（通信与信息系统专业论文）超导滤波器的设计及实验.pdf

ab s t r a c t wit h t h e d e v e l o p m e n t o f w ir e l e s s c o m m u n i c a t i o n s , t h e p e r f o r m a n c e o f t h e w ir e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m h a s t o b e i m p r o v e d . h ig h q u a l it y f i l t e r p l a y s a n i m p o rt a n t r o le i n t h e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m , i t i s i d e a l f o r e x p a n d i n g c o v e r a g e a n d c a p a c it y , r e d u c i n g i n t e r f e r e n c e o f o u t b a n d s i g n a l s , a n d e n h a n c i n g t h e p e r f o r m a n c e o f w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k . t h e t h e s i s a n a l y z e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f h t s m i c r o w a v e f i lt e r , a n d i n t r o d u c e s t h e d e v e l o p m e n t a n d t h e a p p l i c a t i o n s i n t h e m i c r o w a v e c o m m u n i c a t io n o f hig h t e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t 吨 ( h t s ) t h i n f il m s f il t e r . d e s i g n p r o c e d u r e s o f s u p e r c o n d u c t i n g fi lt e r s h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d u s i n g t h e t r a d i t i o n a l t e c h n i q u e , c a d a s s i s t a n t t e c h n i q u e , a n d t h e m e t h o d o f c o m p a c t d e s ig n . a l s o t h e e x p e r i m e n t s f o r t h e i m p l e m e n t e d o f h t s b p f d e s i g n p r o j e c t h a v e b e e n ma d e a n d s o me r e s u l t s h a v e b e e n a c h i e v e d k e y w o r d s : h i g h t e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t o r ( h t s ) , b a n d p a s s f i lt e r 仍p f ) , mi n i a t u r i z a t i o n , mo b i l e c o m m u n i c a t i o n s 南开大学硕士研究生学位论文 第一章前 言 第一章前言 第一节 通信中遇到的问题 在当今科技高度发展的社会里，人们对信息的获取和交流的需求急剧增长， 使得现代通信的业务迅猛发展。 人们除了 对服务的内容有更高的需求， 还对通信 的方式和质量提出更高要求， 涉及的通信内容不单是模拟的语音信息， 还包括数 字 信息， 数 字 信息又 包 括语 音、 数 据和图 像 信息， 这给 无 线 通 信的 发 展带 来无限 机遇。然而，移动通信在技术上却受到容量和抗干扰等方面的巨大挑战: ( 1 ) 容量问 题 近几年，我国移动通信超常规高速发展，移动电话的用户数每年以 1 0 0 %的 速度增长， 1 9 9 7 年7 月1 7日 移动用户数为1 0 0 0 万户， 1 9 9 8 年8 月1 8 日 移动用 户数为2 0 0 0 万户，1 9 9 9 年6 月 底移动用户数为3 3 8 3 万户【 1 。 在运营商频率扩 展几乎不可能的情况下，需在有限的频率资源下，能既经济又有效的扩容。 ( 2 ) 搜盖缝隙问 题 在早期建设的网络系统中，是以 蜂窝电 话( 手机) 的发射功率为 3 -5 w 设计 的，而随着技术的发展，现在的手机更小、更轻，典型发射功率仅为约0 . 6 w左 右。 这种由大功率手机向小功率手机的转变， 使原蜂窝网络出现覆盖缝隙， 也就 是说某些区域的b t s 将接收不到用户的信号，使得用户得不到服务。 ( 3 ) 信号干扰问 题 在一些 业务量很大的区 域( 热点区域 ) ， 在频谱资 源 有限的 情况下， 解决的方 法之一是采用小区分裂， 即将小区半径减小通过增加新基站来增加系统容量。 但 是，当站间距离太近时， 将导致同频干扰及邻道干扰增大。 此外， 一些运营商一 方面为了节约网络投资和运营维护成本， 另一方面在城内合适的站地选取也己 越 来越困难，因此在建设新网络时，采取同址设基站， 这也使干扰增加。 南开大学硕士研究生学位论文 第二章 滤波器原理 第二章滤波器基本原理 第一节概 述 微波滤波器现在己成为一种十分重要的微波元件， 种类繁多。 其按照所用传 输线的类型来分， 可以分成波导滤波器、 同 轴滤波器、 带状线滤波器、 微带滤波 器和介质滤波器等等; 按照滤波器的原型来分， 有集总参数模型和分布参数模型 两大类。由于微波滤波器， 其工作频率极高 ( 通常在k iv i h z 以 上) ，因 此就不能 再用集中参数的电感与电容元件组成，而应采用半集中参数结构或分布参数结 构。 对于微波滤波器，通常有以下几个主要技术指标: 1 .频率范围。即滤波器通过或截断信号的频率界限.如图 ( 2 -i )所示，图中的 曲线为滤波器衰减的频响特性， 左边为低通滤波器，右边为带通滤波器。 其 中 低通滤波器的为和带通滤波器的f , 和f 2 ， 称为截止频率或边界 频率， 为 滤 波器通带和阻带的界限。 . 图中f o 为带通滤波器的中心频率。 1 衰城 b 十 一 、户 一 一 一 t i s l 1 2 r 图 ( z - 1 ) 低通和带通泥波器衰减的频应特性 z .通 带衰 减 弥 ( d b ) ， 一般 指 通带内 最 大 插入 衰 减。由 滤 波器 反射以 及 滤 波 器 元件的损耗所引起，一般是越小越好。 3 .阻带衰减，或称通带外衰减。一般希望尽可能大，并希望在通带范围外，衰 减值能陡峭地上升。 4 .寄生通带。由于分布参数的传输线段频率响应的周期性所引起，结果使得在 离开设计通带一定距离处又产生了通带，即称寄生通带。 s .群延时特性。当微波滤波器作为延时网络时必须加以考虑。 在设计滤波器时， 一般先要进行频率变换， 即把给定的插入衰减频率特性曲 线变换成原型低通滤波器的插入衰减特性曲 线， 然后计算出滤波器的阶数， 根据 阶数求出网络结构，最后根据原型低通滤波器的设计表格来求出各元件的真实 值。 南开大学硕士研究生学位论文 第二章 滤波器原理 第二节原型低通滤波器 对于原型低通滤波器的设计， 通常用归一化频率。( 。 =。 / 。 。 )代替真实 频率。， 然后根据这个特性进行网络综合，得 到的滤波器被称为原型低通滤波器。原型低通 滤波器是滤波器设计的主要依据。通常用的原 型低通滤波器主要有巴 特沃兹 ( 最大平坦)原 型滤波器、契比雪夫 ( 等波纹)原型滤波器和 椭圆函数原型滤波器。 ( 1 ) 巴特沃兹原型低通滤波器的带内插入衰减 为: ll db ) l ， 二 1 0 l g ( i + k 2 f 2 , z ) d b 在 通 带 外 。 = 。 ， 处 的 带 外 插 入 衰 减 为 l , = 1 0 1g ( 1 + k d , 2 ) d b 图2 - 2最平滑式插入衰减效率特性 当 l p气、 人 、 气 四 个 参 数 给 定 时 ， k 和 。 两 个 参 数 也 就 确 定 了 ， 插 入 衰 减频率特性完全确定。 然后利用网络综合法确定低通滤波器的网络结构和元件数 值。 巴特沃兹滤波器有很好的相位特性， 较低的带内插损，带内损耗起伏小。 但 是，其过渡带损耗变化较平缓，这使得它不适于作微波电路的原型设计。 ( 2 )切比雪夫原型低通滤波器的插入衰减 l = 1 0 1g ( 1 + k 2 叮( 卿) d b 上式中t n ( 4 ) 为契比 雪夫多 项式。 图( 2 .2 - 3 ) 为n = 2 和n = 3 两种情况下的 插入衰减。可见，在n 为奇数时，曲线过零点;如果n 为偶数，曲线不过零点。 于 i d s ) l f d 3 ) .叫尸 勺.口口 日 . . l a- . _ -_一_ n一2 日一3 fll.ll ，r t一 一 万 lc ， ) -. f0 r i l 1 i ， 月 山一 众 ，0 图2 - 3切比二夫擂入衰减预率特性 南开大学硕士研究生学位论文 第二章 滤波器原理 切比 雪夫 原 型 虽 然 在 通带内 有起伏， 但是 它的 起 伏是 控制 在 环以 内 ， 而且 其过渡带要比巴特沃兹原型要陡峭的多. 因 此， 切比 雪夫原型滤波器经常在微波滤波器u a s i 一 ， 典 ”“扮“ 设计中用到. ( 3 )椭圆原型滤波器 插入衰减特性为 : = l o ig 卜 十 二 c . (. ) d b 椭圆滤波器不仅在通带内出现等波纹 变化， 而且在阻带内也有等波纹变化， 从而 使得其通带到阻带的过渡带变化非常陡峭。 扮 蓄 .月/ o u , n , c , 一 .0 . q , c一一。 图i - a楠圆原型滤波器频率特性 对于综合设计原型低通滤波器，首先要确定滤波器的阶数n 。通过插入衰减 特性表及其带外衰减的性能要求，可以确定阶数n 。当n 确定后，原型低通滤波 器的网络结构就确定了， 而原型低通滤波器的各参数则可以通过查表或者通过计 算机计算获得。 南开大学硕士研究生学位论文 第二章 滤波器原理 第三节微波带通滤波器的频率变换 右图为带通滤波器的插入衰减频率特性曲 线。借助频率变换函数，可以把它变成原型滤波 器的插入衰减频率特性曲线。常用的频率变换函 数有下面的两种: 第一种: 、 之 _ _ : . 一 + 式瑞户节户亩节了一. 。= 一 里 匕- 仍2 一叭 阵一 1 o)o-i 一 i ( co 一 co o i w o口夕 w又 c o o口) 一侧二 士 一il 1 4 . -110 3 图2 -5 带通滤波器的频率变换原理 式中。 2 1。， 为带通滤波器的截止频率， 心频率，w 为相对带宽，即 (0 o = j w 口 2;w= 当 。二 c j 2 。 ， 时，对应的0分别为 。 ，一1 , 1 ,。 : ，其中 如图 ( 2 -5 )所示的横坐标用。 表示，即得原型滤波器的 插入衰减频率特性。 第二种 - 竺叭 2-牙 - 。 = 2 coa 二 一 1 口2 一w, 又 似。 上是中。 。 为中心频率，w为相对带宽，它们分别为: i ，、 ， ， ， a ) ， 一 a) , w o =蔺 l 叭 十 c o t ): y r= 叽 当 。 一 。 。 ， () 1 , (o 2 1 。 ， 时 ， 对 应 的 。 分 别 为 。 ， 一 1 , 1 , 。 _ = 三 厂 兰- l 1 e w l q ) p ) 当横坐标用。 表示时，也可得到原型滤波器的插入衰减频率特性。 两种频率变换可以任意选用，但是两种变换函数给出的q : 是不一样的。对 于窄带微波带通滤波器来说，一般选用第二种频率变换公式。 南开大学硕士研究生学位论文 第二章 滤波器原理 第四节倒置变换器及变形原型滤波器 通过原型低通滤波器得到的带通滤波器中的各个元件值都是归一化的， 利用 等插入衰减条件与频率变换函数可以求出这些元件的数值。 但是这种网络在微波 波段较难实现，因为串联支路和并联支路都是谐振电 路。 在实际带通滤波器中， 常利用阻抗倒置变换器或导纳倒置变换器使串联支路消除只保留并联支路， 或者 反过来消除并联支路， 只保留串联支路。 带有倒置变换器的原型滤波器称为变形 原型滤波器。带通滤波器元件数值是由变形原型滤波器导出的。 一、倒置变换器 倒置变换器分为阻抗倒置变换器和导纳倒置变换器。 图( 2 -6 ) 是倒置变换 器的原理图， 图中k . j 为常数， z , , y , 为负载导纳， z in , y in 为 输入阻抗和导纳。 如果 ，1 2二， ， 1 2 乙 ， 一 z 9 cl了 沂 “ 万 则这种四端网络称为阻抗或导纳倒置变换器， 其中k为变换器的特性阻抗， j 称 为变换器的 特性导纳。 倒置变换器在滤波器中获得广泛的应用。 通过倒置变换器， 我们就可以原型滤波器变形， 从而得到只有串联结构或者是并联结构的变形原型 滤波器。 a1 ( b ) ( a ) ir 扰倒f变 换11 ( b ) 导纳侧$ t k 图2 - 6倒里变换器 二、倒置变换器的实现方法 倒置变换器有多种实现的方法， 在这里讨论下面设计滤波器所用到的一种方 法: 终端开路的平行祸合线节与倒置变换器及传输线等效。 下图 ( a ) 为倒置变 换器，两端接电长度为中的传输线。图 ( b )为平行祸合线节，奇偶模阻抗分别 为z . 及z。令图 a )的常数矩阵等于图 ( b )的常数矩阵，则可以得到下面的 等效条件: 11 +(4 f+c o 21 !1一yo)+l o f 卜. .门 : 二2 . 卜 .叫 卜 一-月 毛七 ， 图2 -7 ( a ) 倒2变换鉴( b )平行拐合节 南开大学硕士研究生学位论文 第二章 论波册原理 综上所述，当微波带通滤波器的插入衰减频率特性给定后，首先用频率变换 函数把带通滤波器的插入衰减曲 线变换成低通原型的插入衰减曲线， 并用一般方 法确定元件的9 参数。 然后用变形原型滤波器代替原型滤波器， 也就是带有阻抗 倒置变换器的原型滤波器或带有导纳倒置变换器的原型滤波器。 虽然微波滤波器 的种类繁多， 但就基本原理来说，大多数是从上述两种原型滤波器蜕变而来。 南开大学硕士研究生学位论文 第三章 高温超导涟波器设计 第三章 高温超导滤波器设计 第一节滤波器一般设计过程 、带通滤波器设计 ( 1 )性能要求 要设计一个滤波器首先要确定设计的滤波器的中心频率，带宽，插入损耗等 性能要求。 我设计的滤波器的频段是属于无线通信的专用频段， 其性能指标要求 是: 频率f . 8 . 5 - - 8 . 7 5 g h z 插入损耗 6 0 d b ( 2 )确定滤波器类型: 滤波器类型有微带滤波器、带状线滤波器、介质滤波器、波导滤波器和表面 波滤波器等等。 因为微带结构简单， 便于用超导薄膜制作， 所以我们选用的是微 带。 ( 3 )确定滤波器的结构。 滤波器的结构有:梳状结构、发针结构、平行祸合结构等等 初期我设计的是平行藕合微带线式带通滤波器，如下图 j ! 川l 图 3 一 ( 4 )选择设计的方法 如上所述， 滤 波器的设计方法有 最大 平 坦法( b u tt e r w o rt h p r o t o t y p e ) 、 切比 雪 夫 法 ( t c h e b y s h iv p r o t o t y p e ) 或者 准椭圆 滤 波 器 等 等。 因为设计是带通滤波器，按照切比雪夫原型设计出的带通滤波器虽然在通带 内衰减的变化有起伏波纹，但不超过预先给定值: 而在此条件下， 可得到相当陡 峭的带外衰减特性。 因此我们选用的是切比雪夫原型， 因为要求的插入衰减要小 于0 . 5 d b ，因此纹波常数取o .o l d b进行设计 ( 5 )确定衬底、超导膜厚度等 超导 薄膜可以 使 用的 衬底为l a a 1 0 3 . m 9 0和蓝宝石等等， 其各有优缺点。 对于l a a 1 0 3 ， 其介电 常数大， 常温下约2 4 ， 而m g o和蓝宝石的 介电 常数都在 1 0 左右，因此以l a a l o ，为介质的制作的滤波器很小，有利于器件的小型化。 而且， 我们在l a a l 0 3 衬底上制作t i 系超导薄膜的经验丰富， 可以制作出很 好的t i 系超导薄膜。因此， 我选用l a a 1 0 3 衬底进行滤波器设计， 其介质常数在 常温下为2 4 ( 3 0 0 k ) ，在液氮温度下约2 3 . 6 ( 7 7 k ) ; 超导薄膜使用t 1 - 2 2 1 2 双面 薄膜，其临界转变温度t 。 在 1 0 0 k - 1 0 7 k之间，薄膜厚度为5 0 0 n m o 南开大学硕士研究生学位论文 第三章 高温超导滤波器设计 ( 6 )平行藕合滤波器的数值计算 我们己知设计的滤波器的相关参数为; 厂= 8 . 5 g h z 人= 8 . 7 5 g h z b w= 人一 f二 2 5 0 m h z 衰减值在9 g h z 时大于6 0 d b 带内纹波为o . 1 d b 微带 线的 特性阻 抗为z o 二 5 0 5 2 介 质l a a l 0 3 的 相 对介电 常 数s , = 2 3 .6 ( 7 7 k下) ， 其厚 度为0 .5 m m 超导 薄 膜的 厚 度t = 0 .5 u m 1 )首先根据带通滤波器和低通滤波器之间的频率对应关系，求出带通滤波器中 心频率所对应的低通原型滤波器的频率口，由低通原型滤波器的衰减频率特性 曲线，查出滤波器所需的节数n . 根据低通原型滤波器和带通滤波器的变换关系， 我们可以得到低通原型和带 通之间的近似线性频率变换关系为: 黑 = 县 二 ) w , p r又 叭 其中 bw .f o 2 互 旦 8 62 5 -0 . 0 2 9=2 . 9 % to = 2 ) r x 9 x 1 0 - , co o = 2 ; r x 8 .6 2 5 x 1 0 代入，可得: 内j 篇 、lles夕了 m , - 止 匕 厂 、0 . 0 2 9 l 1 9一8 . 6 2 5 8 . 6 2 5 查切比 雪夫特性滤波器的 通用衰减曲 线图 ( 见附录一) ， 此时 l r = 0 .0 1 d b ， 对 应于l r =2 6 d b ，可知满足滤波器性能要求的阶数为n =7 2 )根据节数及衰减波纹值，查表( 见附 录二) 得下列低通原型参量 9 i = 0 . 7 9 6 9 , g 2 = 1 .3 9 2 4 , g 3 = 1 .7 4 8 1 , g , = 1 .6 8 3 3 s s = 1 .7 4 8 1 , g 6 = 1 .3 9 2 4 , 9 7 = 0 . 7 9 6 9 , g x = 1 .0 0 0 0 3 ) 根据公 式计算各 个导纳倒置 转换参量j 由设计公式 南开大学硕士研究生学位论文 第三章 高温超导滤波器设计 j o, 篇 j .- 1 二 厂 ir 2 88 . , 7 r w 1 “ 2 w . 9 19 1.- ( j 从 1 到 n 一 1 ) yo鱼几 可得: 0 . 0 2 9 ; r 胃0 . 2 3 9 2xi x0 . 7 9 6 9 0 . 0 2 9 1 r 一 一 一 匕 一一 0 .0 4 2 0 . 7 9 6 9 x 1 . 3 9 2 4 0 . 0 2 9 1 r y o j 1 .a y . 守 97 9 丁 1 8 18 4 - 一 一石匕一一二 0 .0 2 9 1 .3 9 2 4 x 1 .7 4 8 1 鱼yo鱼几气 0 . 0 2 9 ) r 2 一 一生一一二 0 .0 2 6 1 .7 4 8 1 x 1 .6 8 3 3 j 4 .5 = )r w . 1 = 丛 留0 . 0 2 6 七0 . 0 2 9 留0 . 0 4 2 翻0 . 2 3 9 凡气一yo鱼yo石一yo 一-一- 1一俪1一俪1一俪 斌丝丫丝丫丝丫 yo丛凡丛yo丛yo . 3 ) 根据下式 一 yo 1+ u +c u j= 一 1yo一 yo +(o )= 我们可求得平行祸合滤波器的奇偶特性参数 1zo.oi = yo 11+ yu f +i yo = 501,一.2392= 64.8!q (z 。，。】=-i(z.)o, = y. 11一 j (:l )21.i i olyo yo = 501-0.239一=40.9n 南开大学硕士研究生学位论文 第三章 高温超导滤波器设计 5 0 1 + 0 .0 4 2 十 。 .0 4 2 2 1 = 5 2 .2 5 2 = 5 0 11 一 。 .0 4 2 + 0 .0 4 2 2 一 4 8 .0 5 2 (z0(z0 ( z . ) . 二 != 501。029一” 二 51.552 ( z o . ) 二 =5 0 1 一 。 .0 2 9 + 0 .0 2 9 = 4 8 .6 0 ( z . . ) . ( z o o ) . 5 0 1 + 0 .0 2 9 + 0 .0 2 9 2 1 = 5 1 .3 0 5 0 1 一 。 .0 2 9 十 。 .0 2 9 1 = 4 8 .7 0 ( z - a l = ( z . ) 2 4 (z 0. )56 = ( z 0 . ) 二 ( z o . ) 6 r = ( z o . ) 12 (z-.), ) , : 二 ( z . , ) . , ( z o o ) s s = ( z o a ) . ( z . . ) -6 = ( z . ) . ( z . ) . = ( z . 2 ( z - a . 二 ( z j o i 5 )根据上述得奇偶模特性阻抗值，通过软件l in e c a lc 进行近似计算可得 叽t = 0 . 1 4 3 m m s o , = 0 . 3 3 1 m m 峨: = 0 . 1 6 8 m m况 : = 1 .3 1 5 m m 叽 = 0 . 1 6 9 m m又 : = 1 .6 6 8 m m w 3 , 二 0 . 1 6 9 m m又 : = 1 . 7 8 4 m m 其余部分则和上述参量对称 6 )计算每段祸合线长度 计算长度时，应考虑祸合线的相速度，并由于微带线的两端具有终端效应而 必须切去i l ，根据前面所讲的微带线终端效应的修正长度曲线，对所有的微带 线进行修正。 由 于 微带线工作于非均匀介质情况， 其奇、 偶 模相速不等( 或奇、 偶模的e , 不 等) . 其 平 均 相速 可根 据有效介电 常数瓦 进 行计 算。 在 工 程设 计 上为了 简便 起见 ， 往往仅取与祸合线中的单根线相应的相速作为平均相速来计算线的每一部分的 长度，然后扣去修正长度。在软件 l i n e c a l e中，根据给出奇偶模特性阻抗值， 电长度，特性阻抗，中心频率，以及相关的介质 l a a 1 0 3 的常数，就可以算出各 微带段的长度为: 南开大学硕士研究生学位论文 第三章 高温超导滤波器设计 1 0 1 = 气= 2 .2 9 4 m m 1 12 = 肠= 2 .2 5 8 m m 几= 气= 2 .2 5 6 m m 坛= 几= 2 .2 5 5 m m 通过计算修正的长度约为o . l m m 则各微带段的长度为: 1 u 1 = 1 , : 二 2 . 1 9 4 m m 叭 : = 与二 2 . 1 5 8 m m 几= 人 = 2 . 1 5 6 m m 坛= 几= 2 . 1 5 5 m m ( 7 )软件模拟的结果 根据上面设计的参数，在软件中进行模拟优化， 得到s 参数图为: s i ts 2 i 0 .0-0 5 。-10诩-30劫-50-60朋 一山p5 ， - 8 0 - 9 0 十一了 一 r 一州 分 尸 8 . 2 8 . 3 8 . 4 8 . 5 8 . 6 8 了 f r e q u e n c y ( g f t) 图 3 一 中心频率为:8 . 6 2 5 g h z 最大插入损耗为: 0 .9 d b -3 d b带宽为:2 7 0 mh z -3 d b相对带宽为:3 . 1 3 % -6 0 d b带宽为:5 7 0 mh z -6 0 d b相对带宽为:6 . 6 1 % 8 . 8 8 习9 . 0 8 . 2 8 . 4 8 . e 9 s 9 . 0 25参数图 南开大学硕士研究生学位论文 第四章实验及测试 第四章实验及测试 第一节实验用滤波器设计 当完成超导滤波器的设计后，下面就是如何制作出所需性能的带通滤波器。 但是，由于我们缺乏在超导薄膜上制作滤波器的经验， 对超导滤波器的制作 工艺还不了解， 因此需要首先进行实验从而掌握其制作工艺。 而大面积的双面超 导薄膜制作成本较贵，因此首先我们需要在较小基片上进行滤波器制作的实验， 待掌握了整个制作工艺后再在大片的基片上进行实用滤波器的制作。 通过综合考虑， 我选用了 尺寸为l o m m x l o m m ， 厚度为0 . s m m的l a a l伪 基片。因为基片只有l o m m x l o m m ，而在前面我所设计的 微带滤波器都超过了 它的尺寸， 无法在此基片上制作。 因此， 有必要设计一个小型的简单滤波器， 以 便掌握整个超导滤波器的制作工艺。 在上面我所介绍的滤波器中，平行祸合结构的带通滤波器是最容易设计的， 而且其结构非常简单， 因此我选用了设计平行祸合结构的带通滤波器。 通过设计 发现， 在l o m m x l o m m的 基片上， 最多只能设计3 阶的 平行祸合结构的滤波器， 如下: f一1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8. 680 日 呀 一 一一 一 . 叫 图4 - 1三阶平行辐合带通泥波器原理图和版图 再加上一段传输线，用于滤波器和 s ma接头的连接，设计完的原理图和版 图如下: o- 荟飞 葬 豪一一.- 图4 - 2三阶平行拐合带通滤波器原理图和版图 南开大学硕士研究生学位论文 第四章实验及测试 f o r w a r d t r a n s m is s io n , 田 寸2右: z/ 0-1d诩司初 产沪1刊沉召 尸.p讨盯u 司初 . 7 0 网勺 v v、口口口口.m m m口 匕 nb l 比匕 b加比m匕n a切 f r e 月. g f i z 图4 -3 三阶平行藕合带通滤波器的s 参数图 由于使用 s m a接头， 其内径尺寸为 0 . 5 m m ， 而5 0 欧姆的 传输线在l a a l 0 3 基 片上的宽度只有 0 . 1 7 6 m m 。为此，我做了 一个阻抗变换过渡带。过渡长度为2 m mo 见图4 -4 . t 口月 . . . . . 图4 -4 三阶平行藕合带通涟波器的5 参数图 南开大学硕士研究生学位论文 第四章实验及测试 第四节薄膜制作的工艺流程 为了比 较常规金属b p f 和超导b p f 性能的差异，制作了银和超导两种材料 的带通滤波器。 一、银双面薄膜的制作 银金属薄膜可用磁控溅射或是银蒸发的方法制作， 一般我们用磁控溅射的方 法。在真空室中充入高纯a r 气， 溅射电 流为3 5 m a ,溅射速率为6 0 n m / s ,溅射 时控制的真空度为1 .6 p a 左右。 由于银的趋肤深度为 .0 .0 6 4 1 ” 二 - j 其穿透深度在 8 . 5 g h z下约为 0 . 7 u m ，即 7 0 0 n m。因此，我选取银微带的厚 度为9 0 0 n m ，即在溅射台上溅射1 5 n i n . 在制作银金属薄膜时要注意以下两点: ( 1 )基片的清洗 在溅射或者是蒸发银之前， 要用丙酮和乙醇交替多次在超声波下反复清 洗基片，使基片尽可能的干净:并且，在溅射和蒸发的过程中，要尽量减少 基片在空气中暴露的时间。若是基片表面落上了灰尘或者没有清洗干净，则 有可能降低银在基片上的附着力，从而影响后期微带的制作质量。 ( 2 )银薄膜的溅射 在溅射过程中，由于离子对l a a 1 0 3 基片的持续轰击， 基片处于逐渐加 热过程中。由于基片与银金属的热膨胀系数相差较大 ( 银为1 1 x 1 0 - 6 m / *c , l a a lo ， 为1 6 x 1 0 - 6 m / c ) ， 在 加 热过 程中 由 于 热 膨胀的 尺 度不同 ， 极 可 能 使 银薄膜从基片上脱落下来。因此，每次溅射的时间不能超过5 分钟， 两次溅 射的间隔约为5 -1 0 分钟。 这样， 溅射9 0 0 n m的银薄膜就需要分三次进行溅 射。把正反两面都溅射上银金属薄膜后，就可以进行光刻了。 二、超导双面薄膜的制作 对于高温超导薄膜， 我们是采用磁控溅射和后退火的方法 6 进行制备， 薄膜 的成分是t i2 b a 2 c a c u 2 o , 。制作过程如下: ( ， )基片的清洗 清洗的过程同上 ( 2 )溅射先驱模 采用磁控溅射的方法，在 l a a 1 0 3 ( 0 0 1 ) 衬底上溅射上非晶先驱膜， 溅射气氛 为 氧与t( a r : 0 2 = 4 : l ) 的混合气沐。先驱膜的厚度控制为5 0 0 n m e 南开大学硕士研究生学位论文 第四章实验及测试 3 )后退火处理 为了得到超导外延薄膜， 我们需要采用后退火处理的方法进行制备。即把先 驱膜连同含适量t 1 2 0 3 的块材一起封入氧化铝柑塌内， 然后将柑塌置于管式炉中。 在流动 o : 气氛中以 8 2 0 c - 8 5 0 的温度进行退火处理，退火时间一般为3 0 - 6 0 分钟。然后自然降温，即可生成t 1 -2 2 1 2 超导外延薄膜。 用电感法测试其转变温度t c 约1 0 7 k . 由于薄膜的高温退火和降温都是在氧气氛中进行的，所以可以认为生成的 t 12 2 1 2 超导薄膜是富氧的。我们在较低温度下在纯a r 中再对薄膜进行热处理， 以减少薄膜的氧含量，将可以使超导转变温度t c 得到提高。 南开大学硕士研究生学位论文 第四章实验及测试 第五节光刻技术 光刻是一种照象与刻蚀的综合技术。 光刻的目的就是在被加工物的表面上刻 出与掩模完全一致的图形。 一、原理 下图表示了光刻工艺的重要过程。下面我们就结合这个工艺过程图，说明光 刻工艺的基本原理。 薄旗。 感光狡埃 基片， ( 1 )扮洁处理 ( 8)前供 ( 4).光( 肠 )胜形 ( 8 )至裘( 了)度魄 ( a )去旅 图4 一7光刻工艺过程 ( 1 ) 清洁处理。 经过清洁处理得到清洁干燥的表面， 目的是让感光胶与薄膜表面 有很好的粘附。 ( 2 )涂敷光刻胶。在薄膜上均匀的涂上一层感光胶。 ( 3 )前烘。使感光胶干燥。 ( 4 )曝光。将掩模放在具有感光胶的硅片上，用紫外光照射。这样在受到光照 的地方，感光胶发生光化学反应，从而改变了感光部分胶的性质。 ( 5 )显影。把曝光后的片子放在显影溶剂中.曝光的地方由于感光胶发生了化 学反应而变得不溶于有机溶剂( 对于负性抗蚀剂而言 ) ， 其它没曝光的地方则被显 影溶剂溶掉。 ( 6 )坚膜。由于显影时感光的胶膜被泡软，为了使留下来的胶膜进一步变硬以 及与薄膜更好的粘附而进行的烘烤，称为坚膜， ( 7 )腐蚀。将坚膜的片子放在薄膜的腐蚀液中进行腐蚀。由于负性光致抗蚀剂 留下的胶膜有抗腐蚀的性能 所以腐蚀只能将没有胶膜保护的二氧化硅部分腐蚀 掉。 ( 8 )去胶。用去胶液去掉全部胶膜。 经过以上八个工序，就可在基片上刻蚀出了与掩模上一致的图形。 因为光刻质量的好坏将直接影响到滤波器的性能 因此，必须认真的选择合 适工艺条件，严格地控制光刻中的每个工艺步骤。 南开大学硕士研究生学位论文 第四章实验及测试 在光刻中用到的光刻胶，是一种对光敏感的高分子化合物，它经过光照，会 发生交联、 分解或聚合等光化学反应， 使涂敷在薄膜上的感光胶膜改变性质。 有 的光光刻胶原来对某些溶剂是可溶的， 光照后硬化， 形成不可溶物质; 有的原来 对某些溶剂是不可溶的， 光照后却变成了可溶性物质。 前者称作硬化型光致抗蚀 剂，或称负性光刻胶;后者称光可溶性光致抗蚀剂，或称正性光刻胶。 “ 正性“ 、 “ 负性” 名称的来源是:正性光刻胶经光照后， 在适当溶剂中，将光照感光部分 溶除， 而掩模遮盖未感光部分仍存留在器件表面， 这样就得到了和掩模上的挡光 图案完全一致的抗腐蚀涂层; 负性光刻胶所得抗腐蚀涂层的图案则相反。 二者光 刻过程的比较，可参看下图: 材庄 巴二二二 s8 * bt # t- s 巴 二 全 全一当 .尤 a形及拱口 口位 r - . 一， ，j - 门 去 睑 杭 . 加 r 曰二生 竺 竺 二 l ( 口 )负性抗触荆( b )正性抗触荆 图4 -8正 性和负性光刻胶光刻过程比 较示愈图 光刻胶性能的优劣，对光刻工艺的质量起着关键的作用，对器件性能也有影 响。我们使用的是 b n 3 0 3负性光刻胶，用其光刻出来的图形可以得到较高的分 辨率。 二、带通滤波器制作的光刻过程 带通滤波器制作的整个光刻过程如下: ( 1 )涂敷光刻胶 光刻胶涂敷的方法有浸湿法、喷涂法、 旋转法等。旋转法又分为旋转板式涂 敷法和自 转式涂敷法。示意图如下: 图4 -9 旋转板式涂敷方法图4 -1 0自转式涂敷装it 南开大学硕士研究生学位论文 第四章实验及测试 我们采用自 转式涂敷法， 它比旋转板式涂敷法具有更多的优点。 它是使片子 的中心与旋转盘的轴心重合， 让片子高速转动得到很薄的光刻胶的涂敷方法。 其 一般采用真空吸附的方法来固定基片， 转法从每分钟几千千转到几万转。 它的优 点是， 当用每分钟几千转的高速度来涂敷光刻胶时， 片内光刻胶膜的厚度非常均 匀。 对于光刻胶来说，无论对被刻蚀材料的表面作怎样的处理， 涂敷环境的水蒸 汽对粘附性都有较大的影响， 因此要用除湿机控制周围环境的湿度在4 0 %以下。 对于选定的光刻胶而言， 膜越薄， 分辨率越高。 分辨率大约为光刻胶厚度的 5 -8 倍， 如光刻胶膜为6 0 0 0 埃时，分辨率为4 微米左右。 但是，光刻胶膜的厚 度也不能太薄， 太薄了光刻胶上的针孔密度就会增加， 而且， 腐蚀时也有可能被 腐蚀掉。 在甩胶时， 我一般控制甩胶机的转速在3 5 0 0 转/ 秒左右， 甩胶2 0 秒， 胶膜的 厚度大约是4 0 0 0 埃左右，胶膜均匀。 ( 2 )前烘 光刻胶的前烘也可称预烘或低温坚膜。 涂敷了光刻胶后的片子或其它金属，需要经过一定的温度和时间的烘焙处 理， 这就是前烘。 前烘的目的是使光刻胶中的溶剂缓慢地充分挥发， 使光刻胶干 燥，以便承受在接触曝光过程中与掩模的靡擦。同时只有光刻胶干燥后， 光刻胶 在曝光时才能很好的交联( 负性光刻 胶) ， 而不溶于显影液， 并有抗蚀能力。 其次， 前烘也可以增加光刻胶同薄膜的粘附能力。 因此前烘是光刻工艺中必不可少的重 要工序。 一般来说，前烘温度越高，时间越长，光刻胶和薄膜表面的附着程度越 好。 但是过高的温度和过长的时间会导致光刻胶翘曲硬化， 使显影不干净、 分辨 率降低以及图形受到破坏。 烘焙温度过低或时间过短， 有时会发现脱胶、 图形变 形等现象。 我们一般是在恒温干燥箱内进行前烘， 恒温温度为8 0 度，时间在3 0 分钟左 右。 ( 3 )曝光 曝光是指对己涂敷光刻胶的基片进行选择曝光，使曝光的部分发生光化学反 应， 从而改变曝光部分在显影液中的溶解度， 从而可以通过显影使光刻胶膜上呈 现出与掩膜上同样的图形。 曝光的方法一般有接触曝光法、投影曝光法和电子束曝光法等。 我们一般采用的是接触曝光法，其原理图如下: 南开大学硕士研究生学位论文 第四章实验及测试 护 c y * 4 r 窿 氢 ” 掩倪 i i i 闻峨 硅片 对祖 .先 图4 -1 1 接触曝光法原理图 此方法分为两步:第一步是对准 ( 定位) ，第二步是曝光。 曝光前掩膜的对准是很重要的，这一步操作的好坏在很大程度上影响到光刻 的精度。 在对准过程中， 应该严格保证掩膜与基片表面的平行， 且在移动掩膜时， 掩膜与基片之间必须有一微小的间距， 避免由于相互摩擦使胶面划破而损坏光刻 图形。 第二步曝光主要是选择曝光强度和时间，一般用曝光量e来表达这两者的关 系: e=i 式中i是光强，t 为时间 曝光量标志着使光照部分的胶膜全部发生交链 ( 负性)或分解 ( 正性)所需 要的能量。 一般来说光刻机的曝光强度是不变的， 只是通过曝光时间来控制曝光 量。 显然曝光时间是由光刻胶、 胶膜厚度、光源、光源与片子间距等因素来决定 的。 实际上曝光时间都是根据各自的具体情况经过反复的实验而寻找出来的( 一 般为几秒到几十秒的范围) 。通常认为短时间强曝光效果较好。 在曝光过程中，若曝光时间不足，将使光刻胶交链不充分，显影时部分被溶 解， 表面呈现出桔皮状，光刻胶的抗腐性能大大降低;若曝光时间过渡， 则会引 起晕光现象， 呈现出皱纹，使分辨率降低，图形尺寸就会发生变化， 而且边缘不 平整。 在开始实验时，我使用了5 秒的曝光时间.发现虽然中间的光刻图形较好， 但是边缘的光刻图形很差。 经观察， 发现在边缘的光刻胶厚度较高， 从而使其曝 光不足，影响光刻图形。因此只好加大曝光时间到 1 2秒。但是，这样虽然能够 使边缘曝光充分.却使中间的曝光过渡，从而造成中间微带线段的分辨率降低， 改进的方法见实验改进小节。 ( 4 )显影 显影就是把曝光后的片子用显影液除去应去掉部分的光刻胶。 当光刻胶曝光后，其曝光部分的光刻胶发生光化学反应.从而大大的改变了 这部分光刻胶在显影液中的溶解度， 来达到去除应去掉部分的光刻胶的目的， 这 就是显影的基本原理。光刻工艺要求显影彻底而且图形清晰。 显影的方法有浸溃法、喷雾法和蒸汽法。我所用的是浸渍法，即是将曝光后 的片 子浸溃在盛有显影液的容器中， 并不断地将片子轻轻晃动， 以达到显影目的， 显影时间随着光刻胶的种类，胶膜的厚度和显影液的种类及显影温度的不同 鱼型 进竺 丝 生塾ie 生 一一 一一 一第 四 章 实 验 及 测 试 而有差异。 胶膜厚、 温度低就需要显影时间适当 增长。 而且一杯显影液使用的前 期或后期显影时间也不相同， 所以要按实际情况选择和调整显影的时间。 一般来 说，分多次进行显影有利于制作出较好的显影图形。 显影的质量，主要表现在显影彻底，图形边缘整齐。即在未曝光的面积上绝 对不能残留光刻胶， 即使极薄的一层残渣也会严重影响薄膜的腐蚀; 边缘不整齐 会在腐蚀薄膜时产生钻蚀等现象。 腐蚀的时间要控制适当才能得到较好的效果， 若显影时间太短，会引起显影 的不足， 容易在未感光面积内留下一薄层不容易观察出来的光刻胶膜， 在腐蚀薄 膜时， 它起了 保护薄膜的作用， 随着腐蚀液对这一薄层膜的穿透和破坏， 则引起 腐蚀不彻底， 在未感光区域可能留有“ 小岛” 的薄膜; 显影时间过长，由于显影 时光刻胶发生软化、 膨胀， 显影液从衬底表面向图形边缘渗钻， 发生钻溶， 使图 形边缘变坏。有时会出现浮胶现象，甚至发生脱胶。 5 )坚膜 经显影后，由于显影液使光刻胶膜发生软化、 膨胀，使胶膜与薄膜的粘附性 变差， 耐蚀性能也降低， 必须在较高温度下进行焙烘， 常称为坚膜。坚膜的作用 是除去胶膜中的显影液和水分， 并且使抗蚀剂进一步交联，从而使光刻胶膜与片 子的粘附性能大大加强，光刻胶本身的耐蚀性能也显著提高。 我们坚膜一般是在恒温干燥箱内进行，温度8 0 左右，焙烘时间3 0. 6 0 分 钟。若坚膜温度太低，时间过短，光刻胶膜没有烘透， 膜不坚固，腐触时易产生 脱胶现象。 但一般来说， 采用长时间的低温坚膜， 能得到较好的效果， 但时间较 长。若温度过高，光刻胶膜便开始分解，失去抗蚀能力。 ( 6 )反面涂敷光刻胶 因为我们使用的是双面薄膜的基片，一面为超导或银金属薄膜的微