PDF《183 MHz 高性能高温超导滤波器设计》

1 滤波器设计 设计中所用的螺旋形谐振器结构及其馈线耦合方 式如图

1 所示[7] . 在介电常数为 9.7 的MgO 基片上,

183 MHz 对应的波长大于

600 mm. 为了在直径

2 英寸的基 片上设计如此低频率的滤波器, 谐振器的线条宽度和线 间缝隙均设置为

80 ?m.该螺旋型谐振器的优点包括结 构紧凑、仿真准确度高、对制作工艺误差不敏感等[7] , 此外图

1 中虚线两侧的谐振器长度可以调节, 可以方便 地满足外部 Q 值的要求. 图1螺旋形半波长谐振器及其耦合馈线 Fig.

1 Microstrip half-wavelength spiral resonator with the tapped feed line 根据耦合谐振滤波器的通用设计步骤设计得到 的8节滤波器的电路示意图如图

2 所示[8] (示意图显 示滤波器整体图形,实际上该滤波器中每个谐振器 内部均为

10 层螺旋结构,如图

1 所示) .滤波器中 各谐振器两两对称平行排列,整个滤波器的尺寸为

43 mm*24.5 mm. 用Sonnet 电磁分析软件仿真得到 的滤波器的频率响应曲线如图

3 所示,滤波器的带 内插损小于 0.16 dB,反射损耗大于 14.5 dB.仿真 中使用的 cell 尺寸为

40 ?m*80 ?m. 图28节滤波器电路示意图 Fig.2 The layout of the eight-pole microstrip filter 图3仿真得到的滤波器响应曲线 Fig.

3 The simulated performance of the eight-pole filter

2 滤波器仿真误差的敏感度分析 在仿真中,Sonnet 软件将滤波器电路划分为以 cell 为单位的部分进行分析[9] ,通过计算各部分的电 流密度分布从而得到滤波器的频率响应.Cell 尺寸 越小,仿真结果越准确,然而需要的计算时间也越 长;

因此,在设计中需要根据仿真计算的复杂度折 中,选取合适的 cell 尺寸.本文设计的

8 节滤波器 的微带线线条宽度为

80 ?m, 仿真中使用的 cell 尺寸 为40 ?m*80 ?m,相当于在 x 方向线条仅分为

2 个cell 进行仿真,在y方向仅分为

1 个cell 进行仿真. 为了检验该滤波器的仿真准确度,将x方向和 y 方 向的 cell 尺寸分别减半后重新仿真了滤波器的频率 特性,结果如图

4 所示.两个方向 cell 减半后反射 损耗都保持在

16 dB 以下,表明该谐振器结构具有 极高的仿真准确度, cell 尺寸的变化对滤波器性能影 响不大. 第4卷第1期2009 年1月77 图4将x方向和 y 方向 cell 尺寸分别减半后 仿真的滤波器 S11 响应 Fig.

4 The filter response (S11) simulated with the cell size in X- and Y- direction cut in half, respectively

3 滤波器制作与测试 超导滤波器的制备采用基片为 MgO 的双面 YBCO 超导薄膜,基片介电常数为 9.68,厚度为 0.51 mm.在 基片正面的 YBCO 超导膜上光刻出的滤波器图形,在 分辨率为

5 ?m 的显微镜下观察发现图形线条非常完 整,没有任何缺陷.采用 Ar 离子对光刻后的超导薄膜 进行刻蚀后,再将滤波器封装在金属屏蔽盒内,通过点 焊硅铝丝将 SMA 接头与滤波器输入输出馈线上的金电 极相连接. 滤波器的制备工艺在本课题组的前期工作中 已作阐述[10-12] . 将超导滤波器冷却至

70 K, 用微波矢量网络分析仪 Agilent 8720ES 测得的未经调谐的滤波器频率响应曲线 如图

5 所示,图中同时还给出了 Sonnet 仿真的频率响 应曲线.可以看出,滤波器带宽为

2 MHz,带内插损小 于0.27 dB,反射损耗大于 13.8 dB,性能优异. 将未经调谐的超导滤波器与低温低噪声放大器串 联构成滤波器子系统,测试得到子系统的频率相应特 性如图