基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器

技术领域

本发明属于微波通信设备技术领域，特别涉及一种基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器。

背景技术

随着无线通信业务的迅猛发展，电磁环境愈发复杂，信号干扰愈发严重，未来频谱资源将会愈发稀缺。要合理有效的解决通信系统中目前面临的这些问题，就必须大幅度提高通信基站中接收机的性能和通过增加可用频段的手段获得更多的通信资源。由于现代无线通信系统中对多网络，多频带，多业务和抗干扰的发展要求，具有高滤波差分性能和抗噪声干扰的小型化多通带平衡滤波器的研究备受关注。另外，传统微带结构的平衡滤波器大多采用常规金属材料，本身具有很大的传输损耗，因此会造成较大的插损。而高温超导薄膜材料具有极低的表面电阻，利用高温超导材料制作的多通带平衡滤波器相对于传统材料的器件而言无疑具有更小的插入损耗和更高的选择性。而随着材料领域的研究推进，利用高温超导材料设计和制作微带结构的平衡滤波器应运而生。

高温超导材料在多通带平衡滤波的设计中也具有独特的优势，可以实现更高的结构复杂度和更多的调节自由度。目前已有文献利用单个方形环加载的谐振器实现了基于高温超导材料的双通带平衡滤波器，例如“B.Ren et al.,"Differential Dual-BandSuperconducting Bandpass Filter Using Multimode Square Ring Loaded ResonatorsWith Controllable Bandwidths,"IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques,vol.67,no.2,pp.726-737,Feb.2019.”但目前尚未有公开的报道提出三通带高温超导平衡滤波器的设计和制作。

在多通带平衡滤波器的设计中，设计的主要目标是实现良好的差模响应特性和共模抑制特性，其中很重要的一点是实现各个通带中心频率和带宽的灵活控制。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器，其具有小型化的电路尺寸、结构紧凑，且三个通带的中心频率和带宽具有灵活可控的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供的一种基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器，包括两个双环加载的阶梯阻抗谐振器、叉指结构、额外的高阻抗微带线、传输线、输入馈线和输出馈线；所述两个双环加载的阶梯阻抗谐振器间通过叉指结构直接耦合，所述两个双环加载的阶梯阻抗谐振器中间上端加载线之间加载额外的高阻抗微带线，在所述三通带高温超导平衡滤波器中心对称面上加载传输线，所述输入馈线、输出馈线与两个双环加载的阶梯阻抗谐振器采用缝隙耦合和搭接耦合组合的方式进行馈电。

进一步地，所述三通带高温超导平衡滤波器具有一对输入信号端口和一对输出信号端口，并且三通带高温超导平衡滤波器关于中心水平面上下对称。

进一步地，所述两个双环加载的阶梯阻抗谐振器从左至右依次为第一双环加载的阶梯阻抗谐振器和第二双环加载的阶梯阻抗谐振器。

进一步地，所述双环加载的阶梯阻抗谐振器中间下端加载线控制第一通带的中心频率，双环加载的阶梯阻抗谐振器环形臂控制第二通带的中心频率，双环加载的阶梯阻抗谐振器中间上端加载线控制第三通带的中心频率。

进一步地，通过调整第一双环加载的阶梯阻抗谐振器和第二双环加载的阶梯阻抗谐振器之间的耦合间距来调整第一通带和第二通带的带宽。

进一步地，所述第一双环加载的阶梯阻抗谐振器和第二双环加载的阶梯阻抗谐振器中间上端加载线之间通过加载额外的高阻抗微带线对第三通带的带宽进行独立控制。

进一步地，所述第一双环加载的阶梯阻抗谐振器和第二双环加载的阶梯阻抗谐振器之间加载叉指结构对三个通带的带宽进行微调。

进一步地，所述三通带高温超导平衡滤波器采用频率偏移技术在中心对称面上加载三段传输线。

进一步地，所述输入馈线和输出馈线均包括一条耦合馈线和一条搭接馈线，对三个通带的外部品质因数控制。

进一步地，所述三通带高温超导平衡滤波器采用相对介电常数为9.8的MgO基片，其厚度为0.5mm，两面镀有YBCO薄膜。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的双环加载的阶梯阻抗谐振器具有多模特性，可以用来设计实现三个通带，通带的中心频率可以通过相应的枝节进行灵活地控制，并且通过加载叉指结构和额外的高阻抗微带线实现对三个通带带宽的控制，最后再通过搭接馈线和耦合馈线实现了三个通带外部品质因数的要求。

2、本发明提出的基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器具有小型化的电路尺寸、结构紧凑、设计灵活、电路加工方便，并且还具有很好的差模电路响应特性和共模抑制度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的第一双环加载的阶梯阻抗谐振器和第二双环加载的阶梯阻抗谐振器的结构示意图；

图2是本发明实施例的基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器的结构示意图，图中1为额外的高阻抗微带线，2为叉指结构，3为三段传输线，401、403为一对输入端口耦合馈线，402、404为一对输出端口耦合馈线，501、503为一对输入端口搭接馈线，502、504为一对输出端口搭接馈线；

图3是本发明实施例的基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器差模电路下的耦合拓扑图；

图4是本发明实施例的叉指结构的结构示意图；

图5是本发明实施例的基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器的差模频率响应的仿真和测试曲线；

图6是本发明实施例的基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器的共模频率响应的仿真和测试曲线；

图7是本发明实施例的基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器在有无调节滤波器性能的中心对称面加载三段传输线情况下的共模响应仿真曲线；

图8是本发明实施例的基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器的测试原理框架图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本实施例的基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器，包括两个双环加载的阶梯阻抗谐振器、叉指结构2、一条额外的高阻抗微带线1、三段传输线3、输入馈线和输出馈线；两个双环加载的阶梯阻抗谐振器间通过叉指结构直接耦合，两个双环加载的阶梯阻抗谐振器中间上端加载线之间加载额外的高阻抗微带线，在三通带高温超导平衡滤波器中心对称面上加载三段传输线，输入馈线、输出馈线与两个双环加载的阶梯阻抗谐振器采用缝隙耦合和搭接耦合组合的方式进行馈电。两个双环加载的阶梯阻抗谐振器从左至右依次为第一双环加载的阶梯阻抗谐振器和第二双环加载的阶梯阻抗谐振器。

该三通带高温超导平衡滤波器具有一对输入信号端口和一对输出信号端口，并且三通带高温超导平衡滤波器关于中心水平面上下对称，能够实现很好的差模响应和共模抑制特性。

如图3所示，利用奇偶模分析方法对该三通带高温超导平衡滤波器差模电路的奇偶模等效电路进行分析，根据传输线理论可以推导出用来构建该三通带高温超导平衡滤波器差模电路中三个通带的模式分别为第一个偶模模式，第一个奇模模式和第二个奇模模式，相应的频率分别为f

如图2所示，该三通带高温超导平衡滤波器第一通带的中心频率主要通过双环加载的阶梯阻抗谐振器中间下端加载线长度L

借助电磁仿真软件Sonnet对各个枝节的长度进行优化，同时为了减小尺寸，对结构进行进一步的弯折，双环加载的阶梯阻抗谐振器的优化结构如图1所示。

该三通带高温超导平衡滤波器为两阶切比雪夫型滤波器，第一双环加载的阶梯阻抗谐振器和第二双环加载的阶梯阻抗谐振器通过耦合间距S直接耦合，可以通过调节耦合间距S对第一通带和第二通带的带宽进行粗调。一条额外的高阻抗微带线加载在第一双环加载的阶梯阻抗谐振器和第二双环加载的阶梯阻抗谐振器中间枝节上端，使得第三通带原有的电耦合被加强，可以通过调节该高阻抗微带线的长度l

在第一双环加载的阶梯阻抗谐振器和第二双环加载的阶梯阻抗谐振器之间加载叉指结构，如图4所示，并通过叉指结构的参数：叉指宽度w

在三通带高温超导平衡滤波器中心对称面上加载三段传输线，利用频率偏移技术，使得共模抑制度进一步提高，而不影响差模响应的滤波性能。优选的，l

三通带高温超导平衡滤波器中差模等效电路下三个通带对外部品质因数的要求差别比较大，因此设计输入馈线和输出馈线均包括一条耦合馈线和一条搭接馈线，利用一条耦合馈线和一条搭接馈线来实现三个通带外部品质因数的灵活控制。其中耦合馈电的馈电方式为电耦合，如图2中标号401、402、403和404的区域，搭接馈电的馈电方式为磁耦合，如图2中标号501、502、503和504的区域。耦合馈线提供两个调节自由度，分别是耦合线长度l

优选的，采用相对介电常数为9.8的MgO基片，其厚度为0.5mm，导体损耗忽略不计，两面镀有YBCO薄膜，在YBCO薄膜上刻蚀三通带高温超导平衡滤波器。

图5说明了本实施例的基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器的差模频率响应的仿真和测试曲线，测得的中心频率分别为1.65GHz、2.45GHz和3.40GHz，三个通带相对应的3-dB相对带宽分别为2.9％、3.2％和1.8％，共产生四个传输零点，分别位于2.07GHz、3.04GHz、4.05GHz和4.15GHz，四个传输零点的存在可以有效提高通带的选择性，测得通带内插入损耗分别为0.082dB、0.11dB和0.12dB，其值远低于普通金属微带结构的插入损耗，充分显示了高温超导材料的优越性。

图6说明了本实施例的基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器的共模频率响应的仿真和测试曲线，在共模响应下，三个通带的插入损耗分别为36dB、55dB和35dB，另外在整个1-4GHz的工作频率范围内，该实施例的共模抑制度均优于20dB。

图7说明了本实施例的基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器在有无调节滤波器性能的中心对称面加载三段传输线情况下的共模响应仿真曲线，从图中可以看出，采用频率偏移技术在中心对称面加载三段传输线之后可以大大提高共模抑制度。

图8说明了本实施例的基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器的测试环境，将所述三通带高温超导平衡滤波器置于密封良好的真空杜瓦中，通过斯特林低温冷却器将封装好的三通带高温超导平衡滤波器冷却至77K，并使用Agilent N5244A进行测量。测量结果表明该三通带高温超导平衡滤波器工作在超导状态时表面电阻极小，因此具有损耗小，带边陡峭等一系列优点，使得通讯器件的灵敏度大大提高，并且兼具良好的差模滤波响应，可根据需要设计不同的中心频率和带宽，具有高的共模抑制度，可以有效降低复杂电磁环境的干扰。

本发明的基于双环加载的三通带高温超导平衡滤波器，提出了一种新型的双环加载的阶梯阻抗谐振器结构，具有三个通带中心频率和带宽灵活可控的特点，并且总的电路尺寸为18.8mm×14.6mm(0.34λ

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。