀態(tài),。通過(guò)測(cè)試,，達(dá)到預(yù)期效果。
??? 關(guān)鍵詞： 高溫超導(dǎo),； 微波,； 帶通濾波器； SIR
?
高溫超導(dǎo)薄膜具有極低的微波表面電阻(比常規(guī)導(dǎo)體小1～3個(gè)數(shù)量級(jí)),是制作微波濾波器,、諧振器,、延遲線(xiàn)等微波無(wú)源器件的理想材料。其中高溫超導(dǎo)微波濾波器及濾波器組是高溫超導(dǎo)微波應(yīng)用的關(guān)鍵器件之一,具有比傳統(tǒng)波導(dǎo)器件更好的高選擇性,、低插損特性并兼具平面電路的體積小,、重量輕、易于與其他微波固態(tài)電路進(jìn)行混合集成的優(yōu)點(diǎn)(體積重量卻不足1/10),，與常規(guī)金屬同種結(jié)構(gòu)濾波器相比,帶內(nèi)插損減小3 dB以上,。因此倍受軍事電子學(xué)、移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信的青睞,。HTSC帶通濾波器可用于接收機(jī)前端中作頻率預(yù)選和頻帶壓縮,是抑制噪聲,、提高接收機(jī)靈敏度不可缺少的關(guān)鍵部件,目前發(fā)展趨勢(shì)為實(shí)用化、小型化和商品化,。隨著高溫超導(dǎo)材料的日益成熟以及制冷技術(shù)的不斷提高, HTSC帶通濾波器以其優(yōu)異性能將在軍事電子領(lǐng)域,、民用通信領(lǐng)域, 及太空領(lǐng)域獲得更為引人注目的應(yīng)用。
本文采用雙面高溫超導(dǎo)薄膜材料YBCO,，設(shè)計(jì)并制作了一種高性能高溫超導(dǎo)微帶濾波器,，這對(duì)實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)中電子設(shè)備的小型化、降低成本和加速小型化通信系統(tǒng)的發(fā)展都起到了非常重要的作用,，具有廣泛的應(yīng)用前景,。
1 高溫超導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)
1.1 濾波器結(jié)構(gòu)的選取
設(shè)計(jì)平面微帶濾波器時(shí)，根據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo),，按照耦合濾波器的經(jīng)典綜合設(shè)計(jì)方法,，可以很容易地得出濾波器的級(jí)數(shù)、切比雪夫低通原型濾波器各級(jí)的元件值以及各級(jí)諧振器之間耦合系數(shù)的理論值,。然后對(duì)其基本組成單元微帶諧振器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇,。圖1列出了幾種常用的微帶諧振器。通常,，設(shè)計(jì)濾波器時(shí)不是增加諧振器的級(jí)數(shù)就是引入附加的交叉耦合,，提供一個(gè)準(zhǔn)橢圓函數(shù)特征的濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的指標(biāo),。為了達(dá)到本次設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)微波器件的小型化,，綜合考慮光刻工藝以及高溫超導(dǎo)材料特有的性質(zhì),，本文選用了一種改進(jìn)型SIR型諧振器，如圖2所示,。這種結(jié)構(gòu)不僅采用曲折線(xiàn)的形式來(lái)減小器件尺寸,，而且引入內(nèi)部耦合從而可以有效地抑制諧波，改善濾波器的性能,，還與同等級(jí)數(shù)的切比雪夫原型具有一致的陡峭度,。
?
1.2 濾波器耦合結(jié)構(gòu)的選取
傳統(tǒng)的發(fā)夾線(xiàn)結(jié)構(gòu)又存在電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合,、混合耦合(a)、混合耦合(b)4種耦合方式,，如圖3所示,。
圖3中的電場(chǎng)耦合或磁場(chǎng)耦合通過(guò)適當(dāng)變形容易構(gòu)成橢圓函數(shù)或廣義切比雪夫函數(shù)濾波器，而本設(shè)計(jì)采用切比雪夫函數(shù)原型,，故利用混合耦合方式較為簡(jiǎn)單,。為了進(jìn)一步比較圖3中兩種混合耦合方式，通過(guò)場(chǎng)仿真得到了耦合系數(shù)與兩諧振器間距S的關(guān)系,，如圖4所示,。
從圖4中可得出在相同距離S的情況下，混合耦合(a)結(jié)構(gòu)的耦合系數(shù)大于混合耦合(b)結(jié)構(gòu)的耦合系數(shù),。對(duì)于中心頻率1.8 GHz,，帶寬200 MHz的濾波器采用了混合耦合(a)這種結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)能兼顧較寬的帶寬和較小的體積,。
1.3濾波器的全局電磁仿真
本文利用IE3D等電磁全波仿真軟件,，經(jīng)過(guò)反復(fù)微調(diào)得到最終的濾波器電路圖及頻響曲線(xiàn),如圖5和圖6所示。
由圖6可見(jiàn),，仿真結(jié)果中的帶內(nèi)反射都在22 dB以下,，有較好的帶外抑制度，1.3 GHz處可達(dá)70 dB,。
2 濾波器制作與測(cè)試
本文所選用的材料是厚度為0.5 mm,、介電常數(shù)為23.5的LaAlO3襯底上用磁控濺射法制備而成的雙面氧化物高溫超導(dǎo)薄膜 YBCO,厚度為 400 nm,制作高溫超導(dǎo)濾波器時(shí)采用的是濕法光刻技術(shù)。由于空氣中的 H2O,、CO2等對(duì)超導(dǎo)薄膜的超導(dǎo)性能有所影響 ,而且腐蝕液對(duì)超導(dǎo)薄膜的腐蝕效果也不同于常規(guī)金屬薄膜 ,所以制作以及封裝的過(guò)程中對(duì)環(huán)境的濕度要求很高,。由于高溫超導(dǎo)濾波器的工作環(huán)境是在77 K 的溫度下，YBCO薄膜吸潮后性能會(huì)明顯下降甚至失超,，故要求把濾波器封裝在一個(gè)密閉的屏蔽盒中,。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)高溫超導(dǎo)器件的屏蔽外殼,，并采用銦絲進(jìn)行密封，微波輸入,、輸出采用 M/A-COM公司的 SMA密封接頭,。
在完成對(duì)高溫超導(dǎo)帶通濾波器的封裝后，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 HP8510 對(duì)其進(jìn)行測(cè)試,，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖7,，根據(jù)測(cè)試所得的特性曲線(xiàn)(如圖8)，測(cè)試結(jié)果表明：帶內(nèi)插損最好可以達(dá)到0.12 dB,，這充分證明了利用高溫超導(dǎo)材料所設(shè)計(jì)的濾波器具有極低的插損,，本文的實(shí)驗(yàn)制備方法是可行的，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)研究的目的,。
?
本文采用全波電磁仿真方法,，利用CAD工具，綜合設(shè)計(jì)了高溫超導(dǎo)濾波器,，并進(jìn)行制備,、封裝和測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,。與波導(dǎo)器件和常規(guī)平面電路器件相比,，高溫超導(dǎo)薄膜的采用，使得電子器件具有體積更小,、重量更輕,、帶內(nèi)插損更小和頻率選擇性更高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了器件的小型化和高性能,，對(duì)實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)中電子設(shè)備的小型化,、降低成本和加速小型化通信系統(tǒng)的發(fā)展都起到了非常重要的作用，具有廣泛的應(yīng)用前景,。
參考文獻(xiàn)
[1] ?甘體祓,，吳萬(wàn)春.現(xiàn)代濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]. 北京：科學(xué)出版社，1972.
[2] ?羊愷.高溫超導(dǎo)小型化多曲折線(xiàn)濾波器研制[J]. 科學(xué)通報(bào), 2002,47(18):1378-1380.
[3] ?MANSOUR R. Microwave superconductivity[J]. IEEE Trans ?Micro wave Theory Tech, 2002, 50(3): 750-759.
[4] ?HONG Jia Sheng, LANCASTER M J. Microstrip filters for ?RF/microwave applications[M]. NewYork: JohnWiley&Sons,?USA, 2001,56-71.
[5] ?劉娟秀,，羊愷,，羅正祥，等. 高溫超導(dǎo)薄膜在微波雙工器上的應(yīng)用[J]. 低溫物理學(xué)報(bào), 2005,27(3).
[6] ?GASHINOVA M, GOUBINA M. High-Tc superconducting planar filter with pseudo-chebyshev characteristic[J].
?IEEE Trans Microwave Theory Tech,2003,51(3):792-794.