??? 摘? 要： 基于在LaALO3襯底上用磁控濺射法制備而成的雙面氧化物高溫超導(dǎo)薄膜YBCO，設(shè)計了L波段高溫超導(dǎo)帶通濾波器。該濾波器采用了SIR型諧振器,利用高溫超導(dǎo)薄膜在微波范圍內(nèi)的Q 值比常規(guī)導(dǎo)體高1～3個數(shù)量級的優(yōu)點，使器件具有小型化和低插損的特點。同時還研制了具有實用意義的全密封高溫超導(dǎo)濾波器外殼,僅需液氮制冷即可進入工作狀態(tài)。通過測試，達到預(yù)期效果。
??? 關(guān)鍵詞： 高溫超導(dǎo)； 微波； 帶通濾波器； SIR
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高溫超導(dǎo)薄膜具有極低的微波表面電阻(比常規(guī)導(dǎo)體小1～3個數(shù)量級),是制作微波濾波器、諧振器、延遲線等微波無源器件的理想材料。其中高溫超導(dǎo)微波濾波器及濾波器組是高溫超導(dǎo)微波應(yīng)用的關(guān)鍵器件之一,具有比傳統(tǒng)波導(dǎo)器件更好的高選擇性、低插損特性并兼具平面電路的體積小、重量輕、易于與其他微波固態(tài)電路進行混合集成的優(yōu)點(體積重量卻不足1/10)，與常規(guī)金屬同種結(jié)構(gòu)濾波器相比,帶內(nèi)插損減小3 dB以上。因此倍受軍事電子學(xué)、移動通信和衛(wèi)星通信的青睞。HTSC帶通濾波器可用于接收機前端中作頻率預(yù)選和頻帶壓縮,是抑制噪聲、提高接收機靈敏度不可缺少的關(guān)鍵部件,目前發(fā)展趨勢為實用化、小型化和商品化。隨著高溫超導(dǎo)材料的日益成熟以及制冷技術(shù)的不斷提高, HTSC帶通濾波器以其優(yōu)異性能將在軍事電子領(lǐng)域、民用通信領(lǐng)域, 及太空領(lǐng)域獲得更為引人注目的應(yīng)用。
本文采用雙面高溫超導(dǎo)薄膜材料YBCO，設(shè)計并制作了一種高性能高溫超導(dǎo)微帶濾波器，這對實現(xiàn)通信系統(tǒng)中電子設(shè)備的小型化、降低成本和加速小型化通信系統(tǒng)的發(fā)展都起到了非常重要的作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。
1 高溫超導(dǎo)濾波器的設(shè)計
1.1 濾波器結(jié)構(gòu)的選取
設(shè)計平面微帶濾波器時，根據(jù)濾波器的設(shè)計指標，按照耦合濾波器的經(jīng)典綜合設(shè)計方法，可以很容易地得出濾波器的級數(shù)、切比雪夫低通原型濾波器各級的元件值以及各級諧振器之間耦合系數(shù)的理論值。然后對其基本組成單元微帶諧振器的結(jié)構(gòu)進行選擇。圖1列出了幾種常用的微帶諧振器。通常，設(shè)計濾波器時不是增加諧振器的級數(shù)就是引入附加的交叉耦合，提供一個準橢圓函數(shù)特征的濾波器來實現(xiàn)預(yù)定的指標。為了達到本次設(shè)計的要求，實現(xiàn)高溫超導(dǎo)微波器件的小型化，綜合考慮光刻工藝以及高溫超導(dǎo)材料特有的性質(zhì)，本文選用了一種改進型SIR型諧振器，如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)不僅采用曲折線的形式來減小器件尺寸，而且引入內(nèi)部耦合從而可以有效地抑制諧波，改善濾波器的性能，還與同等級數(shù)的切比雪夫原型具有一致的陡峭度。
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1.2 濾波器耦合結(jié)構(gòu)的選取
傳統(tǒng)的發(fā)夾線結(jié)構(gòu)又存在電場耦合、磁場耦合、混合耦合(a)、混合耦合(b)4種耦合方式，如圖3所示。
圖3中的電場耦合或磁場耦合通過適當(dāng)變形容易構(gòu)成橢圓函數(shù)或廣義切比雪夫函數(shù)濾波器，而本設(shè)計采用切比雪夫函數(shù)原型，故利用混合耦合方式較為簡單。為了進一步比較圖3中兩種混合耦合方式，通過場仿真得到了耦合系數(shù)與兩諧振器間距S的關(guān)系，如圖4所示。
從圖4中可得出在相同距離S的情況下，混合耦合(a)結(jié)構(gòu)的耦合系數(shù)大于混合耦合(b)結(jié)構(gòu)的耦合系數(shù)。對于中心頻率1.8 GHz，帶寬200 MHz的濾波器采用了混合耦合(a)這種結(jié)構(gòu)，因為這種結(jié)構(gòu)能兼顧較寬的帶寬和較小的體積。
1.3濾波器的全局電磁仿真
本文利用IE3D等電磁全波仿真軟件，經(jīng)過反復(fù)微調(diào)得到最終的濾波器電路圖及頻響曲線,如圖5和圖6所示。
由圖6可見，仿真結(jié)果中的帶內(nèi)反射都在22 dB以下，有較好的帶外抑制度，1.3 GHz處可達70 dB。
2 濾波器制作與測試
本文所選用的材料是厚度為0.5 mm、介電常數(shù)為23.5的LaAlO3襯底上用磁控濺射法制備而成的雙面氧化物高溫超導(dǎo)薄膜 YBCO,厚度為 400 nm,制作高溫超導(dǎo)濾波器時采用的是濕法光刻技術(shù)。由于空氣中的 H2O、CO2等對超導(dǎo)薄膜的超導(dǎo)性能有所影響 ,而且腐蝕液對超導(dǎo)薄膜的腐蝕效果也不同于常規(guī)金屬薄膜 ,所以制作以及封裝的過程中對環(huán)境的濕度要求很高。由于高溫超導(dǎo)濾波器的工作環(huán)境是在77 K 的溫度下，YBCO薄膜吸潮后性能會明顯下降甚至失超，故要求把濾波器封裝在一個密閉的屏蔽盒中。本文設(shè)計了一個高溫超導(dǎo)器件的屏蔽外殼，并采用銦絲進行密封，微波輸入、輸出采用 M/A-COM公司的 SMA密封接頭。
在完成對高溫超導(dǎo)帶通濾波器的封裝后，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 HP8510 對其進行測試，系統(tǒng)框圖見圖7，根據(jù)測試所得的特性曲線(如圖8)，測試結(jié)果表明：帶內(nèi)插損最好可以達到0.12 dB，這充分證明了利用高溫超導(dǎo)材料所設(shè)計的濾波器具有極低的插損，本文的實驗制備方法是可行的，達到了實驗研究的目的。
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本文采用全波電磁仿真方法，利用CAD工具，綜合設(shè)計了高溫超導(dǎo)濾波器，并進行制備、封裝和測試，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。與波導(dǎo)器件和常規(guī)平面電路器件相比，高溫超導(dǎo)薄膜的采用，使得電子器件具有體積更小、重量更輕、帶內(nèi)插損更小和頻率選擇性更高等優(yōu)點，實現(xiàn)了器件的小型化和高性能，對實現(xiàn)通信系統(tǒng)中電子設(shè)備的小型化、降低成本和加速小型化通信系統(tǒng)的發(fā)展都起到了非常重要的作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。
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