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1、第28卷 第4期低温物理学报Vol.28,No.42006年11月CH I NESE JOURNAL OF LOW TEMPERATURE PHYSI CSNovember 20063 国家自然科学基金(项目编号:60471001)资助的课题.收稿日期:2006204226;修回日期:2006208210CDMA移动通信用高温超导滤波器的研制3朴云龙 魏 斌 张晓平 梁 尹哲胜 曹必松 高葆新1清华大学物理系,北京 1000841清华大学电子工程系,北京 100084本文提出了一种新型H型环带谐振器,具有结构紧凑,尺寸小,Q值高,非相邻耦合弱等优点.该谐振器在一侧设置了一个开口,改变开口位置,
2、可以在较大范围内改变谐振器谐振频率,并且能够改变基频和二倍谐频之间的频率间隔.对于直连型馈线引入方式,H型环带谐振器容易实现外部Q值的匹配,同时对输入/输出端谐振器的谐振频率影响很小.本文还基于H型环带谐振器,采用2英寸双面YBCO高温超导薄膜设计并制作了用于CDMA移动通信系统的12节高温超导滤波器.该滤波器的中心频率为832MHz,相对带宽为1.6%.在70K温度下的测试结果显示滤波器的带内插入损耗低于0.28 dB,反射损耗优于-15.5 dB,带外抑制约为75 dB,通带低频端带边陡峭度超过30 dB/MHz,高频端带边陡峭度超过20 dB/MHz.关键词:高温超导滤波器,H型环带谐振
3、器PACC:7470V、4280C,7870G1引 言近20年来,高温超导滤波器的研究受到了人们的广泛关注,并取得了长足的发展.随着低温制冷、真空、制膜、光刻等相关配套技术和工艺的迅速发展,高温超导滤波器技术已达到实用化要求,其应用领域也越来越广泛1,2.谐振器是滤波器的基本单元,它的特性直接决定滤波器的性能.目前高温超导滤波器设计中采用的谐振器类型,按长度可分为1/2波长谐振器3、4 和1/4波长谐振器5;按结构分有分布参数型3、4 和集总参数型6.由于1/4波长谐振器接地要求苛刻,而集总参数型结构复杂,除特殊要求外,一般采用分布参数型的1/2波长谐振器来设计滤波器.本文提出的H型环带谐振器
4、属于1/2波长、分布参数型谐振器.滤波器设计中采用的基片主要有LaAlO3、MgO、Al2O3等,其中MgO、Al2O3的均匀性较好,但介电常数相对较低,对于微波低频段,谐振器尺寸将会较大.本文设计的滤波器中心频率在832MHz,频率较低,因此为减小滤波器尺寸选用了介电常数较高的LaAlO3基片.本文根据CDMA移动通信系统的要求,选用H型环带谐振器,在YBCO/LaAl O3薄膜上设计并制作了12节高温超导滤波器,其相对带宽为1.6%.在77K温度下的测试结果显示,该滤波器具有优良性能,并与设计结果符合得很好.2 H型环带谐振器我们针对CDMA系统,在发夹型谐振器7 基础上设计了一种新型的H
5、型环带谐振器,它解决了由于微带线过长而不能充分利用基片有效使用面积的缺点,相比发夹型谐振器更加适合低频段滤波器设计.谐振器整体成“H”形,一侧封闭,另一侧设置了一个开口.H型环带谐振器具有结构更加紧凑、Q值高、非相邻耦合(不直接相邻谐振器之间的耦合)比较弱等优点.通过改变开口位置很容易改变谐振器谐振频率,适用于多种频段的滤波器设计.(1)谐振器开口位置与谐振频率图1(a)为H型环带谐振器的结构示意图,该谐振器在一侧设置了一个开口.开口结构不仅对谐振器耦合方式和强度有重要影响,而且还决定谐振器的谐振频率.在谐振器整体尺寸保持不变的情况下,改变开口位置L可以在很大范围内改变谐振器谐振频率.图1(b
6、)给出了不同开口位置L对应的谐振器谐振频率.从图中可以清楚地看出,当开口位置从谐振器一端向另一端移动时,谐振器谐振频率先是逐渐增大,直至出现极大值,然后再逐渐减小,频率变化幅度超过10%.利用这一特点,针对一定频段,使开口位置偏离极值位置,可以进一步减小谐振器尺寸.在滤波器设计过程中,寄生通带是必须考虑的问题.我们希望尽可能抑制寄生通带,或使寄生通带远离主通带.图1(c)给出了谐振器二倍频寄生通带出现位置与基频通带出现位置的比值随开口位置L变化的曲线,可以看出,其比值在对应谐振频率极大值位置出现极小值.综合图1(b)和图1(c)可以看出,改变H型环带谐振器的开口位置L,不仅能够改变谐振频率,而
7、且还能够在一定范围内改变二倍频通带和基频通带的频率间隔.图1(a)为H形环带谐振器结构示意图,(b)为H型环带谐振器的谐振频率与开口位置L的关系,(c)为二倍频与基频比值随开口位置L变化的关系(2)谐振器耦合特性谐振器的耦合特性对滤波器整体性能是至关重要的,它直接决定是否能够实现性能优良的滤波器.为了使滤波器结构更加紧凑,我们将谐振器排列成平行阵列,并且使相邻谐振器的开口交替地相对、相背,从而实现交替的电耦合和磁耦合.这里,开口相对为电耦合方式,开口相背为磁耦合方式.H环带谐振器的耦合特性如图2所示.图2H形环带谐振器耦合特性实际设计中,对于电耦合,谐振器间距一般在0.81.6 mm范围内,对
8、于磁耦合,谐振器间距一般在1.22.4mm范围内.从图中可以清楚地看出,相比电耦合,磁耦合随谐振器间距的增加衰减缓慢.而且在谐振器间距大于0.8mm时,电、磁耦合变化曲线线性比较好,且在0.82.4mm范围内变化不超过0.02,降低了滤波器性能对谐振器间距变化的敏感度.(3)实现外部Q值的匹配在确定滤波器拓扑结构时,不仅要满足耦合强度的要求,还要同时实现外部Q值的匹配.我们采用馈线直接与输入/输出端谐振器相接的引入方式,使馈线沿谐振器长度方向移动,并计算出对应的外部Q值,从而确定最佳馈线引入位置.图3(a)给出了馈线引入位置d与谐振器高度h比值不同时,外部Q值的变化情况.通过直接与谐振器相接的
9、方式引入馈线后,馈线与输入/输出端谐振器整体响应曲线的峰值将偏离原来的谐振器谐振频率,如果偏差太大,则需要对谐振器进行进一步优化.图3(b)给出了馈线引入前后输入/输出端谐振器谐振频率的偏移情况,实线为没有与馈线相接时单个谐振器的响应曲线,峰值f01对应谐振器谐振频率,虚线为与馈线相接后的响应,峰值为f02.最终优化结果,相对偏移量仅为 f1=f02-f01=-0.2MHz.这一结果充分说明,H型环带谐振器容易实现外部Q值匹配,且受馈线影响比较小.223低 温 物 理 学 报第28卷图3(a)为外部Q值随比值d/h的变化情况,(b)为馈线引入前后输入/输出端谐振器响应曲线最终设计结果,滤波器的
10、外部Q值为Qe实=54.73,与理论值Qe理=54.62偏差很小.如果实际外部Q值偏离理论值很远,将严重影响滤波器性能.从图3(a)可以看出,与最佳外部Q值对应的馈线引入位置基本上在谐振器半高位置,这一点便于以后的封装.表1给出了外部Q值的变动对S11参数的影响.可见,外部Q值偏离理想值越大,带内反射损耗越差,这也充分说明实现外部Q值的匹配对确保滤波器整体性能的重要性.表1 外部Q值对S11特性的影响外部Q值148.6484.9164.0054.7349.5139.59S11/dB-1.9-5.9-11.4-17.7-13.9-8.03高温超导滤波器性能测试与分析我们在YBCO/LaAlO3薄
11、膜上制备了由H型环带谐振器组成的高温超导滤波器,尺寸为38.6025.800.52mm3.采用Agilent 8720ES矢量网络分析仪对滤波器进行了测试.图4给出了70K温度下的测试结果和计算机仿真结果,图中实线为滤波器测试结果,虚线为计算机仿真结果.测试结果显示滤波器带内插损低于0.28dB,反射损耗优于-15.5dB,带外抑制达到了75dB,在低频端和高频端滤波器的带边陡峭度分别达到30dB/MHz和20dB/MHz,滤波器整体显示出优良的性能.测试结果还显示,3dB带宽为13.2MHz,与设计结果相符.中心频率为831.9 MHz,相比设计结果向低频端偏移了0.5MHz.这主要由基片实
12、际介电常数与设计时设定值的偏差造成.图5给出了基片介电常数改变 0.1时,计算机模拟的滤波器通带偏移情况.可以看出介电常数增大,通带向低频段偏移,介电常数减小,通带向高频段偏移.图4 测试结果与设计结果的比较图5 中心频率随基片介电常数的变化改变4结 论本文提出了一种新型H型环带谐振器,该谐振器具有结构紧凑、尺寸小、Q值高、非相邻耦合弱等优点.H型环带谐振器一侧封闭,一侧设有开口,改变开口位置时,谐振器谐振频率可以在很大范围内323第4期朴云龙等:CDMA移动通信用高温超导滤波器的研制变化,并出现极大值.二倍谐频与基频的比值也随开口位置的改变发生变化,且在谐振器谐振频率出现极大值时,二倍谐频与
13、基频比值出现极小值.因此,调节开口位置,使其偏离极值位置,可以同时达到减小谐振器尺寸和使寄生频带远离通带的效果.同时,H型环带谐振器容易实现外部Q值的匹配,且受馈线影响比较小.本文采用H型环带谐振器制作了一个用于CDMA移动通信系统的12节高温超导滤波器,其中心频率为832MHz,相对带宽为1.6%.在70K温度下的测试结果表明,滤波器在带内插入损耗、反射损耗、带外抑制等方面具有优良性能.1YuanzhiLi,Michael J.Lancaster,Frederick Huang,2003 IEEEMTT2SDigest,551.2 Guoyong Zhang,Michael J.Lancas
14、ter,Frederick Huang,2004IEEEMTT2SDigest,1117.3GenichiTsuzuki,ShenYe,andStuartBerkowitz,IEEETransactions on applied superconductivity,13(2003),261.4 Hong,J.2S,McErlean,E.P.,Karyamapudi,B,Microwaves,Antennas and Propagation,IEE Proceedings,151(2004),491.5 Guoyong Zhang,Michael J.Lancaster,and Frederic
15、k Huang,IEEETransactionson m icrowavetheoryandtechniques,54(2006),559.6 Jiafeng Zhou,M.J.Lancaster,Huang.F,3(2003),1889.7 Marina S.Gashinova,Maria N.Goubina,Guoyong Zhang,IgorA.Kolmakov,Yaroslav A.Kolmakov,andIrina B.Vendik,IEEETransactionson m icrowavetheoryandtechniques,51(2003),792.8 Randy W.Simo
16、n,Robert B.Hammond,Stuart J.Berkowitz,BalamA.W illemsen,ProceedingsoftheIEEE,92(2004),1585.9 BalarnA.W illenisen,IEEETransactionsonappliedsuperconductivity,11(2001),60.10H.R.Yi,Stephen K.Remillard and Amr Abdelmonem,IEEETransactionsonm icrowavetheoryandtechniques,51(2003),2290.11B.Wei,X.P.Zhang,K.Li
17、u,et al.,Physica C.386(2003),551.12 张国勇等,低温物理学报,25(2003),57.13 何文俊等,低温物理学报,25(2003),105.AN HTS FI LTER SUBSYSTE M FOR CDMA SYSTE MPiao Yun2LongWeiBinLiang YongZHang Xiao2PingYin ZHe2SHengCao Bi2SongGao Bao2Xin1Department of Physics,Tsinghua University,Beijing1000841Department of Electrical Engineeri
18、ng,Tsinghua University,Beijing,100084(Received 26 April,2006;Revised manuscript received 10 August,2006)In this paper,we presented a novelH2type resonator which has an open gap in its side.Theresonator shows its characterof the compact size,higherQ2factor,and weaker nonadjacent coupling.Theresonance
19、 frequency can be easy changed by changing the position of the gap in a large scope to meet therequirement in different frequency band need,and easy to carry out for adjusting the space between mainresonate frequency and second har monic.The direct connection method was used for the feed line,it isc
20、onvenient to match the externalQfactor with sufficiently input/output of resonance frequency.A 122pole HTS band2pass Filter with a 1.6%fractional bandwidth at 832 MHz was designed and fabricatedusing H2type resonator for CDMA mobile communication system.The measurement showed an excellentperformance
21、 at 70K and agreementswith the simulation prediction.The filter exhibits less than 0.28 dBinsertion loss,15.5 dB the return loss and a higher than 75 dB out2of2band rejection.Furthermore,theskirt slopesmore than 20 dB/Mhz in the high frequency end was obtained.Key word:HTS filter,H2type resonatorPACC:7470V,4280C,7870G423低 温 物 理 学 报第28卷