禹 瀟，張亞輝，賓 峰，陸勤龍，王生旺

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所，合肥 230088；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司超導(dǎo)電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088)

0 引言

近年來(lái)，隨著通信、雷達(dá)、深空探測(cè)等技術(shù)的發(fā)展，可支持多通信協(xié)議和高質(zhì)量通信的多信道通信是一個(gè)重要趨勢(shì)。作為多信道接收機(jī)的重要部件之一，多通帶濾波器的性能可以直接影響接收機(jī)的性能。由于超導(dǎo)濾波器具有低插損、高帶外抑制和帶邊陡度等優(yōu)異性能，應(yīng)用于接收機(jī)時(shí)可有效提高接收機(jī)的信噪比和抗干擾能力，吸引著越來(lái)越多的關(guān)注。

目前雙通帶濾波器最常用的設(shè)計(jì)方法有三種。第一種方法是通過(guò)組合多個(gè)濾波器來(lái)設(shè)計(jì)雙通帶濾波器，在文獻(xiàn)[1]中，一個(gè)帶阻濾波器和一個(gè)帶通濾波器被直接組合成為一個(gè)雙通帶濾波器，在文獻(xiàn)[2]中，兩個(gè)帶通濾波器使用同一個(gè)饋電結(jié)構(gòu)連接在一起形成一個(gè)雙通帶濾波器。這種方法具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、原理清晰、可獨(dú)立控制不同通帶的優(yōu)勢(shì)，但是這種方法得到的濾波器體積一般較大。第二種方法是采用優(yōu)化綜合耦合矩陣的方法[3]，這種方法的好處是邏輯清晰、結(jié)構(gòu)緊湊，但是這種方法得到的耦合矩陣往往比較復(fù)雜，有些耦合矩陣很難用物理電路實(shí)現(xiàn)。第三種方法是基于多模諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如階躍阻抗諧振器(stepped-impedance resonators, SIRs)[4-5]和枝節(jié)加載型諧振器(stub-loaded resonators, SLRs)[6-7]等，這種方法得到的多通帶濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，并可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同的帶寬。Zhou等人[7]曾使用SLRs完成了一款L/S波段的雙通帶超導(dǎo)濾波器的研制，該濾波器的中心頻率分別為1 490 MHz(帶寬40 MHz)和2 340 MHz(帶寬80 MHz)，并通過(guò)引入傳輸零點(diǎn)提高了濾波器的帶邊陡度。Lu等人[8]也使用SLRs完成了一款S波段的四階雙通帶超導(dǎo)濾波器的研制，中心頻率分別為2 450 MHz(相對(duì)帶寬8%)和3 500 MHz(相對(duì)帶寬5%)。此外，還有Song等人[9]、Heng等人[10]均采用這種方法完成了雙通帶超導(dǎo)濾波器的研制。總的來(lái)說(shuō)，雙通帶超導(dǎo)濾波器正朝著小型化、高選擇性、極限帶寬、均衡群時(shí)延等方向發(fā)展。

本文詳細(xì)介紹了一款基于SLRs的八階雙通帶超導(dǎo)濾波器的研制過(guò)程。該濾波器要求中心頻率分別為1 220 MHz和1 580 MHz，1 dB帶寬分別大于145 MHz和80 MHz；要求在960 MHz和1 900 MHz處帶外抑制均大于60 dB，在1 360～1 460 MHz之間大于40 dB。此外，該濾波器還要求帶內(nèi)任意20 MHz的群時(shí)延波動(dòng)均要小于4 ns。

1 諧振器設(shè)計(jì)與分析

從設(shè)計(jì)指標(biāo)可以看出，該雙通帶濾波器既要兼顧帶外的頻率選擇性要求又要有平坦的帶內(nèi)群時(shí)延波動(dòng)。為了滿足設(shè)計(jì)要求，本文采用八階切比雪夫?yàn)V波器并引入傳輸零點(diǎn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于濾波器群時(shí)延波動(dòng)最大部分為通帶邊緣部分，因此在設(shè)計(jì)時(shí)將低頻通帶的下邊頻和高頻通帶的上邊頻展寬20 MHz，低頻通道的上邊頻和高頻通帶的下邊頻展寬10 MHz，這樣不僅能提高帶內(nèi)群時(shí)延平坦度，還能減小溫度以及仿真介電常數(shù)數(shù)值不準(zhǔn)確造成的頻率偏移影響。邊帶的拓寬值是根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)給出，經(jīng)過(guò)仿真可以滿足要求，也可以根據(jù)仿真結(jié)果靈活選擇其他數(shù)值。根據(jù)廣義耦合矩陣綜合理論[11]可得耦合系數(shù)和外部品質(zhì)因數(shù)如下表1所示。

表1 雙通帶超導(dǎo)濾波器耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)Table 1 Parameters of the properties of the system

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和耦合矩陣，本文所提出的SLR版圖如圖1(a)所示。該諧振器主要由上半部分的強(qiáng)耦合半波長(zhǎng)諧振器和一個(gè)加載枝節(jié)組成，諧振器線條寬度均為0.1 mm。從圖中可以看出諧振器的上半部分沿著中軸線對(duì)稱，枝節(jié)加載在軸線位置，其等效電路圖如圖2(a)所示。

圖1 (a) 雙模SLR版圖；(b) 奇模諧振時(shí)的電流分布；(c) 偶模諧振時(shí)的電流分布Fig. 1 (a) Layout of the dual-mode SLR; (b) Current distribution of odd mode at resonance; (c) Current distribution of even mode at resonance

圖2 (a) 諧振器等效電路；(b) 諧振器在奇模時(shí)的等效電路；(c) 諧振器在偶模時(shí)的等效電路Fig. 2 (a) Equivalent circuit; (b) Odd-mode equivalent circuit; (c) Even-mode equivalent circuit

根據(jù)多模傳輸線理論和奇偶模分析法，該諧振器有奇模和偶模兩種諧振模式。當(dāng)諧振器在奇模處諧振時(shí)，諧振器的加載枝節(jié)可以等效為開(kāi)路，此時(shí)諧振器可以看作只有上半部分的半波長(zhǎng)諧振器，其等效電路圖如圖2(b)所示。諧振器在偶模處諧振時(shí)，加載枝節(jié)處可以等效為短路，此時(shí)諧振器可以看作上半部分的一半加上加載枝節(jié)組成的諧振器，等效電路圖如圖2(c)所示。在弱外部耦合條件下，我們使用Sonnet軟件對(duì)諧振器分別在奇模和偶模諧振頻率處的電流分布進(jìn)行了模擬仿真，結(jié)果如圖1(b)和1(c)所示，從圖中可以看出在奇模諧振頻率處，電流主要分布在諧振器上半部分，而在偶模諧振頻率處，電流幾乎分布在整個(gè)諧振器上，這與前面的分析也是一致的。

我們對(duì)相鄰諧振器耦合時(shí)的頻率響應(yīng)和相位曲線進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出曲線上有四個(gè)明顯的諧振峰，分別為奇模和偶模耦合時(shí)的諧振峰。此外，從圖中可以看出，諧振峰中間的相位均為負(fù)值。因此，當(dāng)該諧振器與相鄰諧振器進(jìn)行耦合時(shí)，奇模和偶?？梢酝瑫r(shí)形成兩個(gè)通帶，由于加載枝節(jié)只影響諧振器的偶模諧振頻率，因此也可以獨(dú)立地調(diào)節(jié)這兩個(gè)通帶。

圖3 相鄰諧振器耦合時(shí)的頻率響應(yīng)和相位曲線Fig. 3 The frequency and phase response of the coupling resonators

根據(jù)表1中的耦合系數(shù)，低頻段的通帶需要更強(qiáng)的耦合強(qiáng)度，因此諧振器的奇模用于構(gòu)建濾波器低頻段的通帶1，偶模用于構(gòu)建高頻段的通帶2。兩個(gè)通帶相鄰諧振器的耦合系數(shù)與諧振器間距的仿真結(jié)果如圖4(a)和4(b)所示，從圖中可以看出，兩個(gè)通帶的耦合系數(shù)幾乎都隨著s1的增大而線性減小。但是當(dāng)s1不變時(shí)，通帶1的耦合系數(shù)不受s2的影響，而通帶2的耦合系數(shù)隨著s2的增大而減小，這也與前面的分析結(jié)果相一致。從圖中的耦合系數(shù)變化趨勢(shì)可以看出，該諧振器可以滿足表1的耦合系數(shù)要求。在濾波器版圖設(shè)計(jì)時(shí)，先通過(guò)調(diào)節(jié)s1，使通帶1的耦合系數(shù)滿足要求，然后再調(diào)節(jié)s2，使通帶2的耦合系數(shù)滿足要求。

圖4 (a) s1和耦合系數(shù)的關(guān)系；(b) s1 = 0.2 mm時(shí)，s2和耦合系數(shù)的關(guān)系Fig. 4 (a) Relationship between s1 and coupling coefficient; (b) Relationship between s1 and coupling coefficient when s1 = 0.2 mm

除了相鄰諧振器之間的主耦合之外，諧振器還要滿足表1中的交叉耦合系數(shù)要求。本文所提出的交叉耦合結(jié)構(gòu)如圖5所示，這種結(jié)構(gòu)所得到諧振峰之間的相位為正值，與相鄰諧振器耦合諧振峰之間的相位相反。交叉耦合系數(shù)主要受l1以及耦合線與諧振器線條間距影響，為了降低設(shè)計(jì)難度，在仿真時(shí)耦合線與諧振器線條間距設(shè)置為固定值，只調(diào)節(jié)l1，仿真結(jié)果如圖5所示。為了表示相位的不同，交叉耦合系數(shù)取值為負(fù)值，正負(fù)號(hào)不表示數(shù)值的大小。從結(jié)果可以看出，耦合系數(shù)隨著l1的增大而增大，且數(shù)值可以滿足表1的需求。

圖5 交叉耦合系數(shù)與l1之間的關(guān)系Fig. 5 Relationship between cross coupling coefficient and l1

2 濾波器設(shè)計(jì)

根據(jù)表1中的耦合矩陣，諧振器間的耦合系數(shù)確定以后，只需要得到輸入/輸出結(jié)構(gòu)即可得到濾波器的版圖。為了同時(shí)得到兩個(gè)通帶所需要的外部品質(zhì)因數(shù)，濾波器采用分叉枝節(jié)饋線分別連接SLR上下部分的方式，如圖6(a)所示。由于饋線直接連接在諧振器上會(huì)直接影響諧振頻率，為了保證諧振頻率相同，諧振器的尺寸與濾波器中間部分的諧振器的尺寸相比變化較大。兩個(gè)通帶的外部品質(zhì)因數(shù)Q1和Q2主要由饋線的相對(duì)位置h1、h2和h3來(lái)決定，其關(guān)系如圖6(a)、6(b)、6(c)所示。從圖中可以看出，h1、h2和h3對(duì)Q2均有影響，但是只有h2對(duì)Q1有影響，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先調(diào)節(jié)h2，然后再調(diào)節(jié)h1和h3，這樣即可快速得到所需要的外部品質(zhì)因數(shù)。

圖6 (a) Q值與h1的關(guān)系；(b) Q值與h2的關(guān)系；(c) Q值與h3的關(guān)系Fig. 6 (a) The relation between Q and h1; (b) The relation between Q and h2; (c) The relation between Q and h3

確定了諧振器耦合和輸入/輸出結(jié)構(gòu)以后，即可進(jìn)行物理電路的搭建。電路仿真使用Sonnet軟件，仿真方法采用單端口群時(shí)延法[12]，由于該方法已非常成熟，此處不再贅述。濾波器的最終版圖如圖7所示，包含接頭的電路尺寸約19.02 mm×21.12 mm。超導(dǎo)濾波器S曲線和群時(shí)延曲線的最終仿真結(jié)果如圖8(a)和8(b)所示，從圖中的仿真結(jié)果可以看出，矩形系數(shù)和群時(shí)延波動(dòng)均符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 超導(dǎo)濾波器版圖Fig. 7 Layout of the HTS filter

圖8 超導(dǎo)濾波器實(shí)物圖Fig. 8 Photograph of the filter

3 濾波器制作與測(cè)試

濾波器電路采用2英寸的MgO襯底的雙面YBCO薄膜通過(guò)光刻技術(shù)制作而成。光刻技術(shù)是一種圖形復(fù)印和化學(xué)腐蝕或離子束刻蝕相結(jié)合的加工技術(shù)，在半導(dǎo)體器件和微型集成電路制造上應(yīng)用非常廣泛。光刻之前，首先需要制作掩膜版，掩膜版制作完成后即可進(jìn)行超導(dǎo)濾波器電路的刻蝕，高溫超導(dǎo)電路的刻蝕主要包括以下八個(gè)步驟：清潔、涂膠、前烘、曝光、顯影、后烘、腐蝕、去膠。光刻好的電路封裝在金屬屏蔽盒里，采用標(biāo)準(zhǔn)的SMA射頻接頭與外部電路相連，實(shí)物圖如圖8所示。

超導(dǎo)濾波器封裝完成后，使用小型制冷機(jī)配合真空杜瓦進(jìn)行冷卻，采用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果的對(duì)比如圖9所示。從圖中可以看出，濾波器的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果幾乎一致，這也說(shuō)明了濾波器的光刻及封裝工藝精度較高，對(duì)濾波器的影響較小，可以滿足生產(chǎn)要求。圖9(a)為超導(dǎo)濾波器S參數(shù)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比圖，測(cè)試結(jié)果表明1 dB通帶分別為1 121～1 321 MHz、1 527～1 648 MHz。結(jié)果中有四個(gè)較明顯的傳輸零點(diǎn)，分別在1 000 MHz、1 368 MHz、1 427 MHz和1 700 MHz處。由于傳輸零點(diǎn)的作用，濾波器在960 MHz和1 900 MHz處帶外抑制均大于60 dB，在1 360～1 460 MHz之間帶外抑制均大于40 dB，帶外抑制和通帶范圍均滿足設(shè)計(jì)要求。圖9(a)中的兩個(gè)放大圖分別為兩個(gè)通帶的S21曲線測(cè)試結(jié)果，從圖中可以看出，濾波器的最小插損<0.1 dB，帶內(nèi)最大波動(dòng)<0.5 dB。圖9(b)為濾波器的群時(shí)延仿真和測(cè)試結(jié)果，從兩個(gè)通帶的放大圖中可以看出，在通帶內(nèi)任意20 MHz的群時(shí)延波動(dòng)均<4 ns。濾波器在兩個(gè)通帶內(nèi)的群時(shí)延最大波動(dòng)處均在通帶邊緣位置，由于兩個(gè)通帶均進(jìn)行了展寬，特別是第2個(gè)通帶的右邊頻展寬較多，因此群時(shí)延可以滿足設(shè)計(jì)要求。由于傳輸零點(diǎn)的作用，即使在適當(dāng)展寬通帶的情況下，帶外抑制依然可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 濾波器仿真和測(cè)試結(jié)果 (a) S曲線；(b) 群時(shí)延Fig. 9 Simulated and measured results of the filter (a) S-curve; (b) Group delay

4 結(jié)論

本文介紹了一種適用于L波段的雙頻SLR，并對(duì)該諧振器的耦合特性進(jìn)行了詳細(xì)分析?；谠撝C振器和分叉枝節(jié)直接加載饋電結(jié)構(gòu)，完成了一款八階高性能雙通帶超導(dǎo)濾波器的研制。該濾波器包含接頭的電路尺寸僅約19.02 mm×21.12 mm，濾波器測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，可以滿足設(shè)計(jì)要求。