陸安江，雷濤，鄭迎賓

MgB2超導(dǎo)薄膜半開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)微帶濾波器設(shè)計(jì)?

陸安江，雷濤，鄭迎賓

（貴州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息學(xué)院，貴陽(yáng)550025）

采用MgB2超導(dǎo)薄膜材料設(shè)計(jì)了一個(gè)L頻段的濾波器。該濾波器采用半開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)微帶諧振腔，產(chǎn)生準(zhǔn)橢圓函數(shù)響應(yīng)。濾波器帶寬為61 MHz，中心頻率為1.75 GHz，帶內(nèi)波紋小于0.1 dB，回波損耗大于18 dB。針對(duì)微帶濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的中心頻率偏移、回波損耗過(guò)大等問(wèn)題提出了解決方法。

超導(dǎo)微帶濾波器；半開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)；MgB2超導(dǎo)薄膜

1 引言

2001年，日本青山學(xué)院大學(xué)的秋光純（J.Akimitsu）教授宣布發(fā)現(xiàn)MgB2材料的超導(dǎo)電性，其超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度達(dá)39 K［1］。2002年3月，貴州大學(xué)的X. H.Fu實(shí)驗(yàn)小組采用化學(xué)氣相沉積法［2］（Chemical Vapor Deposition，CVD）成功制備MgB2超導(dǎo)薄膜，該方法首先利用B2H6在高溫（495℃）下受熱分解，在Al2O3基片上沉積先驅(qū)的無(wú)定形B膜，再經(jīng)過(guò)后異步退火過(guò)程生成MgB2超導(dǎo)薄膜，轉(zhuǎn)變溫度Tc＝39 K，溫度為10 K時(shí)電流密度可達(dá)107 A／cm2以上。用超導(dǎo)材料替代普通材料制成的濾波器，可以大幅度提高無(wú)線通信接收機(jī)的選擇性和靈敏度，增強(qiáng)抗干擾能力，提高通信距離和通信質(zhì)量，減小發(fā)射機(jī)功率，應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)，可以加長(zhǎng)預(yù)警時(shí)間，提高制導(dǎo)精確度，增加末端制導(dǎo)距離等。1988年，美國(guó)開(kāi)始進(jìn)行高溫超導(dǎo)濾波器的研制；1995年，美國(guó)的Zhang等研制成19階切比雪夫高溫超導(dǎo)濾波器；2001年，日本的Ueno等研制成32階切比雪夫超導(dǎo)濾波器；1998年，英國(guó)的洪嘉生和Lancaster首先把準(zhǔn)橢圓函數(shù)用于超導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)，用較少的諧振單元獲得十分陡峭的邊帶；2003年，日本Tsuzuki等利用準(zhǔn)橢圓函數(shù)理論制成了具有5對(duì)零點(diǎn)的超導(dǎo)濾波器［3］。和YBCO等高溫超導(dǎo)材料相比較，MgB2不但具有較大的相干長(zhǎng)度、較大的臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度、無(wú)弱連接效應(yīng)、表面電阻小等優(yōu)異性能，而且其結(jié)構(gòu)和組成簡(jiǎn)單，原料豐富，價(jià)格低廉、易于加工合成［4］。本文采用MgB2超導(dǎo)薄膜，設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為1.75 GHz的四階半開(kāi)環(huán)微帶濾波器。

2 準(zhǔn)橢圓函數(shù)濾波器設(shè)計(jì)

準(zhǔn)橢圓函數(shù)濾波器在通帶內(nèi)的特性與Chebyshev濾波器相同，在帶外，由于引進(jìn)了衰減節(jié)，一對(duì)衰減節(jié)將會(huì)產(chǎn)生一對(duì)傳輸極點(diǎn)，可以有多對(duì)衰減節(jié)。準(zhǔn)橢圓函數(shù)響應(yīng)［5］為

式中，Ω是相對(duì)于低通原型濾波器的截止頻率ωc的歸一化頻率；ε是與回波損耗LR相關(guān)的波紋常數(shù)；LR＝20 lg S11，單位為dB，N是濾波器的階數(shù)；Ωa為S21（Ω）2的極點(diǎn)，Ω＝±Ωa構(gòu)成濾波器的一對(duì)傳輸零點(diǎn)。濾波器之間的頻率變換：

式中，ω是帶通濾波器的頻率變量，F(xiàn)BW為相對(duì)帶寬，ω0為帶通中心頻率。

帶通濾波器兩個(gè)衰減極點(diǎn)ωa1、ωa2為

引進(jìn)一對(duì)衰減節(jié)后的偶數(shù)節(jié)的準(zhǔn)橢圓濾波器低通原型電路如圖1所示。

準(zhǔn)橢圓函數(shù)帶通濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)和低通原型參數(shù)之間的關(guān)系為

式中，Cm是電容的歸一化值，Jm為特征變換器，其值可以在文獻(xiàn)［5］中查表獲得，N為濾波器的節(jié)數(shù)。

我們這里選擇的是半開(kāi)環(huán)諧振器，如圖2所示。

準(zhǔn)圓函數(shù)濾波器響應(yīng)的一對(duì)傳輸零點(diǎn)可以通過(guò)過(guò)耦合標(biāo)準(zhǔn)的切比雪夫?yàn)V波器的一對(duì)不相鄰的諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)。每一個(gè)方形構(gòu)成一個(gè)微帶諧振器，諧振器之間通過(guò)耦合的不同形式和不同間隙來(lái)達(dá)到正、負(fù)耦合及相應(yīng)耦合的大小。這種諧振器可以提供電耦合、磁耦合和混合耦合等3種耦合形式。正是由于諧振器能夠提供多種性質(zhì)的耦合，才使它能實(shí)現(xiàn)多種函數(shù)的濾波器。諧振器之間的耦合系數(shù)可以通過(guò)下式來(lái)決定：

式中，fp1、fp2是兩個(gè)諧振腔發(fā)生耦合時(shí)測(cè)出的高低諧振頻率。

得到諧振器之間的耦合系數(shù)后，可以根據(jù)耦合形式通過(guò)耦合系數(shù)來(lái)反推各諧振器間的距離［6］，由于諧振器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，已經(jīng)很難根據(jù)已有的公式直接去獲得諧振器間的精確距離?，F(xiàn)在的全波電磁場(chǎng)分析軟件和高性能的PC平臺(tái)使得這項(xiàng)工作變得相對(duì)容易些。

3 四極點(diǎn)開(kāi)環(huán)濾波器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)指標(biāo)為：中心頻率fo＝1.75 GHz，通帶帶寬BW＝60 MHz；

基片參數(shù)：Al2O3（99.6%）的多晶拋光片為襯底；厚度h＝1 mm；相對(duì)介電常數(shù)為9.6；MgB2薄膜厚度為1μm［1－2］。

如圖3所示，由于標(biāo)準(zhǔn)的SMA接頭的內(nèi)導(dǎo)體直徑為1.3 mm，為了使濾波器的抽頭與SMA連接器良好連接，需要把濾波器的抽頭線寬度加寬到1.5 mm，這樣就要求對(duì)文獻(xiàn)［7］中抽頭的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。

利用以下近似計(jì)算公式［5］

取Ωa＝2.2，可以得到：C1＝0.950 63，C2＝1.359 08，J1＝－0.129 92，J2＝1.024 99（LR＝－20 dB）。利用公式（6）（8），求得：M1，2＝M3，4＝0.030 17；M2，3＝0.025 86；M1，4＝－0.004 686。

利用諧振器之間的耦合系數(shù)，得到濾波器各諧振器耦合間隔的初值［6］，用ADS仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化過(guò)程經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下兩個(gè)問(wèn)題。

（1）中心頻率偏移

中心頻率偏移可以通過(guò)調(diào)整諧振器的臂長(zhǎng)l1、l2來(lái)改變諧振器長(zhǎng)度，但是為了保證諧振器開(kāi)口縫隙不至于太小而無(wú)法加工，可以通過(guò)同時(shí)增加或減少l1、l2的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整中心頻率。同時(shí)增加l1、l2的長(zhǎng)度，諧振器長(zhǎng)度增大，則中心頻率下降；相反同時(shí)減少l1、l2的長(zhǎng)度，諧振器長(zhǎng)度減小，則中心頻率升高。中心頻率與諧振器長(zhǎng)度滿足線性關(guān)系。

（2）回波損耗過(guò)大

當(dāng)負(fù)載阻抗與特性阻抗相等時(shí)，則可以消除回波，由于無(wú)耗傳輸線的阻抗是以半波長(zhǎng)λ／2為周期變化，所以可以通過(guò)微調(diào)抽頭位置來(lái)獲得良好的回波損耗特性。

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化后得到濾波器最終版圖如圖4所示，其頻率響應(yīng)特性曲線如圖5所示。

微帶濾波電路的面積為27.70 mm×20.50 mm，抽頭寬度為1.5 mm。

濾波器通帶3 dB帶寬為61 MHz，帶內(nèi)波紋小于0.1 dB，帶外抑制大于33 dB，通帶內(nèi)回波損耗大于18 dB，在頻率為1.68 GHz與1.803 GHz時(shí)有衰減零點(diǎn)出現(xiàn)。準(zhǔn)橢圓函數(shù)濾波器比切比雪夫?yàn)V波器具有更好的過(guò)渡特性。

采用銅質(zhì)屏蔽盒，為了盡可能減小屏蔽盒的損耗，在屏蔽盒腔內(nèi)外鍍一層金膜，以減小其損耗，采用M／A－COM公司生產(chǎn)的SMA密封接頭，并采用金屬銦對(duì)端口處進(jìn)行密封［7－8］。密封后的濾波器實(shí)物圖如圖6所示。

對(duì)封裝后的超導(dǎo)濾波器在液氦環(huán)境下進(jìn)行低溫測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)的原理圖如圖7所示。

采用Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試MgB2超導(dǎo)薄膜濾波器性能，MgB2超導(dǎo)薄膜濾波器工作在液氦溫區(qū)（20 K），這就對(duì)測(cè)試系統(tǒng)所需要的低溫制冷技術(shù)［9］提出了比高溫超導(dǎo)濾波系統(tǒng)更高的要求。由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件限制，未能對(duì)所設(shè)計(jì)的MgB2超導(dǎo)濾波器性能進(jìn)行測(cè)試。

在“十二五”規(guī)劃中曾提出不斷促進(jìn)第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高第三產(chǎn)業(yè)比重的期許，而不斷促進(jìn)第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有利于促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。擴(kuò)大增值稅征收范圍對(duì)于不斷促進(jìn)我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的意義，也符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展的規(guī)律。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于MgB2超導(dǎo)薄膜采用微帶半開(kāi)環(huán)微波諧振器，實(shí)現(xiàn)了兩對(duì)衰減極點(diǎn)，提高了濾波器的選擇性，其體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，并且過(guò)渡特性比契比雪夫特性的濾波器更為優(yōu)越。本文提出的微帶濾波器設(shè)計(jì)方法以及調(diào)整中心頻率偏移、減小回波損耗的措施行之有效，對(duì)MgB2超導(dǎo)薄膜材料在通信電子方面的應(yīng)用具有積極的探索意義。

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LU An－jiang was born in Zunyi，Guizhou Province，in 1979.He received the M.S.degree in Signal and Information Processing from Guizhou University，in 2006.He is currently working toward the Ph. D.degree in Microelectronics and Solid State Electronics at Guizhou University.His research interests include signal and information processing，microwave planar filters and mcroelectronic devices.

Email：luanjiang1999＠163.com

雷濤（1985－），男，山西運(yùn)城人，分別于2007年和2010年獲貴州大學(xué)學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，現(xiàn)為貴州大學(xué)理學(xué)院博士研究生，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄆ矫鏋V波器與微電子器件。

LEI Tao was born in Yuncheng，Shanxi Province，in 1985.He received the B.S.degree and the M.S.degree from Guizhou University in 2007 and 2010，respectively.He is currently working toward the Ph.D.degree in Microelectronics and Solid State Electronics at Guizhou University.His research interests include microwave planar filters and mcroelectronic devices.

Design of Semi-open-loop Structure Microstrip Filter using MgB2Superconducting Films

LU An-jiang，LEI Tao，ZHENG Ying-bin
（College of Computer Science＆Information，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

An L－band microstrip filter is designed using MgB2superconducting film.Semi-open-loop microstrip resonators are utilized to realize the quasi-elliptic function response.The bandwidth of the filter is 61 MHz at 1.75 GHz center frequency，the band ripple is less than 0.1 dB and the return loss is better than 18 dB.Methods are proposed to solve the problem that the center frequency deviates and the return loss is too high.

superconducting microstrip filter；semi-open-loop structure；MgB2superconducting film

The National Natural Science Foundation of China（No.60666001）；The Natural Science Foundation of Guizhou Province（J［2008］2120）

TN713.5

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2011.02.023

陸安江（1979－），男，貴州遵義人，2006年于貴州大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為貴州大學(xué)博士研究生，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理、微波平面濾波器與微電子器件；

1001－893X（2011）02－0112－04

2010－11－26；

2010－12－22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60666001）；貴州省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（黔科合J字［2008］2120）