可重構高溫超導濾波器的研制

季來運

(天津海泰超導電子有限公司，天津 300384)

0 引言

隨著無線通信系統的迅猛發展，空間電磁頻譜日益密集，通信設備之間的干擾越來越嚴重，無線通信環境越來越惡劣。而且同一無線通信設備需要滿足多種不同工作頻段的應用要求和通信模式，各個頻段需要采用不同的濾波器來進行頻帶的選擇。因此人們希望用單個可重構濾波器代替傳統的濾波器組，去除冗余的射頻器件，精簡射頻前端結構，減小損耗。目前可重構濾波器已經成為國內外電磁領域研究的一個熱點?？芍貥嫀V波器可以靈活調整設備的工作頻率，充分利用無線頻率資源，提高設備的無線環境適應性；而可重構帶阻濾波器則可以隨時濾除設備工作的無線環境中的非預期干擾信號，提升設備的抗干擾能力[1-3]。

高溫超導材料的微波電阻比傳統金屬材料小3個數量級左右，利用超導薄膜制作的超導濾波器具有插入損耗極小、過渡帶陡峭、帶外抑制高的特點。近年來國內的科研院所和專業公司已經成功研制多種滿足極苛刻技術指標要求、具有國際一流技術水平的超導濾波器產品[4-5]。

隨著微加工技術、超導材料等學科的發展，目前國內外已經將超導材料應用于可重構濾波器的開發，并取得一定的研究成果。Sekiya等人[6]采用π型波導結構開發了三階帶寬可重構超導濾波器，工作頻率為5.17 GHz，實現了帶寬80 MHz的可調。清華大學Suo等人[7]采用變容管設計了帶寬為23.8 MHz的二階可重構超導濾波器，中心頻率在924.5～1 030.8 MHz可調，插損為1.41 dB。物理所Li等人[8]研制了相對帶寬約為3%的可調帶通超導濾波器，中心頻率調節范圍為430～720 MHz，插損為3.8 dB。Wang等人[9]設計了可調帶阻超導濾波器，中心頻率調節范圍為286～485 MHz，阻帶抑制深度為26～70 dB，-3 dB阻帶帶寬為6.9～7.9 MHz。從目前研究現狀來看，高性能可重構超導濾波器的實現還是比較困難，多數可重構超導濾波器設計階數較低，帶寬較寬，距離高性能指標要求還有一定距離。相信隨著材料、設計、工藝等方面技術的新突破，可重構超導濾波器將會在認知無線電、雷達、電子對抗以及相關軍用、民用系統設備中發揮重要的作用，具有極其廣泛的應用前景。

1 可重構超導帶通濾波器

可重構超導帶通濾波器要求中心工作頻率為242.5 MHz，可調頻率范圍為235～250 MHz，通帶寬度為0.7 MHz，阻帶抑制大于70 dB。

1.1 超導帶通濾波器理論設計

本工作的設計思路是基于切比雪夫原型的五階帶通濾波器，諧振器為電容加載的半波長微帶結構，濾波器整體采用諧振器平行耦合結構，濾波器的頻率可重構通過可變電容器件的電容值變化來實現。五階帶通濾波器的等效電路如圖1所示。

圖1 五階帶通濾波器等效電路圖Fig. 1 Equivalent circuit of 5-pole band-pass filter

結合濾波器的主要技術要求，利用切比雪夫濾波器的低通原型轉換和設計方法，可以很方便地得到五階濾波器的基本電路參數[10]。

濾波器相鄰諧振器間的耦合系數和外部品質因數由公式(1)和公式(2)給出：

(1)

(2)

其中FBW是濾波器相對帶寬，Ki,i+1代表第i個與第i+1個諧振器間的耦合系數，Qei和Qeo分別代表濾波器輸入端和輸出端的外部品質因數，gi和gi+1分別代表切比雪夫低通濾波器原型中第i個和第i+1個電導參數，n=5為濾波器階數。

為進一步提升濾波器的設計性能指標，在各參數初始值的基礎上，通過設計軟件，進行濾波器的綜合優化，得到如圖2所示的五階帶通濾波器理論曲線，其中黑色實線為濾波器的傳輸特性，黑色虛線為反射特性。在各諧振器耦合系數保持不變的情況下，僅僅變更諧振器的諧振頻率，同樣可以得到其對應的理論曲線，分別如圖2中的藍色曲線和紅色曲線所示，可以看到，結果只是濾波器的工作頻率發生變化，而其頻域特性仍然保持非常理想的狀態，同時隨頻率的升高，其通帶寬度會隨之增加，相對帶寬保持不變。

圖2 可重構帶通濾波器理論曲線Fig.2 Theoretical response curve of reconfigurable band-pass filter

由濾波器綜合優化后的電路參數可提取得到五階帶通濾波器的耦合系數矩陣，以及濾波器外部品質因數Qei和Qeo。

Qei=Qeo=325.6057469

f0=242.5 MHz

1.2 超導帶通濾波器電路設計仿真

由于濾波器工作頻率較低，設計采用2英寸0.5 mm厚度的鋁酸鑭(LaAlO3)作為襯底，其介電常數取23.75。

為減小濾波器的物理電路尺寸，諧振器采用對稱多折線結構，無電容加載情況下諧振器長度由公式(3)計算：

(3)

其中f0為濾波器的中心頻率，c為自由空間電磁波傳播速度，εeff為微帶電路襯底有效介電常數。

為實現濾波器工作頻率的可重構，在半波長諧振器的兩端進行可變電容加載?？勺冸娙莸囊霑M一步縮短諧振器的長度，同時使諧振器具備頻率可重構的特性，諧振器結構如圖3(a)所示。

電容加載諧振器的工作頻率由公式(4)給出：

(4)

其中Cr為可變電容的電容值，L0為諧振器微帶電路的總電感值，C0為諧振器微帶電路的總電容值，諧振器的工作頻率fr將隨可變電容元件的電容值Cr的變化而變化，從而實現濾波器工作頻率可重構的設計要求。

以濾波器的耦合矩陣參數為理論依據，采用協同仿真技術，通過耦合系數確定相鄰諧振器間距，通過外部品質因數確定濾波器輸入輸出饋線的位置，進而搭建出整體物理電路，其設計過程已經非常成熟，本文不再贅述[11]。

由以上的步驟可以得到所設計濾波器的初步物理電路結構，由于所設計的帶通濾波器帶寬較窄，偏置電壓的引入以及電路結構非預期寄生效應的存在，對窄帶濾波器的性能影響較大，所以濾波器的初步仿真結果也會和理論響應曲線存在一定差距，因此需要對整個濾波器電路進行結構微調和優化，進而確定濾波器的最終電路結構，如圖3(b)所示。在仿真過程中，我們將微帶電路設置為理想導體，將可變電容設置為理想元件。在微帶電路保持不變的情況下，通過調整可變電容器件的電容值(其值由1.5 pF增大至2.94 pF)，可得到不同頻率的仿真曲線，即可重構帶通濾波器的理想仿真結果，如圖4所示。

圖3 諧振器及濾波器電路結構示意圖 (a)電容加載諧振器；(b)五階帶通濾波器Fig.3 Schematic diagram of resonator and filter (a) Resonator loaded tuning varactor; (b) 5-pole band-pass filter

圖4 可重構帶通濾波器仿真結果Fig.4 Simulation results of reconfigurable band-pass filter

從仿真結果可以看到，帶通濾波器工作頻率隨電容值的減小而升高，帶寬也略有增大，濾波器可以實現235～250 MHz范圍的頻率連續可調，插入損耗小于0.1 dB，阻帶抑制可達80 dB以上。同時，由于物理電路整體布局的調整安排，濾波器在低端阻帶產生了寄生傳輸零點，有效提升了濾波器低頻側的帶邊陡度，設計結果達到了預期值。

1.3 超導帶通濾波器制作測試

制作可重構超導濾波器電路的雙面超導薄膜材料鏑鋇銅氧(DyBa2Cu3O7)采用多源熱共蒸技術制備得到，提升了超導薄膜的均勻性，其厚度為600 nm，微波表面電阻Rs小于0.5 mΩ。微帶電路采用半導體平面精細加工工藝技術制作，經過涂膠、曝光、顯影、離子束刻蝕、劃片等過程，得到超導濾波器電路芯片。完成超導芯片、標準SMA接頭、偏置電壓引線、銅質屏蔽盒的整體裝配后，采用安捷倫公司的矢量網絡分析儀8753ES進行射頻性能測試。超導濾波器由斯特林制冷機進行制冷，在工作溫度為70 K時，通過調整可變電容的偏置電壓來改變電容值，得到濾波器相對應的一組頻率響應曲線，如圖5所示。

圖5 可重構超導帶通濾波器測試結果Fig.5 Measured result of reconfigurable band-pass filter

由測試結果可見，濾波器實現了在235～250 MHz范圍內頻率連續可調的性能，帶寬保持在0.7±0.2 MHz，濾波器阻帶抑制大于70 dB，濾波器傳輸特性曲線與設計結果吻合。濾波器插入損耗實際測試結果為2.51～9.64 dB，采用倒推擬合的方法來估算諧振器的品質因數，可以得到如表1的結果。

表1 不同頻率下諧振器品質因數Table1 Q valueof resonator at different operating frequencies

從上表數據可以看到，在濾波器的插入損耗為9.64 dB時，諧振器的品質因數仍然高于1 000，所以損耗較大的原因是濾波器帶寬屬于窄帶，與所采用的可變電容器件與超導薄膜材料相比其Q值不夠高所致。

2 可重構超導帶阻濾波器

可重構超導帶阻濾波器要求頻率為243.5 MHz，可調頻率范圍為223.5～263.5 MHz，阻帶寬度為1.0 MHz，阻帶抑制大于40 dB。

2.1 超導帶阻濾波器理論設計

設計思路是基于切比雪夫原型的五階帶阻濾波器，諧振器為電容加載的半波長微帶結構，濾波器整體采用諧振器與主傳輸線依次耦合結構。濾波器的頻率可重構通過可變電容器件的電容值變化來實現。每個諧振器的諧振頻率完全相同，相鄰兩個諧振器之間的主傳輸線長度是1/4波長[12]。帶阻濾波器的電抗斜率參數依據公式(5)計算得出：

Xi=ωi·Li=1/(ωi·Ci)=Z0·g0/(gi·FBW) (i=1 to n)

(5)

其中，ωi=ω0是濾波器的中心角頻率，FBW是帶阻濾波器的相對帶寬，gi為切比雪夫低通原型相應第i個元件的電導參數值，n=5為濾波器階數，Z0為傳輸線的特性阻抗。

電抗斜率參數與帶阻濾波器的中心頻率之間關系由公式(6)計算得出：

Xi/Z0=f0/(2·△fi3dB) (i=1 to n)

(6)

其中，f0是帶阻濾波器中心頻率，△fi3dB是-3 dB處帶寬。

按照切比雪夫帶阻濾波器的綜合設計理論，給出五階帶阻濾波器的等效電路，如圖6所示。

圖6 五階帶阻濾波器等效電路圖Fig.6 Equivalent circuit of 5-pole band-stop filter

在電路初始參數基礎上，通過設計軟件對帶阻濾波器進行綜合優化，得到如圖7所示的五階濾波器理論曲線，其中黑色實線為濾波器的傳輸特性，黑色虛線為反射特性。在濾波器各諧振器與主傳輸線的耦合關系保持不變的情況下，僅變更諧振器的諧振頻率，可得到相對應的濾波器理論曲線，選擇低頻率的223.5 MHz以及高頻率的263.5 MHz兩組數據，分別如圖中的藍色和紅色曲線，可以看到，濾波器在頻率變化時，其頻域特性仍然保持非常理想的狀態，而帶寬同樣遵循隨頻率的增高而略有增大的趨勢。

圖7 可重構帶阻濾波器理論曲線Fig.7 Theoretical response curve of reconfigurable band-stop filter

2.2 超導帶阻濾波器電路設計仿真

帶阻濾波器的設計同樣采用鋁酸鑭(LaAlO3)基片作為襯底，諧振器采用對稱的1/2波長多折線結構，在諧振器的兩端進行可變電容加載，使諧振器具備頻率可重構的特性?？勺冸娙莸囊脒M一步縮短諧振器的長度，如圖8(a)所示。

圖8 諧振器及主傳輸線結構示意圖 (a) 電容加載諧振器；(b) 主傳輸線Fig.8 Schematic diagram of resonator and transmission line (a) Resonator loaded tuning varactor; (b) Transmission line

每兩個諧振器之間的主傳輸線長度是1/4波長，受限于超導薄膜面積，需要設計適宜的傳輸線形式，本工作采用折線結構，如圖8(b)所示，有效地解決了主傳輸線的長度問題，使整個濾波器可以排布于2英寸基片上。

在帶阻濾波器理論設計中，各諧振器只與主傳輸線發生耦合作用，所以在電路設計中要盡可能地消除或者減弱諧振器之間的直接耦合。一種方法是物理上分離這些諧振器，如把每一個諧振器置于單獨的金屬盒中來隔離彼此之間的耦合，這樣能夠得到很好的效果，但是機械結構較復雜，同時會增加濾波器的尺寸[13]。本工作采用將諧振器依次通過曲折的主傳輸線進行隔離的方法，較好地減弱了諧振器之間的耦合效應。

諧振器及主傳輸線結構形式確定后，通過協同仿真技術，計算帶阻濾波器主傳輸線與每個諧振器的耦合關系，仿真得到其頻率響應曲線，通過調整各諧振器與傳輸線的相對位置，使得到的仿真數據與理論值一致，來最終確定各自的位置關系。

最后，搭建出五階可重構超導帶阻濾波器的整體物理電路，經過電磁場全波模擬仿真和微調優化，得到最終的仿真結果，完成帶阻濾波器物理電路設計。如圖9中黑色曲線所示，其中黑色實線為傳輸特性，黑色虛線為反射特性。在仿真過程中，同樣將微帶電路設置為理想導體，將可變電容設置為理想器件。在微帶電路保持不變的情況下，通過調整可變電容器件的電容值，可以得到不同頻率的仿真曲線，即可重構帶阻濾波器的理想仿真結果，選擇五組不同頻率模擬仿真曲線，工作頻率分別為223.5 MHz、233.5 MHz、243.5 MHz、253.5 MHz、263.5 MHz，如圖10所示。

圖9 五階可重構超導帶阻濾波器電路結構示意圖Fig.9 Schematic diagram of 5-pole reconfigurable band-stop filter

圖10 可重構超導帶阻濾波器仿真曲線Fig.10 Simulation results of reconfigurable band-stop filter

2.3 超導帶阻濾波器制作測試

采用相同的標準工藝完成超導濾波器芯片的制作，以及超導芯片、屏蔽盒、射頻接口、偏置電壓引線裝配。斯特林制冷機將可重構超導帶阻濾波器降溫至70 K，用網絡分析儀8753ES測試濾波器性能。通過調整偏置電壓、改變可變電容的容值，可以實現濾波器工作頻率的連續可調及濾波器頻域特性的重構，選擇三組不同工作頻率的測試結果，如圖11所示，其中圖11(a)為帶阻濾波器頻率為220 MHz時的特性曲線，圖11(b)為帶阻濾波器頻率為243.5 MHz時的特性曲線，圖11(c)為帶阻濾波器頻率為267 MHz時的特性曲線。

(a) fr=220 MHz (b) fr=243.5 MHz (c) fr=267 MHz圖11 可重構超導帶阻濾波器測試結果Fig.11 Measured result of reconfigurable band-stop filter

由濾波器測試結果可以看出，帶阻濾波器可以在220～267 MHz頻率范圍內實現可重構，頻率響應特性較理想，濾波器的阻帶抑制均達到45 dB以上，阻帶帶寬會隨頻率的不同而有所差異，在工作頻率為220 MHz時，阻帶帶寬為0.76 MHz；頻率為243.5 MHz時，阻帶帶寬為1.05 MHz；頻率為267 MHz時，阻帶帶寬為1.26 MHz，與設計預期趨勢一致。濾波器通帶插入損耗小于0.1 dB，實際測試的頻域傳輸響應曲線與設計結果基本吻合。

3 結論

采用高溫超導薄膜材料和電可調電容器件，設計了可重構超導帶通濾波器和超導帶阻濾波器。兩種濾波器均基于經典設計方法和協同仿真技術完成，諧振器為末端加載可變電容的半波長微帶結構，通過偏置電壓的調整，加載電容容值的改變，引起諧振器頻率的變化，使濾波器具備了頻率可重構的特性。濾波器的實際測試結果表明，文章給出的可重構超導濾波器的設計方案切實可行，實現了在一定頻率范圍內的連續重構。研制的可重構高溫超導濾波器已成功應用于系統設備中，有效解決了無線環境的干擾問題。