（通信与信息系统专业论文）基于无线通信中MgBlt2gt超导薄膜滤波器的研究.pdf

贵州大学硕士研究生学位论文 摘要 移动通讯用高温超导滤波器以其独特的优越性能和巨大的商业价值吸引着 人们去探索和研究 目前 该项目的研究和开发已成为国内外超导应用研究的一 个热点 相对于传统滤波器 高温超导滤波器具有带内插损小 带边陡峭 体积 小 易于集成等优点 移动通信基站接收机前端通过应用高温超导滤波器 可以 减小干扰 节约频率资源 增加基站覆盖范围 提高通话质量 减少盲区 提高 传输数据的速率 在航天 卫星 通信 雷达等领域具有广泛的应用前景 在国 外 移动通讯用高温超导滤波器子系统已步入实用化阶段 市场不断扩大 取得 了很好的经济效益和社会效益 高温超导滤波器的设计是一个网络综合的问题 根据我们目前的设计条件和 超导薄膜的尺寸因素 我们选用了平行耦合线电路设计 应用a d s 仿真软件 设计了用于移动通讯频段的高温超导滤波器 并对几个重要参数进行了实验测试 和分析 本文对面向无线通信用高温超导窄带选择性滤波器做了研究 采用a d s 软 件设计了一个5 阶窄带选择性高温超导滤波器 并对该滤波器进行了加工 封装 和测试 本文工作对研制无线通信用窄带选择性高温超导滤波器的贡献 1 分析了 有效利用薄膜面积的窄带选择性高温超导滤波器的拓扑结构和谐振结构的特点 2 采用全波分析技术结合测试结果与设计结果的偏差 分析了影响超导滤波 器性能的多个因素 并提出了准确设计高温超导滤波器时的技术方案 3 在高 温超导滤波器的制作过程中 研究了超导电路与外接电路的连接和超导滤波器的 焊接和封装 从设计到封装 以至滤波器的性能测试都取得了满意的实验结果 为进一步 开发制作更高性能的移动通讯用高温超导滤波器打下了基础 关键字 高温超导 滤波器 移动通讯 接触电阻 微带电路 封装 第l 页 贵州大学硕士研究生学位论文 s u m m a r y t h e s t u d yo fh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r h t s f i l t e rs y s t e m sh a sb e c o m e a a c t i v ef e l di nt h es t u d i e so fs u p e r c o n d u c t i v i t ya p p l i c a t i o n s d u et oi t sh i g h p e r f o r m a n c a n d g r e a tc o m m e r c i a lp o t e n t i a l i nc o n t r a s tw i t ht h ec o n v e n t i o n a l f i l t e r s h t sf i l t e r sp r o v i d e dm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sm u c hl e s si n s e r tl o s s m o l e s t e e pe d g e s m a l l e rs i z ea n de a s i e ri n t e g r a t i o n t h ei n s t a l l a t i o no fh t s f i l t e r si nt h e f r o n t 删v e l so fc e l ls i t e si si d e a lf o rr e d u c i n gi n t e r f e r e n c e s a v i n gf r e q u e n c y r e s o u r c e s e x p a n d i n gc o v e r a g e e n h a n c i n gc o m m u n i c a t i n gq u a l i t ya n ds p e e d i n g t r a n s f e r r i n gd a t a i ta l s oh a sp r o m i s i n ga p p l i c a t i o nv a l u e si nt h ef i e l do fs p a c e f l i g h t s e c o n d a r yp l a n e t c o m m u n i c a t i o na n dr a d a r a tp r e s e n t s u p e r c o n d u c t o rf i l t e r s u b s y s t e m sh a v eb e e nd e p l o y e da b r o a di nt h ef i e l do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n d o f f e r e de x c e p t i o n a lc o m m e r c i a lp e r f o r m a n c e t h ed e s i g no fh t sf i l t e r si sac o m p r e h e n s i v ep r o b l e mo fn e t w o r ka n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no fc a l c u l a t i o na n dp r a c t i c a ls i z eo fs u p e r c o n d u c t i n gf i l m s w ec o n f i g u r e dp a r a l l e lc o u p l i n gl i n em i c r o s t r i pf i l t e r w i t ht h ea i do fa d ss o f t w a r e t h ep a r a m e t e r so ft h ef i l t e r sa r e s a t i s f y i n g s e v e r a li m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n g t h ep e r f o r m a n c eo ff i l t e r sw e r ea l s os t u d i e da n da n a l y z e d i no u rw o r k t h eh t ss e l e c t i v eb a n dp a s sf i l t e r sf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sw a s s t u d i e d a5 t h i n e rh t sf i l t e rw a si m p l e m e n t e db ya d ss o f t w a r e f a b r i c a t e d p a c k a g e da n dm e a s u r e df i n a l l y o u rw o r k sc o n t r i b u t i o n sa r e 1 t h et o p o l o g yo ft h es e l e c t i v eh t sf i l t e r sa n dt h es t r u c t u r eo ft h eh t sr e s o n a t o r s w e r ec h a r a c t e r i z e df o re f f i d e n tu s eo fh t sf i l m s 2 t h ef a c t o r sw a si d e n t i f i e dw h i c hm a yh a v ee f f e c t0 1 1t h ep e r f o r m a n c eo ft h eh t s f i l t e r sb ys t u d y i n gt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h em e a s u r e dr e s u l t sa n dt h ec o m p u t e d r e s u l t st h r o u g ht h ee m s i m u l a t o r s a n dt h em e a s u r e st ot a k ef o rm i n i m i z i n gt h ee f f e c t s a b o v ei nd e v e l o p i n gh t sf i l t e r sa c c u r a t e l yw e r eg i v e ni no u r p a p e r 3 d u r i n gt h ef a b r i c a t i n go fh t sf i l t e r s w es t u d ym i c r o s t r i pc i r c u i tc o n n e c tw i t h t h eo u t e ra n dp a c k a g i n ga n d j o i n t i n go f p e r f o r m a n c eo f h t s f i l t e r s f r o md e s i g n i n gt op a c k i n g a n dt e s t i n g t h er e s u l ti ss a t i s f y i n g t h es u o c e s so ft h i s e x p e r i m e n ts e tu ps o u n db a s ef o rf u r t h e rs t u d ya n dd e v e l o p m e n t k e y w o r d s h t s f i l t e r s m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s c o n t a c tr e s i t i v i t i e s 第u 页 贵州大学硕士研究生学位论文 m i c r o s t r i pc i r c u i t p a c k a g i n g 第m 页 贵州大学硕士研究生学位论文 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研 究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 鱼渔盈丑日期 2 0 0 8 年乡月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本 人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 倒导师签名 第5 0 页 e l 期 2 0 0 8g 多 贵州大学硕士研究生学位论文 1 1 简介 第一章前言 自从1 9 11 年荷兰l e i d e n 大学的k a m e r l i g ho n n e s 发现h g 的超导电性以来 超导体就以其独特的魅力吸引着人们去研究探索其机理和应用 如今 常温超导 体无论是从理论方面还是从实验方面都取得了很大发展 出现了b c s 和g l 等 理论 比较成功的解释了其机理 同时在强磁场等方面的应用 常温超导体也取 得了一定的成功 但是 由于常温超导体的临界温度一直局限于二十几k 所以 其研究与应用也仅仅局限于一些特殊领域 无法得到广泛的应用 1 9 8 6 年高温 超导的问世为超导的实际应用开辟了广阔的前景 高温超导机理和应用的研究更 是成为尖端学科研究的重点 虽然其机理还不是十分清楚 但是应用高温超导材 料制作各种相关器件的研究己经在大规模的开展起来 并取得了长足的进展 超 导的应用主要分为强电应用和弱电应用 强电应用主要有超导输电电缆 超导电 机等方面的应用 弱电方面主要是s q u i d 器件和高温超导微波器件 如今 已 经用高温超导材料制出长达2 公里的导线 并应用于实际的大电流输电线路中 高性能的高温超导滤波器子系统也已实际应用于移动通讯的基站中 人们比较看好高温超导材料在微波器件领域的应用 一方面是由于高温超导 微波器件的制备工艺已经比较成熟 大面积高质量的高温超导薄膜的制各工艺也 已成熟 各种微带电路的设计和制造技术已经具备 相关制冷设备小型化 性能 好 这些都为高温超导微波器件的实际应用打下了坚实的基础 另一方面 移动 通讯业在全球范围内迅猛发展 h t s 滤波器以其巨大的优势和广阔的市场应用 前景 在移动通讯领域占有举足轻重的的地位 作为一种用于制作微带滤波器的 材料 高温超导体有其它材料所无法比拟的优越性 在直流情况下 它能够无阻 的传输电流 在移动通讯的微波频段 其表面电阻比相同温度下普通金属的表面 电阻值低2 个数量级 6 而且在保持相同体积的情况下 h t s 比常规导体谐振腔 的q 值高1 0 3 0 倍以上 保持q 值相同的条件下 h t s 谐振腔比常规导体谐振 腔的体积减小1 0 1 0 0 倍 不含制冷机的体积 由此 用高温超导薄膜可以制出 具有高q 值的谐振器1 2 4 1 进而制出高性能的微带滤波器 另外 适于生长高温 超导薄膜的基片介电常数很高 因此 高温超导滤波器可以实现令人满意的小型 化 第l 页 贵州大学硕士研究生学位论文 1 2 高温超导滤波器的优点和在移动通信中的应用 从电信茇展的早期 滤波器在电路中就扮演着重要的角色 并随着通信技术 的发展而取得了不断的进展 自从1 9 8 6 年高温超导被发现以来 高温超导薄膜 材料实际应用已在许多工业领域进行了实验 对它在通信领域微波滤波器中的实 际应用更付予了很大的努力 这一领域中晟有前景的是移动通信系统基站接收前 端滤波器的应用 由于移动电话带来极大的方便 因此发展相当快 导致频谱资 源紧张 带来的干扰使得通话的质量和可靠性大大下降 其中的一个主要干扰源 是邻近频带的干扰 为减小其干扰 在紧靠天线之后用射频预选滤波器抑常怦扰 通信用滤波器由谐振器构成 有时称为滤波器节 有3 节 4 节 9 节 1 2 节 1 9 节等 谐振器的性能指标是品质因子q 值 q 值越高 波损耗越小 谐振器 性能越好 滤波器对邻近频带的抑制能力越强 超导滤波器具各了实现高q 值 的条件 一般使用约05 l p m 厚的高温超导薄膜 用光刻技术刻成微带谐振器 谐振器经过电磁耦合 得到所需要的滤波器特性 高温超导谐振器的o 值可以 做到4 0 0 0 0 l 0 0 0 0 0 甚至更高 而用金属c u 制成的谐振器q 值一般只能达到 3 0 0 0 8 0 0 0 所以高温超导滤波器比普通金属滤波器具有插损小 带边陡峭 带 外抻制好等优点 滤波器的作用是让有用的信号在频率范围 通带 内通过 而将频率范围外的 无用信号滤掉 对滤波器的理想要求是有用信号能无损失地通过 而无用信号或 干扰信号一点也通不过去 但是实际上由于金属具有电阻 用金属制各的滤波器 对通带内的信号仍有较大的损耗 而对通带外信号的抑制也不够大 由于高温超 导材料在微波频段的电阻几乎为零 用高温超导材料制各的滤波器对通带内信号 的损失极小 而对通带外信号的抑制却很高 几乎能达到理想滤波器的性能 图1 1 是高温超导滤波器和普通金属滤波器性能的比较 相比之下 高温超 导滤波器有以下优点 终 国 凰 图1 1 高温超导滤波器和金属滤波器性能的比较 1 高温超导滤波器在通带内的插损很小 带内最大插损可做到低于0 3 d b 有时 第2 页 贵州大学硕士研究生学位论文 甚至低于0i d b 而一般的金属滤波器的插入损耗约为2 d b 主要原因是在微波 频率范围内 高温超导薄膜的表面电阻比铜的要低1 0 1 0 0 0 倍 而低的表面电 阻就直接转换成滤波器的低插入损耗 f 2 1 高温超导滤波器具有陡峭的带边 有效地抑制邻频的干扰 同时节省频率资 源 增大容量 用高温超导薄膜可以制作节数很高 图形复杂的滤波器 从而得 到带边非常陡峭的滤波器 即接近理想滤波器的特性 而由此引入的插入损耗却 很小 这些是金属滤波器无法达到的 r 3 谪温超导滤波器有好的带外抑制 通常可以达到6 0 d b 以上 这也是得益于它 有较高的节数 这样就对带外的无用信号起到了很好的抻制作用 我国已经掌握 了自主研制 开发高温超导滤波器系统的关键技术 但对高温超导滤波器的设计 制作 工艺制备还需不断优化 从而使其具有可重复性 可实际应用性 为进一 步实现产业化打下基础 所阻在高温超导滤波器的工艺制各方面做进一步的研究 是非常必要的 有意义的 有价值的 完善超导滤波器的制备工艺 并使之达到 规模生产的标准 就可以大太降低滤波器的制作成本 缩短制作周期 提高其经 济效益 从而可以更好地把高温超导滤波器进一步地应用于移动通信基站 同时 也为超导滤波器能够应用到医疗仪器 卫星 导弹 雷达等军事 航天领域提供 了有利的条件 超导技术在无线通信领域的最初应用是采用了基站中的前端接收机的滤波 器予系统的形式 它提供了五个杰出的优点 在基站设计中 超导技术最直接的 优点是较好的抑制干扰的能力 更多的无线通信商的出现将会引入更多的邻频干 扰 在p c s 个人通讯系统 中 多至六个用户在同一个区域操作 以及不可避免 的发射机的位置重复 更是增加了对滤波器抗邻频干扰的要求 见图1 2 图1 2 超导滤波器和常规滤波器抑制带外干扰能力的比较 超导滤波器能够提供很好的抑制邻频干扰的能力 而不会引入很大的插入损 耗 超导滤波器可以做成1 9 级 甚至更高级数用来有效的抑制邻频干扰 r 钔超导滤波器能够充分利用现有的频谱资源 节约频率 增加容量 通过利用 带边极为陡峭的超导滤波器 可以在通带内容纳更多的声道 对于分配有限频段 资源的供应商来说 这一点是非常重要的 见图1 3 第3 页 贵州大学硕士研究生学位论文 图1 3 超导滤波器可以提高频谱的利用率 5 1 说得更普通 点 也就是基站中低温电子技术的优点 是通过降低基站中接 收机前端的噪音来提高基站的覆盖章 可以使单个基站的覆盖范围提高3 0 5 0 从而减少摹站数量 节省费用 这种优点来源于高性能的超导滤波器和超 低噪音放大器 l n a s1 的组合 超导滤波器提供了最小的插入损耗 同时由于 l a n s 工作在超导滤波器所需要的低温环境下而使它本身的噪音也降低了 超导 滤波器所能达到的品质因数q 远高于其它滤波器技术所能达到的数值 因此它 对噪音的贡献是极小的 同时经过适当设计的半导体低噪音放大器如果在远低于 室温的环境下工作 其噪音特性也会显著提高 这样当它与超导滤波器一同在低 温环境下工作时 就会提供一个超低噪音的接收机前端 降低基站的接收机的噪 音指数将会提高基站对接收信号的灵敏度 从而增加基站的覆盖面积 减小话音 盲区 f 见图1 4 图1 4 超导滤波器可以提高基站对弱信号的检测能力 1 应用超导技术还可以提高通话质量 使通话中断的几率大幅度减少 由于较 小的带内插损及较好的抗干扰性能 应用高温超导滤波器可以获得更高的话音质 量 6 超导技术所提供的另一个优点是滤波器子系统尺寸和重量的降低 其主要原 因是采用丁高温超导体薄膜器件 薄膜超导滤波器是一种微带型的滤波器件 选 用介电常数很高的基片 可以采用非常紧凑的结构设计实现高节数的滤波器 如 今1 9 级以上的蜂窝通信用的滤波器都可以在3 英寸的薄膜上实现 虽然超导滤 波器需要用到低温制冷机 但是现在先进的制冷机 如斯特林制冷机的体积可以 小到1 立方英尺以内 而且多个超导滤波器与一个或两个制冷机集成于一个较小 的箱体的设计也已得到很好的实现 这样 集成的超导滤波器子系统要比其它类 第4 页 贵州大学硕士研究生学位论文 型的子系统体积小而且重量轻 此外 超导技术还可以实现更高的数据传输速率 对于实现移动通讯上网 图像传输等需要高速传输速率有很大的意义 1 3 超导滤波器的应用和要解决的问题 在无线通信领域 超导滤波器技术有着非常广阔的应用前景 尤其对于频段 为3 g 的第三代移动通讯的发展 超导滤波技术意义重大 更高的数据传输速率 的需要 为高温超导滤波器提供了更广阔的发展空间 在有限的薄膜面积上 实 现更高的级数 超导滤波器的优越性将得到更大的发挥 相对于a m p s c d m a t d m a g s m 等通信手段来说 超导预选择滤波器 p r 髂e l e c tt i l t e r 都具有性能上的 优势 基于这些应用 如上所述的超导技术的多个优点将会逐步实现 在目前的蜂窝系统中 城市和乡村的用户需求有很大的不同 市区的基站通 常是工作在拥挤的频谱环境中 容量要求也比较高 其关键问题是抑制干扰和使 容量最大化 相比较而言 乡村基站的用户密度较低 其关键问题是如何提高基 站的覆盖率 迅速增长的个人通讯系统t p c s 的基础设施为超导技术的应用提供了很多机 会 随着更大数量的基站和新的干扰源的出现 以及更紧张的空间限制 超导技 术有可能被用来解决这些问题 高温超导滤波器需要解决制冷设备的小型化和系统稳定性的问题 通过努 力 这两个问题已得到较好的解决 要得到更广泛的应用 高温超导滤波器还必 须解决承载功率的问题 高温超导材料在电流很大 超过临界电流时 将从超导 态转变成常规态 失去超导性能 而且高温超导器件的平面的微带电路表面 高 温超导膜很薄 i s c 1 l l i n o i s s u p e r c o n d u c t o rc o r p 和c o n d u c t u si n e 随着研制的不断成熟 1 9 9 8 年上述公司的高温超导系统产品开始上市销售 由于试运行的效果很好 为此s t i 公司启动了超导系统生产流水线 整个流水线 包括超导膜的制备 滤波器的制作 制冷机和电路的生产等 到2 0 0 0 年 已经 批量进入市场 一些重要的现场试验工作已经完成 有的公司公布了部分的实验 结果 结果表明 将超导滤波器系统应用于移动通信 移动通信基站的覆盖范围 可提高3 0 5 0 高峰期内的基站容量可增加8 0 在强射频干扰移动通信系 统时 超导系统仍能大幅度的增加基站的覆盖面积 有强的抗干扰能力 超导滤 波器可以使系统的选择性提高3 0 倍 掉话率大幅度减少 手机所需的功率可降 低到原来的一半 上述实验的成功 在美国激起了一个投资高温超导基站系统的热潮 在众多 的新老公司中 杜邦 d up o u t 公司脱颖而出 投入上亿美元 凭借他们在超导薄 膜 微波设计方面的优势 推出了一种超小型基站系统 使得超导滤波器的研制 更前进了一步 目前 世界上至少有7 个公司专门从事移动通信用滤波器的研究 出现了更 高性能的h t s 滤波器 美国的研究水平较高 已有近5 0 0 0 台超导滤波器系统在 移动通信基站上实际运行 超导滤波器的年销售额已达到3 亿元人民币 在军事 领域 高温超导滤波器可以广泛的应用于雷达 军事通信 精确制导 电子对抗 设备等上面 以提高灵敏度和抗干扰能力 提高通信质量 加长预警时间 减少 发射机功率 提高制导精确度和增加末端制导距离等 美国已将高温超导滤波器 安装在海军舰船 空军飞机及军用情报系统上了 除了美国 日本及欧洲一些国家也在开展高温超导滤波器的应用性实验研 究 下面是近年来文献报导的国际上研究高温超导滤波器的一些情况 1 9 9 5 年 g u oc h u n l i a n g 等人在5 c m 直径的h 触0 3 基片上设计制作出了5 节y b c o 超导滤波器 插损小于0 2 5 d b 反射损耗大于1 2 d b t 2 0 l 1 9 9 9 年 i b v e n d i k 等人在双面镀y b c o 膜的2 英寸直径 0 4 5 m m 厚的 l a a l 0 3 基片上研制出了l o 节超导滤波器 插损小于0 4 d b 反射损耗1 2 d b l 2 2 1 9 9 9 年 h o n gt e u kk i m 等人在双面镀y b c o 膜的直径为5 0 m m 厚为0 5 m m 的l a a l 0 3 基片上制作出1 1 节发夹形滤波器 插损小于0 6 l b 反射损耗 1 2 d b 口 2 0 0 0 年 m i c h a e lr e p p e l 和j e a n c l a u d em a g e 利用3 9 m m x1 2 m mx0 5 m m 大 小的镀y b c o 薄膜的l a a l 0 3 基片 制作了8 节超导滤波器 插损小于0 3 d b 2 6 1 第6 页 贵州大学硕士研究生学位论文 2 0 0 1 年 a e b a r i n o v 等人设计制各了4 节块状的高温超导滤波器 在大小 为1 8 m m x l o m m x 0 5 m m 的蓝宝石基片上刻蚀出了y b c o 超导电路 测试的最大 插损为0 2 d b 反射损耗大于1 5 d b 1 6 1 2 0 0 4 年 a j b u b e n d o r f e r 等人在1 0 m m x l o m m 的l 枷0 3 基片上设计出了4 节准椭圆形滤波器 1 7 1 插损小于0 5 d b 而同样银膜做的滤波器要大于5 d b 2 0 0 4 年 s h i g e t o s h io h s h i m a 介绍了日本及亚洲超导滤波器的应用研究情况 主要是用在移动通信基站上 取得了很好的实验结果 蚓 2 0 0 5 年 j i a s h e n gh o n g 等人在4 7 m i n x1 7 m i n x 0 4 3 r a m 的蓝宝石基片上制备 出了1 0 节半椭圆形y b c o 超导滤波器 最大插损0 2 d b 反射损耗大于1 2 d b 2 3 1 2 0 0 6 年 s r i k a n t ap a l 等人在2 英寸大小厚为0 5 m m 的l a 朋0 3 基片上制备出 了1 2 节和1 5 节螺旋曲折形的t b c c o 超导滤波器 1 2 节的中心频率是9 0 8 5 m h z 插损小于0 4 d b 纹波0 3 d b 反射损耗大于1 0 d b 1 5 节的中心频率是8 2 1 m h z 插损小于0 2 5 d b 纹波0 2 d b 反射损耗大于1 5 d b l 3 1 但由于超导滤波器应用的商业价值 它的制备工艺技术具有保密性 而且大 多数的国家都还处于研究探索阶段 所以能看到的相关资料非常少 在国内 超导滤波器的研究起步较晚 与国外的差距比较大 目前国内也在 此领域不断加大投入力度 由清华大学研制的c d m a 移动通信用高温超导滤波 器系统 是在2 0 0 4 年3 月2 6 日由中国联通唐山分公司的共同参加下 在商业运 行中的c d m a 移动通信基站上通信试验成功 2 0 0 5 年底又在北京建成了我国第 一个高温超导移动通信应用示范基地 初步结果显示出手机的发射功率下降了 2 3 5 d b m 移动通信系统基站性能明显改善 此外 电子科技大学 中科院 南京大学等单位也对高温超导微波器件做了 大量的研究工作 1 5 本文的工作 1 对影响超导滤波器的几个关键问题进行了系统研究 包括滤波器的图形设计 超导滤波器电极的制作以及滤波器电极和超导薄膜之间的接触电阻 馈电电极和 同轴电缆接头的焊接 滤波器的封装等 2 设计了一种符合参数要求的5 节滤波器 并对其进行了测量和分析 得到了较 好的实验结果 第7 页 贵州大学硕士研究生学位论文 第二章高温超导滤波器的原理 在高温超导滤波器的设计中涉及到一些微波方面的理论 主要包括为微波原 理 微波网络 微带线原理 滤波器理论等 本章就与高温超导滤波器设计有密 切关系的内容进行一个简单的介绍 2 1 微带线理论 微带传输线是5 0 年代发展起来的一种新型传输线 它有两种结构形式 如 图2 1 所示 3 兀 图a 为对称微带线 又称带状线 三板线或介质夹层线 它由 上下两块接地板 中问一个导体带条构成 是一种以空气或介质绝缘的双导体传 输线 图b 为不对称微带线 又称为标准微带线或微带线 它具有一个中心导体 带条和一个接地板 这种结构便于与其他传输线的连接 也便于与外接微波固体 器件构成各种微波有源电路 我们所设计制各的滤波器是以微带线作为电路传输 线的 a 带状线 b 微带线 图2 1 微带传输线 微带线是微波集成电路的主要组成部分 它在微波集成电路中用作传输线来 连接各种有源或无源元件 并可用来构成电感 电容 谐振器 定向藕合器件 和各种有源固态器件相连还可构成集成放大器 集成混频器等 大都采用薄膜和 光刻等工艺在介质基础上制作出所需的电路 微带结构可以看成是由平行双导线 演变而来的 图2 2 是这一演变过程 在平行双导线两圆柱导体间的中心对称面 上放一个无限薄的导电平板 由于所有电力线都与导体平板垂直 因此不会扰动 原电磁场分布 去掉平板一侧的圆柱导体 另一侧的电磁场分布不受影响 于是 一根圆柱体与导电平板构成一对传输线 再把圆柱体做成薄带 这就构成了微带 亚盈塑 图2 2 微带线的演变过程 微带中的介质是由空气和介质基片组成的混合介质系统 严格说来电磁场不 第8 页 贵州大学硕士研究生学位论文 是横电磁场 存在有纵向分量 不过在一定尺寸条件下 场的纵向分量很小 可 近似看成是t e m 波 所以称之为准t e m 波 在分析微带传输特性时 仍可按 照t e m 波来处理 由于微带包含空气和介质基片两种介质 需要引入介质填充 系数q 和有效介电常数s 酊两个概念 介质填充系数q 表示的是介质的填充程度 有效介电常数 击是指在微带尺寸及特性阻抗不变的情况下 用一个均匀介质完 全填充微带周围空间以取代微带的混合介质 此均匀介质的介电常数就称为有效 介电常数 其值在空气介电常数1 和基片介质介电常数岛之间 可以用它来均匀 填充微带线 从而构成等效微带线 微带线中的损耗包括导体损耗 介质损耗和辐射损耗三部分 辐射损耗是由 微带线场结构的半开放性所引起的 若微带线的尺寸选择适当 如减小线的横截 面的尺寸时 则辐射损耗会很小 一般可忽略不计 而只在线的不均匀点损耗才 比较显著 为了避免辐射 减小衰减 并防止对其他电路的影响 一般的微带电 路均装在金属屏蔽的盒子中 介质损耗是当电场通过介质时 由于介质分子交替 极化和晶格碰撞而产生的热损耗 为了减小这部分损耗 应选择性能优良的介质 作为基片材料 一般介质损耗也极小 比起导体损耗来往往也可以不计 但在介 质吸水或含有其他杂质时 介质损耗将会增大 导体损耗是由于微带线的导体带 条和接地板均具有有限的电导率 电流通过时必然引起的损耗 在高频情况下 电流大部分集中于导体的表面部分 它以指数的规律向内部衰减 这种现象称为 趋肤效应 此时 其电流事实上只分布在局部的范围内 其有效面积小于实际的 导体的面积 这样更增大了这部分的损耗 计算得出导体损耗比介质损耗要大一 个数量级 所以在微带线损耗中 导体损耗占主要地位 在实际制备时 为了减小各方面所能引起的损耗 得到高质量的微波器件 这就对制备工艺包括对基片和薄膜的选择 光刻工艺及封装等提出了很高的要 求 2 2 微波网络基础 微波网络是以微波元件及其系统为对象 研究它们的传输特性和综合设计方 法的f j f l 4 1 把微波元件用一个微波网络来等效 应用电路和传输线理论 即可 求得元件各端口间信号的相互关系 在应用当中 微波元件的作用是由微波网络 对微波信号的传输特性 包括反射特性 来表示的 当微波信号从微波元件的一个 端口输入 再从另一个端口输出 由于元件的不均匀性 信号的传输功率 幅度 相位 频率都有可能改变 这些改变对外界的影响 常常用微波元件端口间的外 特性表示 一旦确定了端口间信号的相互关系 其外特性就完全确定 而不必理 会元件内部场的分布情况 所以它是一种研究微波元件及系统的好方法 微波滤波器是一种具有选频功能的元件 它从频率上分离和阻隔信号 使在 第9 页 贵州大学硕士研究生学位论文 规定的微带内的信号得以通过 通带 或被抑制 阻带 它可以等效成一个二端口 微波网络 即具有两个端口并在同外界相连的传输线中只存在一个传输模式的微 波元件和微波接头 我们可以用网络端口参考面上的变量来描述其特性 如果选 择的变量为入射波和反射波 得到的网络矩阵参量就是散射参量 即s 矩阵 散 射是电磁波的特征之一 当电磁波在媒质中传播时 如在传播中遇到障碍物或媒 质特性发生变化 称为不均匀性 都将产生电磁波向四面八方散射的现象 如果 入射电磁波在封闭的系统中传播 由不均匀性引起的散射波不能自由的传向各 方 而只能由各端口传出 称为输出波或散射波 散射参量就是表征网络端1 2 1 参 考面处的入射波与输出波之间关系的量 散射参量能够直接反映出微波的传输和 反射 直观 形象 物理概念明确 而且能够通过实际测量取得 散射矩阵是根据在某些端口上接一个匹配负载的情况下所得到的归一化波 来定义的 所谓归一化波 就是各端口的波用其对应的端口的参考阻抗将其归一 化后得到的波 对于线性二端口网络 归一化入射波和反射波之间存在以下关系 如图2 3 所示的二端1 2 1 微波网络 当以端口上的归一化入射波a 作为自变量 出射波b 作为因变量 各端口上一般既有入射又有出射 则有下列线性方程组 纠 吲 口 写成矩阵形式是 卧i s s 2 i a 缩写成 6 吲m 图2 3 微波二端口网络 上式中 a 和嗍分别为各端1 3 归一化入射波和归一化出射波的列矩阵 矩阵 s 为 i s s n s 1 2 l 称为二端口网络的散射矩阵或s 矩阵 其中的矩阵元素称为网络的散射参量 散射参量的物理意义如下式所示 是在有对应负载匹配 当接入匹配负载时 反射波为零 的情况下定义的 l t 包 a 1 4 2 卸端e 1 2 匹配时 端口1 的反射系数 s z 6 2 a k 曲端口2 匹配时 端口l 至端口2 的传输系数 第l o 页 贵州大学硕士研究生学位论文 端口l 匹配时 端h 2 至端口l 的传输系数 端口l 匹配时 端i 3 2 的反射系数 在微波频段上 端口的匹配比较容易实现 在端口匹配条件下进行测试也比 较安全 所以这样定义的参量很适合于对微波网络的研究与测量 二端口网络还有几个重要的工作特性参量 它们与散射参量也有着密切的关 系 1 插入驻波比 当二端口网络输出端口接匹配负载时 在输入端口传输线上的最大电压 波 腹 和最小电压 波节 之比 称为输入电压驻波比 也称插入驻波比 以p 表示 p 与输入反射系数s 1 l 的模值的关系为 p 蜊 i l 或鼬 型 胪司面鄹 2 鬲 插入驻波比是微波元件的一个重要技术指标 在功率传输系统和测量系统 中 都希望元件的插入驻波比尽量低 以保证功率无反射地传输给终端负载和减 小测量误差 在无耗的二端口网络中 有关系式ls z z s l li 就不必再给出输出 端口的p 值了 2 插入衰减 或称插入损耗 插入衰减是指网络未插入前的负载吸收的功率与网络插入后负载吸收的功 率之比的分贝数 3 工作衰减 工作衰减是插入衰减的特殊情况 当将二端口网络插入无反射系统中 此时 的插入衰减 称为网络的工作衰减 简称衰减 以l a 表示 单位为分9 1 d b 二端口网络中电源输出的最大功率p a 与负载吸收功率p l 之比 称为功率衰减系 数 用l 表示 在工程上 通常用对数量表示这个功率比 从而得出工作衰减 为 小1 0 培扛1 0 培兹 10 1 9 击 一般情况下 二端口网络的工作衰减由两部分组成 一部分是网络的吸收衰 减 一部分是网络的反射衰减 它们与散射系数的关系为 小m k 击枷培静 上式中第一项是由网络输入端反射引起的衰减 称为反射衰减 第二项是实 际进入网络的功率与负载吸收功率之比的分贝数 负载少吸收的那部分功率被网 络内部的损耗元件所吸收 所以这一项称为吸收衰减 第 页 删扣q 呸 觑魏 屹 勉 s s c 贵州大学硕士研究生学位论文 2 3 影响滤波器响应曲线的参数 滤波器的特性可以通过其频率响应来描述 按其特性的不同 可分为低通滤 波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 四种基本滤波器如图2 4 所示 1 0 1 2 1 滤波器是一种选频器件 它使某些频率位于滤波器通带内的信号通过 而阻 止或衰减另一些频率位于滤波器阻带内的信号 图2 4 四种基本滤波器 分析滤波器的性能时 以下参数是非常重要的 它们可以直接反映出滤波器 性能的好坏 插入损耗 如果把一个理想滤波器插入到射频电路中 就不会在其通带内引 入功率损耗 但是 事实上我们是无法消除滤波器所固有的 在一定程度上的功 率损耗 插入损耗定量的描述了功率响应幅度和0 d b 基准的差值 纹波 在滤波器的通带之内 反映了信号响应的平坦度 而纹波系数是采用 响应幅度的最大值和最小值的衰减差来表示的 中心频率坛 是指滤波器的两个截止频率c 通带边界处相对衰减达到规定值的 频率 的算术平均值 带宽a f 带宽是两个截止频率之差 典型的带宽取在通带内3 d b 衰减处高频 端和低频端的频率差 带边陡峭度 通带到阻带的过渡段的陡峭度 用d b m h z 来表示 带外抑制 在理想的情况下 滤波器在通带外即阻带频段内具有无限大的衰 减量 但实际上只能得到有限的衰减量 它反映了滤波器对阻带内的信号的抑制 能力 通常我们以6 5 d b 作为带外抑制所需达到的值 实验测试当中 先是测出滤波器的特性响应曲线s 2 l 和s l l 通过分析可以得 到滤波器的性能 s 2 t 反映了滤波器带内的传输特性 带内s 2 l 越接近零越好 也 就是说插入损耗越小 对于高温超导滤波器 其带内的值在零附近的波动就很小 s l l 反映了端口的反射特性 也就是驻波比 is l li 越大 说明驻波比越小 即 端口匹配越好 第1 2 页 贵州大学硕士研究生学位论文 2 4 滤波器的一般设计方法 1 l 滤波器的设计是一个网络综合的问题 即给定待求网络在一定频带内的特性 要求 求取网络的拓扑结构和各组成元件的参数 以满足给定的频率响应特性的 要求 一 滤波器是一种选频装置 它通过某些频率位于滤波器通带内的信号 而阻止 或衰减另一些频率位于滤波器阻带内的信号 滤波器按照其通带和阻带位置的不 同可分为低通 高通 带通和带阻滤波器 一个理想的滤波器是在通带内具有线 性相位响应和零衰减 而在阻带内则有无限大衰减 可是 理想的滤波器在现实 情况中是不能实现的 故设计者所得出的响应函数必须既可以实现又在规定的容 限内逼近理想曲线 例如 低通滤波器的理想幅度响应规定为 p 弘 l 吾0 三三 2 1 如图2 5 所示 其中虚线表示理想的响应曲线 实线表示一条逼近于理想而又可 实现的响应曲线 阴影区代表响应曲线不许超越的容限范围 m 问 图2 5 低通滤波器响应 在理想情况下 通带 o 国l 的频带就为阻 带 而魄锏l 的频带就称为过渡带 在这区间内的响应是单调下降的 在带 第1 3 页 贵州大学硕士研究生学位论文 通滤波器情况下 有两个过渡带 分别位于通带和两个阻带之间 本文所设计的 滤波器就是带通滤波器 集总元件低通原型滤波器是设计微波滤波器的基础 经过适当的变换 可以 从它推导出各种低通 高通 带通和带阻微波滤波器的传输特性 根据逼近理想 曲线时所选择逼近函数的不同 集总元件低通原型滤波器可以分为许多不同的响 应类型 目前 主要的三种滤波器响应有 q b u t t c r w o r t h 响应 最平坦型 c h e b y s h o v 响应 切比雪夫型 c 硼 曲y 出e v 响应 椭圆函数型 如 图2 击 a 最平坦型 切比雪夫型 c 椭圆函数型 图2 6 三种低通原型滤波器响应 滤波器的响应通常指它的工作衰减 简称 衰减 纠吨 c 镧 像2 与频率的函数关系 式中 p 是加至滤波器输入端的信号源的资用功率 乞 兰4rl 这里ea是信号源的开路电压 如是它的内阻 pl是接至滤波器 输出端上的负载所吸收的功率 图2 7 示出了一种最通用的双终端集总元件低通原型滤波器的梯形电路 其 响应由电路元件数值 g o g l 9 2 g n 卧l 等 决定 o g l a q b 图2 7 集总元件低通原型滤波器电路 第1 4 页 j 乙 k k 贵州大学硕士研究生学位论文 在图2 7 中c a 和 b 两电路互为对偶 其响应相同 它们是可逆的网络 使用时可把左端或右端的电阻作为信号源的内阻 而把另一端的电阻作为负载 图中各元件的物理意义如下 f 串联电感 l t 翻2 1 或并联电容 l 若 c l 即容性输入 则为信号源的电峨 岛2 1 若g e li 即感性输入 则为信号源的电导g o f 若g c 则为负载电哦 面 1 i 若g l 则为负载电导q 在实用中 通常都把低通原型的元件数值对g o 归一化 而频率对 l 归一化 即令g 萨l o l l 这里a 0 1 是对应于通带内的最大衰减l 恤的 带边频率 或 截止 频率 但有时取通带中心频率为 l 这种归一化原型变换成其它阻抗和频率标 度的滤波器的公式如下 对于电阻或电导 r r 或g g 对于电感 三 每 等卜 鲁 鲁卜 2 川 对于电容 c 等 等 c 品 鲁 c q 甸 在上述公式中 带 撇 的量是归一化原型的 不带 撇 的是量是变换后的电 路的 对图2 7 的归一化原型而言 g o r o l 或g o g o l 以上介绍的是一般 情况 下面分别介绍一下各种具体响应低通原型滤波器的传输特性 2 4 1 最平坦响应低通原型滤波器 最平坦响应滤波器的特点是具有一个靠近零频率 直流 处的最平通带 趋 向阻带时 衰减单调增大 在国 上出现无限大值 其响应的数学表达式为 荆枷 g m 训 c 镧 像6 式中 s 1 0 t 1 0j 1 贵州大学硕士研究生学位论文 由于式 2 6 中括号内的量 在国k0 时 具有最大可能数目的零导数 故 有 最平坦 之称 该式中的1 1 相当于图2 7 中电抗元件的数目 2 4 2 切比雪夫响应低通原型滤波器 切比雪夫滤波器的特点是 在通带内 衰减在零值和所规定的上限值之间作 等起伏变化 在阻带内 衰减单调增大 在舻锄上出现无限大值 其衰减特性 的数学表达式为 晰埘g 1 s c 0 5 2 卜倒l 厶c 彩 t z g l c e o s h 2 玎c o 出卅 筹 铂 式中 2 7 f 丘1 l 小i oj l 若n 为偶数 则通带内l a 0 的频率有