劉天康,劉海文

(1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心 烏魯木齊監(jiān)測(cè)站,烏魯木齊 830000;2.西安交通大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,西安 710000)

0 引言

超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn),是現(xiàn)代物理學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。超導(dǎo)體的零電阻特性在電磁波傳輸控制方面發(fā)揮著極其重要的作用,特別是在高靈敏度微波濾波器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面,基本滿足了軍事、航空航天、射電天文、深空探測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景[1-3],但隨著電磁環(huán)境的不斷惡化,對(duì)微波濾波器件的性能要求更加嚴(yán)苛。

射電天文科學(xué)觀測(cè)是人類認(rèn)識(shí)宇宙的基本途徑,其完全基于接收源于宇宙的無(wú)線電波,從而對(duì)宇宙起源等科學(xué)問(wèn)題開展研究。但無(wú)線電頻譜是非常重要的戰(zhàn)略資源,根據(jù)無(wú)線電國(guó)際主管組織國(guó)際電信聯(lián)盟發(fā)布的全球無(wú)線電頻率劃分情況[4],目前未被人類使用的頻率越來(lái)越少,并正在研究將未分配利用的275GHz以上的頻譜資源進(jìn)行分配使用。使用最活躍的地面公眾移動(dòng)通信頻率已經(jīng)從數(shù)百M(fèi)Hz的分米波跨越到了數(shù)十GHz的毫米波,目前正在研究數(shù)百GHz的太赫茲頻段應(yīng)用到未來(lái)的地面公眾移動(dòng)通信中。中國(guó)已在2023年6月最新的無(wú)線電頻率劃分規(guī)定中,在全球率先將6GHz頻段劃分給國(guó)際移動(dòng)通信(international mobile telecommunications,IMT)使用[5]。隨著5G、6G、低軌衛(wèi)星星座等大量工作于新頻段的無(wú)線電通信系統(tǒng)的應(yīng)用,射電天文和深空探測(cè)等領(lǐng)域受干擾的情況將愈發(fā)嚴(yán)重,根據(jù)長(zhǎng)期無(wú)線電環(huán)境監(jiān)測(cè)顯示,衛(wèi)星導(dǎo)航頻率和地面移動(dòng)通信頻率是射電望遠(yuǎn)鏡最大的干擾源,如圖1所示[6-7]。

圖1 某射電天文望遠(yuǎn)鏡1GHz～2GHz電磁環(huán)境頻譜圖Fig.1 Electromagnetic environment spectrogram in 1GHz-2GHz for the radio astronomy telescope

由于大量無(wú)線電信號(hào)的干擾造成可觀測(cè)頻譜資源的日益減少,射電天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)于電磁抗干擾的需求越來(lái)越迫切,而采用高溫超導(dǎo)材料設(shè)計(jì)的陷波濾波器既能滿足射電信號(hào)高靈敏度的接收要求,也能滿足電磁抗干擾的需求,是射電天文望遠(yuǎn)鏡保持甚至是提升性能最佳的技術(shù)方案之一,在射電天文觀測(cè)和深空探測(cè)方面具備極大的電磁抗干擾和高性能特性的應(yīng)用潛力。因此,很多寬帶或窄帶陷波濾波器被設(shè)計(jì)出來(lái)以滿足不同領(lǐng)域的抗干擾需求[8-11],文獻(xiàn)[8]在饋線端采用交趾耦合線的技術(shù)抑制UWB頻段內(nèi)250MHz的寬帶信號(hào)[8],文獻(xiàn)[9]在主諧振器內(nèi)部嵌入兩個(gè)短路環(huán)形諧振器抑制UWB頻段內(nèi)600MHz的寬帶信號(hào)[9],文獻(xiàn)[10]在主諧振器上耦合一對(duì)四分之波長(zhǎng)諧振器來(lái)產(chǎn)生陷波[10],文獻(xiàn)[11]通過(guò)在低通濾波器中添加4組叉指電容環(huán)路諧振器實(shí)現(xiàn)了500MHz的寬帶陷波[11],然而以上工作的設(shè)計(jì)技術(shù)并不太適用于射電天文這類需要對(duì)窄帶干擾信號(hào)進(jìn)行抑制的應(yīng)用場(chǎng)景,同時(shí)打孔接地結(jié)構(gòu)也不適用于超導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)和制造。而公開發(fā)表的采用高溫超導(dǎo)技術(shù)設(shè)計(jì)的陷波濾波器則非常少,文獻(xiàn)[12]利用高溫超導(dǎo)技術(shù)采用4個(gè)復(fù)合左右手零階電路產(chǎn)生陷波,但實(shí)測(cè)響應(yīng)的頻率漂移現(xiàn)象較嚴(yán)重,達(dá)到了設(shè)計(jì)帶寬的20%[12]。LIU H W等基于十余年高溫超導(dǎo)濾波器領(lǐng)域的研究和設(shè)計(jì)成果[13-15],在電磁抗干擾方面做了一些工作,用于滿足射電天文、深空探測(cè)等場(chǎng)景對(duì)高性能、抗干擾微波濾波器的迫切需求,取得了一些研究成果[2-3,16]。

本文選取本團(tuán)隊(duì)的部分工作,介紹高溫超導(dǎo)濾波器在電磁抗干擾方面的研究情況,主要有基于多模諧振結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)單/雙陷波寬帶濾波器和基于雙階躍阻抗雙模諧振結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)單陷波多通帶濾波器的研究和設(shè)計(jì)。本團(tuán)隊(duì)研究工作的創(chuàng)新點(diǎn)在于,一是在L波段應(yīng)用高溫超導(dǎo)陷波濾波器技術(shù)服務(wù)于射電天文望遠(yuǎn)鏡的抗干擾和觀測(cè)性能提升場(chǎng)景,二是提出兩款新型多模諧振電路用于寬帶和多通帶的設(shè)計(jì),三是設(shè)計(jì)的濾波器的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度較高。

1 陷波濾波器設(shè)計(jì)原理

本文研究和介紹的高溫超導(dǎo)陷波濾波器均為二端口微波器件,可以采用二端口微波網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)分析方法進(jìn)行綜合分析進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。對(duì)于諧振器可以采用經(jīng)典的傳輸線理論和奇偶模分析方法對(duì)諧振模式開展分析工作,具體分析方法在后續(xù)諧振器分析中進(jìn)行詳細(xì)介紹。

濾波器的頻率響應(yīng)特性在通帶內(nèi)表現(xiàn)為傳輸而在阻帶內(nèi)表現(xiàn)為衰減,可以由散射參數(shù)中的S21來(lái)表示,如式(1)所列:其中,ε為波紋系數(shù),Fn(Ω)為特征函數(shù),Ω表示頻率。

(1)

而濾波器在阻帶內(nèi)的衰減特性可以表示為式(2)所列:

(2)

公式(1)和公式(2)在濾波器設(shè)計(jì)中極為重要。設(shè)計(jì)陷波濾波器時(shí),可將陷波作為衰減特性來(lái)設(shè)計(jì)。陷波濾波器的理想散射矩陣與帶通濾波器的理想散射矩陣一致,如式(3)所列。

(3)

在設(shè)計(jì)濾波器時(shí),根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo),結(jié)合理論計(jì)算得到濾波器階數(shù)、極點(diǎn)、零點(diǎn)和耦合矩陣,使用電磁仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真,根據(jù)濾波器的理論響應(yīng)來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)的電路版圖。其中,要對(duì)濾波器的耦合系數(shù)和外部品質(zhì)因子進(jìn)行計(jì)算,以高效的得到符合設(shè)計(jì)要求的電路版圖。諧振器間的間距由耦合系數(shù)來(lái)確定,饋線的布局由外部品質(zhì)因子來(lái)確定。耦合系數(shù)Mij和外部品質(zhì)因子Qex的計(jì)算公式分別為式(4)和式(5)。其中,fp1和fp2是兩個(gè)諧振器在弱耦合下的耦合低頻率和高頻率,f0為S11響應(yīng)的峰值頻率,Δf±90°是S11相位曲線正負(fù)90度對(duì)應(yīng)的頻差。根據(jù)計(jì)算的Mij和Qex可以對(duì)濾波器的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

(4)

(5)

下面以傳輸線理論對(duì)陷波的形成開展分析。陷波單元諧振時(shí)會(huì)與多模諧振器的通帶產(chǎn)生耦合作用,而與多模諧振器及其饋電網(wǎng)絡(luò)組成新的濾波器系統(tǒng)。當(dāng)陷波單元處于非諧振狀態(tài)時(shí),不參與濾波器的傳輸響應(yīng)。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果也表明,陷波單元的加入對(duì)濾波器通帶響應(yīng)的影響并不明顯。因此,為理解陷波單元的工作原理,將陷波單元視作帶通濾波器的負(fù)載來(lái)分析,如圖2所示。

圖2 陷波單元作為帶通濾波器負(fù)載的拓?fù)鋱DFig.2 The diagram of notched resonator is regarded as load for bandpass filter

根據(jù)傳輸線理論可以得到輸入阻抗Zin為式(6)所列:

(6)

式(6)中,Z0為帶通濾波器傳輸響應(yīng)時(shí)的特征阻抗,Zl為陷波單元的特征阻抗,θ表示頻率的電長(zhǎng)度。

當(dāng)處于通帶響應(yīng)時(shí),負(fù)載不參與濾波器傳輸響應(yīng),此時(shí)等效于沒有負(fù)載,輸入阻抗Zin為式(7)所列:

Zin=jZ0tanθ

(7)

當(dāng)處于陷波響應(yīng)時(shí),負(fù)載為諧振狀態(tài),即Zl=∞,此時(shí)輸入阻抗Zin為式(8)所列:

(8)

無(wú)論是陷波響應(yīng)還是通帶響應(yīng),多模諧振器均表征為諧振狀態(tài),對(duì)式(7-8)進(jìn)行化簡(jiǎn),即有式(9):

(9)

因此,只要將一個(gè)具備帶內(nèi)諧振特性的負(fù)載以一定的耦合關(guān)系加載到一個(gè)帶通濾波器上,就可以在通帶內(nèi)產(chǎn)生陷波響應(yīng),這為陷波濾波器的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。本文介紹的高溫超導(dǎo)陷波濾波器均是在該理論指導(dǎo)下開展的研究和設(shè)計(jì)。

2 多模諧振器設(shè)計(jì)與分析

高溫超導(dǎo)濾波器工作環(huán)境對(duì)低溫的要求非常苛刻,為了降低制造和維護(hù)成本,要求高溫超導(dǎo)微波無(wú)源器件進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)以節(jié)約空間,其中采用多模諧振器是設(shè)計(jì)小型化濾波器的一種有效方法。本文介紹兩款團(tuán)隊(duì)提出的多模諧振器,并對(duì)其諧振特性進(jìn)行分析。

2.1 非對(duì)稱雙T型加載的多模諧振器

為了滿足寬帶和小型化需求,團(tuán)隊(duì)提出了非對(duì)稱雙T型枝節(jié)加載的多模諧振器,并采用經(jīng)典的奇偶模分析方法對(duì)諧振器諧振特性進(jìn)行分析,如圖3所示,為了便于分析,將其中心對(duì)稱線分別設(shè)置為電壁和磁壁,就分別得到了奇模電路和偶模電路,如圖3(b)和圖3(c)所示,其中W是寬度;L是長(zhǎng)度。

圖3 非對(duì)稱雙T型加載的多模諧振器和奇偶模電路Fig.3 Proposed multi-mode resonator loaded asymmetric double T-shaped stubs and equivalent circuit models

根據(jù)傳輸線理論,可得到奇模的輸入導(dǎo)納為:

Yin_odd=-jY1cotθ1

(10)

奇模在輸入導(dǎo)納為零時(shí)產(chǎn)生諧振,可以得到奇模諧振條件為式(11)所列:

cotθ1=0

(11)

根據(jù)式(11),奇模諧振頻率完全由枝節(jié)L1進(jìn)行控制。對(duì)于圖3(c)所示的偶模,輸入導(dǎo)納為式(12)所列:

(12)

通過(guò)化簡(jiǎn),并假設(shè)Y1=Y2,得到偶模諧振條件為式(13)所列:

tanθ1+tan(θ2+θ3)+tan(θ4+θ5)=0

(13)

根據(jù)式(11)和式(13),可設(shè)計(jì)具備三模特性的多模諧振器,諧振特性和電流分布如圖4所示。諧振器偶模由加載枝節(jié)L3和L5控制,如圖5所示。

圖4 多模諧振器的諧振模式和電流分布Fig.4 Resonant frequencies of the proposed multi-mode resonator and current distributions at resonant frequencies

圖5 頻率與枝節(jié)長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.5 Resonant frequencies with varied stub lengths

2.2 雙階躍阻抗多模諧振器

團(tuán)隊(duì)在經(jīng)典發(fā)卡諧振器的基礎(chǔ)上,通過(guò)不均勻阻抗分布技術(shù)和去耦合技術(shù),提出了雙階躍阻抗雙模諧振器[16]如圖6所示,諧振模式電流分布圖見圖7。由于該諧振器為對(duì)稱結(jié)構(gòu),為便于分析,將其中心對(duì)稱線分別設(shè)置為電壁和磁壁,如圖6(b)所示,就分別得到了奇模諧振電路和偶模諧振電路,如圖6(c)和(e)所示。在奇模諧振電路中,根據(jù)諧振原理,(Z3,θ3)傳輸線對(duì)奇模諧振無(wú)影響,因此奇模諧振電路可化簡(jiǎn)為圖6(d)。

圖6 團(tuán)隊(duì)提出的雙階躍阻抗諧振器Fig.6 Proposed double stepped-impedance resonator

圖7 諧振模式電流圖Fig.7 Current distributions at resonant frequencies

根據(jù)傳輸線理論和奇偶模理論,可以計(jì)算出諧振電路的奇模輸入導(dǎo)納Yin-odd和偶模輸入導(dǎo)納Yin-even分別為式(14)與式(15)所列:

(14)

(15)

根據(jù)諧振時(shí)的輸入導(dǎo)納為零的原則,并通過(guò)簡(jiǎn)化和計(jì)算,可以得到奇模諧振頻率fin_odd和偶模諧振頻率fin_even分別為式(16)與式(17)所列:

(16)

(17)

其中,εe1、εe2和εe3分別是(Z1,θ1),(Z2,θ2)和(Z3,θ3)傳輸線的有效介電常數(shù)。從式(16-17)可得偶模諧振頻率可通過(guò)電長(zhǎng)度θ3進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控,而不改變奇模諧振頻率。

3 高溫超導(dǎo)陷波濾波器設(shè)計(jì)

新疆天文臺(tái)的25米射電天文望遠(yuǎn)鏡工作波段之一為L(zhǎng)波段,但在該波段受到GPS信號(hào)和地面移動(dòng)通信信號(hào)的嚴(yán)重干擾,影響了其性能和相關(guān)科學(xué)工作的開展?？紤]到寬帶特性、低溫空間的小體積以及干擾信號(hào)的抑制,恢復(fù)已被干擾的射電天文望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)能力,團(tuán)隊(duì)基于寬帶特性和小型化需求,提出一款新型非對(duì)稱雙T型枝節(jié)加載的多模諧振器,并在陷波形成的理論指導(dǎo)下,設(shè)計(jì)了兩款高溫超導(dǎo)單陷波寬帶濾波器和一款高溫超導(dǎo)雙陷波寬帶濾波器。設(shè)計(jì)的高溫超導(dǎo)陷波寬帶濾波器采用的介質(zhì)基板均為氧化鎂(MgO),介電常數(shù)為9.78,基板厚度為0.5mm,電路加工后均在77K低溫條件下進(jìn)行測(cè)試。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的單陷波寬帶濾波器在新疆天文臺(tái)25米射電天文望遠(yuǎn)鏡的干擾場(chǎng)景中進(jìn)行了試用,結(jié)果顯示,設(shè)計(jì)的陷波濾波器具備明顯的電磁抗干擾能力。

本部分內(nèi)容介紹的前兩款濾波器均采用非對(duì)稱雙T型枝節(jié)加載的多模諧振器設(shè)計(jì),合適的耦合產(chǎn)生了優(yōu)異帶內(nèi)波紋的寬帶響應(yīng),內(nèi)嵌彎折陷波單元實(shí)現(xiàn)了窄帶陷波響應(yīng),源負(fù)載耦合方式獲得了零點(diǎn)響應(yīng)以提高通帶選擇性。最后一款濾波器采用雙階躍阻抗諧振器設(shè)計(jì),借助階躍阻抗諧振器特性產(chǎn)生了寬阻帶的響應(yīng),下面具體介紹。

3.1 單陷波寬帶濾波器

該濾波器拓?fù)鋱D和實(shí)物圖見圖8,尺寸大小為0.318λg×0.247λg。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果見圖9,帶寬為1GHz～2GHz,相對(duì)帶寬為66.7%,插損優(yōu)于0.2dB,回波損耗優(yōu)于19dB。彎折饋線和耦合產(chǎn)生了一對(duì)傳輸零點(diǎn)提高了通帶選擇性,阻帶抑制度為20dB。陷波位于1.805GHz,相對(duì)帶寬為0.56%,抑制度為25dB[2]。團(tuán)隊(duì)將圖8所示的濾波器進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變,進(jìn)而開展了尺寸小型化和稍寬陷波帶寬的設(shè)計(jì)工作[3],此工作本文不再贅述。

圖8 單陷波高溫超導(dǎo)濾波器拓?fù)鋱D和實(shí)物圖Fig.8 Layout and photograph of the proposed wideband HTS filter with a narrow notched-band

圖9 單陷波高溫超導(dǎo)濾波器仿真與實(shí)測(cè)S參數(shù)響應(yīng)Fig.9 Simulated and measured S-parameters responses of the fabricated wideband HTS BPF with a narrow notched-band

3.2 雙陷波寬帶濾波器

為了抑制L波段內(nèi)的GPS L1頻段和1.8GHz地面移動(dòng)通信頻段的干擾,團(tuán)隊(duì)在上述工作[2-3]的基礎(chǔ)上開展了高溫超導(dǎo)雙陷波寬帶濾波器的研究和設(shè)計(jì)。該濾波器拓?fù)鋱D和實(shí)物圖如圖10所示,陷波頻率可由枝節(jié)L15和L17分別調(diào)控。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果見圖11,帶寬范圍為1GHz～2GHz,插損優(yōu)于0.47dB,由于加工誤差,仿真結(jié)果為22dB的回波損耗實(shí)測(cè)為14dB。由彎折饋線和耦合產(chǎn)生了五個(gè)傳輸零點(diǎn)(transmission zero,TZ),將阻帶抑制度改善到20dB以上,通帶矩形系數(shù)(BW-40dB/BW-3dB)為1.2,具備很好的通帶選擇性。陷波位于1.575GHz和1.82GHz,相對(duì)帶寬為0.56%和0.54%,抑制度均達(dá)到了30dB,可以很好地對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。

圖10 提出的雙陷波高溫超導(dǎo)寬帶濾波器拓?fù)鋱D和實(shí)物圖,Fig.10 The fabricated wideband HTS filter with two notched-band

圖11 雙陷波高溫超導(dǎo)濾波器的仿真和實(shí)測(cè)S參數(shù)Fig.11 Simulated and measured S-parameters responses of the fabricated wideband HTS BPF with two narrow notched-band

3.3 單陷波多通帶濾波器

為滿足射電天文望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對(duì)多個(gè)射電源信號(hào)的獨(dú)立接收需求,并對(duì)通帶內(nèi)的1.8GHz地面移動(dòng)通信信號(hào)干擾的抑制,團(tuán)隊(duì)基于雙階躍阻抗雙模諧振器開展了高溫超導(dǎo)單陷波多通帶濾波器的研究和設(shè)計(jì)。

陷波單元的耦合強(qiáng)度可以調(diào)控陷波相對(duì)帶寬,其電長(zhǎng)度可以調(diào)控陷波頻率。整個(gè)陷波濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和S參數(shù)響應(yīng)如圖12和圖13所示。

圖12 高溫超導(dǎo)單陷波多通帶濾波器拓?fù)鋱DFig.12 Layout of the HTS filter with a narrow notched-band and multi-bandpass

圖13 S參數(shù)響應(yīng)Fig.13 S-parameters responses

陷波單元與主諧振器間的耦合關(guān)系產(chǎn)生了一對(duì)傳輸零點(diǎn),獲得了很好的陷波特性。同時(shí),兩個(gè)通帶因耦合關(guān)系各產(chǎn)生了一個(gè)傳輸極點(diǎn),這一特性不僅增強(qiáng)了陷波的衰減特性,同時(shí)增強(qiáng)了通帶的選擇特性。陷波濾波器三個(gè)通帶的中心頻率分別為1.775GHz、1.89GHz和2.45GHz,通帶相對(duì)帶寬分別為3.49%、3.09%和3.47%。陷波的中心頻率為1.83GHz,相對(duì)帶寬為3.06%,陷波抑制度達(dá)到27dB,阻帶倍頻程以抑制度為23dB延展至3.94fodd[16]。其寬阻帶產(chǎn)生的機(jī)理為:階躍阻抗諧振器由于其阻抗分布的不均勻性產(chǎn)生了有效介電常數(shù)改變的結(jié)果,根據(jù)諧振原理,進(jìn)而其諧振器本身具備將高次諧波推高至離基模更遠(yuǎn)的頻率處的能力,同時(shí)該濾波器設(shè)計(jì)的饋電方式對(duì)諧振器高次諧波的激勵(lì)較弱,特別是偶模的二次和三次諧波沒有被有效激勵(lì),使得設(shè)計(jì)的濾波器阻帶較寬,可以延展至近4倍頻處,獲得了較好的寬阻帶效果。

4 結(jié)論

本文介紹了研究團(tuán)隊(duì)近年在具備電磁抗干擾能力的高溫超導(dǎo)陷波濾波器和射電天文應(yīng)用方面的研究工作,介紹了基于非對(duì)稱雙T型枝節(jié)加載和雙階躍阻抗的多模諧振結(jié)構(gòu)在寬頻帶和多頻帶小型化的陷波濾波器中的研究和設(shè)計(jì)。相較于普通材料,高溫超導(dǎo)材料能夠有效地減少插入損耗,進(jìn)而提高射頻前端的靈敏度,增強(qiáng)接收系統(tǒng)對(duì)微弱電磁信號(hào)的探測(cè)。同時(shí),陷波的設(shè)計(jì)能夠很好地抑制接收頻段內(nèi)的電磁干擾,提升系統(tǒng)的抗干擾能力。因此,本文的研究工作在電磁環(huán)境復(fù)雜惡化的現(xiàn)代和未來(lái)射電天文以及深空探測(cè)的電磁抗干擾和高靈敏度系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用前景。下一步,隨著科學(xué)研究需求和無(wú)線電通信系統(tǒng)的增多,基于寬帶單/雙陷波和多頻帶單陷波的工作,將開展多頻帶多陷波技術(shù)的研究和應(yīng)用,以適應(yīng)不斷復(fù)雜變化的電磁環(huán)境和應(yīng)用需求。