CN103227357A - 一种可调带宽及中心频率的高温超导滤波器实现方法 - Google Patents

Abstract

为了获得结构紧凑且性能良好的滤波器，在设计中采用电容耦合结构。利用集总元件等效电路给出了谐振器与电容耦合组成的电路的谐振频率的表达式。提出了电容耦合的集总元件带通滤波器等效电路。并基于上述电路在MgO基片上设计和实际制作了一个高性能的可调带宽及中心频率的高温超导微带线滤波器。其具有宽的调频范围，且其滤波的性能良好。

Description

一种可调带宽及中心频率的高温超导滤波器实现方法

技术领域

本发明涉及可调的高温超导(HTS)滤波器，其中心频率和带宽可以在一个宽的频率范围内调整而不会引起性能变劣，属于通信技术领域。

背景技术

在20世纪80年代后期，含有稀土金属的陶瓷金属氧化物化合物YBCO，TBCCO，TPSCCO等HTS(高温超导体)材料在足够高的温度下具有超导性能，从而使得能够使用液态氮作为冷却剂。因为液态氮在77K下的冷却效果比液态氦强20倍，而成本却低10倍，所以大量的可能性应用已经开始，并带来巨大经济效益。HTS滤波器被公认为在电信，仪器仪表和军用设备中具有广阔的应用前景，其优点在于，具有极低的带插入损失，高的偏离带阻和陡的边缘。在微波频段，高温超导材料的表面电阻比普通金属低两个数量级以上。用高温超导薄膜可以制备出性能优异的接近于理想滤波特性的微带线滤波器.在大功率、线性相位、极宽带宽、高频率超导滤波器的研究方面，超导滤波器技术将有一个新的飞跃，并将在移动通信、军事装备等领域获得广泛的、较大规模的商业应用。

发明内容

本发明提供了一种可调带宽及中心频率的高温超导微带线滤波器实现方法，该方法在设计中采用电容耦合结构。利用集总元件等效电路给出了谐振器与电容耦合组成的电路的谐振频率和有载Q值的表达式。提出了电容耦合的集总元件带通滤波器等效电路。并基于上述电路在MgO基片上设计和实际制作了一个高性能的可调带宽及中心频率的高温超导微带线滤波器。其具有宽的调频范围，且其滤波的性能良好。

本发明提出的技术方案具体步骤包括：

分析滤波器的性能指标，本发明提出了电容耦合的集总元件带通滤波器等效电路。设计一个可调带宽及中心频率的3节高温超导微带线滤波器。其结构如图1所示，谐振器的本征谐振频率为：

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}---\left(1\right)$

其中，ω₀为滤波器中心频率。各导纳变换器值为：

$J_{01}=J_{34}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ω}}_{0}C\·\mathrm{FBW}}{R{g}_0{g}_1}}---\left(2\right)$

$J_{12}=J_{23}=\mathrm{FBW}\frac{{\mathrm{\ω}}_{0}C}{\sqrt{g_1{g}_2}}---\left(3\right)$

其中，FBW为滤波器相对带宽。g_i为低通原型电路元件值，可以通过公式计算或查表求得。得到导纳变换器各电容值为：

$C_{j,j+1}=\frac{J_{j,j+1}}{{\mathrm{\ω}}_0}---\left(4\right)$

进一步，使第i个节点谐振于ω₀，根据电路等效原理将电阻等效为标准电阻值。

进一步，把所设计的耦合谐振器滤波器通过匹配电容或电感进行串联，调整部分元件参数，可以得到所需要的可调中频率及带宽的集总元件带通滤波器电路。

进一步，对上述可调集总元件电路采用谐振器是半波长微带线，超导滤波器的制备采用基片为MgO的双面YBCO超导薄膜。膜厚为500nm，基片介电常数为9.7，厚度为0.51mm。基片和超导膜的大小为10mm×15mm。滤波器被封装在无氧铜加工而成的屏蔽盒内进行实现

本发明的技术效果：本发明提出一种可调带宽及中心频率的高温超导微带线滤波器实现技术方案，可以得到可调中心频率及带宽的高温超导滤波器，本发明方法简单、体积小，通道插损小、驻波系数低、承受功率大，便于有效的克服了采用传统设计过程中设计步骤过于复杂，体积过大的问题，能保证滤波器获得最佳的滤波效果，可以广泛用于通信系统当中。

附图说明

图1为谐振器与馈线的电容耦合电路；

图2为实施例1中集总元件滤波器电路原理图；

图3为实施例1中螺旋高温超导微带线滤波器原理图；

图4为实施例1中螺旋高温超导微带线滤波器插入损耗及回归损耗特性图；

图5为实施例1中可调带宽高温超导微带线滤波器特性图

图6为实施例1中可调中心频率高温超导微带线滤波器特性图

具体实施方式

实施例1：

设计滤波器的中心频率为2540MHz，带宽为16MHz，输入输出馈线的特征阻抗为50Ω，滤波器插入损耗为0.04dB

利用(1)～(4)式，通过计算并查表可以得到所设计集总元件滤波器的电路如图2所示对上述集总滤波电路，谐振器采用半波长微带线，超导滤波器的制备采用基片为

MgO的双面YBCO超导薄膜。膜厚为500nm，基片介电常数为9.7，厚度为0.51mm。基片和超导膜的大小为10mm×15mm。滤波器被封装在无氧铜加工而成的屏蔽盒内。所设计的螺旋高温超导微带线滤波器原理图如图3所示。其插入损耗及回归损耗特性如图4所示。当其中心频率固定，带宽可调的滤波性能如图5所示，当其带宽固定，中心频率可调的滤波性能如图6所示，从图4、图5、图6可以看出，所实现的可调高温超导微带线滤波器，完全满足设计性能要求。

所设计带宽及中心频率可调的高温超导微带线滤波器已成功用于某脉冲多信道接收机中，经过FSK的调制和解调，输出结果良好。使用结果表明该器件对信道接收机调制脉冲及噪声电平有很好的抑制度，有效的克服了采用传统设计过程中设计步骤过于复杂，体积过大，需要加均衡器的问题，可以获得最佳的通道信号传输效果。

Claims (3)

1.一种可调带宽及中心频率的高温超导微带线滤波器，其特征在于：采用了一种结构紧凑的微带线谐振器，以减小谐振器尺寸。该谐振器同时可以降低谐振器之间的耦合，该谐振器与输入输出之间的耦合为电容耦合。本发明提出了电容耦合的集总元件带通滤波器等效电路。设计一个可调带宽及中心频率的3节高温超导微带线滤波器。

2.如权利1所述的可调高温超导微带线滤波器，谐振器的本征谐振频率为：

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}---\left(1\right)$

其中，ω₀为滤波器中心频率。各导纳变换器值为：

$J_{01}=J_{34}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ω}}_{0}C\·\mathrm{FBW}}{R{g}_0{g}_1}}---\left(2\right)$

$J_{12}=J_{23}=\mathrm{FBW}\frac{{\mathrm{\ω}}_{0}C}{\sqrt{g_1{g}_2}}---\left(3\right)$

其中，FBW为滤波器相对带宽。g_i为低通原型电路元件值，可以通过公式计算或查表求得。得到导纳变换器各电容值为：

$C_{j,j+1}=\frac{J_{j,j+1}}{{\mathrm{\ω}}_0}---\left(4\right)$

3.如权利1所述高温超导微带线滤波器电路，谐振器是半波长微带线滤波器，超导滤波器的制备采用基片为MgO的双面YBCO超导薄膜。膜厚为500nm，基片介电常数为9.7，厚度为0.51mm。基片和超导膜的大小为10mm×15mm。滤波器被封装在无氧铜加工而成的屏蔽盒内。

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