季來運

(天津海泰超導(dǎo)電子有限公司，天津 300384)

0 引言

隨著無線通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，空間電磁頻譜日益密集，通信設(shè)備之間的干擾越來越嚴重，無線通信環(huán)境越來越惡劣。而且同一無線通信設(shè)備需要滿足多種不同工作頻段的應(yīng)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(gòu)濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的濾波器組，去除冗余的射頻器件，精簡射頻前端結(jié)構(gòu)，減小損耗。目前可重構(gòu)濾波器已經(jīng)成為國內(nèi)外電磁領(lǐng)域研究的一個熱點?？芍貥?gòu)帶通濾波器可以靈活調(diào)整設(shè)備的工作頻率，充分利用無線頻率資源，提高設(shè)備的無線環(huán)境適應(yīng)性；而可重構(gòu)帶阻濾波器則可以隨時濾除設(shè)備工作的無線環(huán)境中的非預(yù)期干擾信號，提升設(shè)備的抗干擾能力[1-3]。

高溫超導(dǎo)材料的微波電阻比傳統(tǒng)金屬材料小3個數(shù)量級左右，利用超導(dǎo)薄膜制作的超導(dǎo)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(nèi)的科研院所和專業(yè)公司已經(jīng)成功研制多種滿足極苛刻技術(shù)指標要求、具有國際一流技術(shù)水平的超導(dǎo)濾波器產(chǎn)品[4-5]。

隨著微加工技術(shù)、超導(dǎo)材料等學(xué)科的發(fā)展，目前國內(nèi)外已經(jīng)將超導(dǎo)材料應(yīng)用于可重構(gòu)濾波器的開發(fā)，并取得一定的研究成果。Sekiya等人[6]采用π型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)開發(fā)了三階帶寬可重構(gòu)超導(dǎo)濾波器，工作頻率為5.17 GHz，實現(xiàn)了帶寬80 MHz的可調(diào)。清華大學(xué)Suo等人[7]采用變?nèi)莨茉O(shè)計了帶寬為23.8 MHz的二階可重構(gòu)超導(dǎo)濾波器，中心頻率在924.5～1 030.8 MHz可調(diào)，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(diào)帶通超導(dǎo)濾波器，中心頻率調(diào)節(jié)范圍為430～720 MHz，插損為3.8 dB。Wang等人[9]設(shè)計了可調(diào)帶阻超導(dǎo)濾波器，中心頻率調(diào)節(jié)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(xiàn)狀來看，高性能可重構(gòu)超導(dǎo)濾波器的實現(xiàn)還是比較困難，多數(shù)可重構(gòu)超導(dǎo)濾波器設(shè)計階數(shù)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(shè)計、工藝等方面技術(shù)的新突破，可重構(gòu)超導(dǎo)濾波器將會在認知無線電、雷達、電子對抗以及相關(guān)軍用、民用系統(tǒng)設(shè)備中發(fā)揮重要的作用，具有極其廣泛的應(yīng)用前景。

1 可重構(gòu)超導(dǎo)帶通濾波器

可重構(gòu)超導(dǎo)帶通濾波器要求中心工作頻率為242.5 MHz，可調(diào)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(dǎo)帶通濾波器理論設(shè)計

本工作的設(shè)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(jié)構(gòu)，濾波器整體采用諧振器平行耦合結(jié)構(gòu)，濾波器的頻率可重構(gòu)通過可變電容器件的電容值變化來實現(xiàn)。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(jié)合濾波器的主要技術(shù)要求，利用切比雪夫濾波器的低通原型轉(zhuǎn)換和設(shè)計方法，可以很方便地得到五階濾波器的基本電路參數(shù)[10]。

濾波器相鄰諧振器間的耦合系數(shù)和外部品質(zhì)因數(shù)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(shù)，Qei和Qeo分別代表濾波器輸入端和輸出端的外部品質(zhì)因數(shù)，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(dǎo)參數(shù)，n=5為濾波器階數(shù)。

為進一步提升濾波器的設(shè)計性能指標，在各參數(shù)初始值的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計軟件，進行濾波器的綜合優(yōu)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(shù)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(yīng)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(jié)果只是濾波器的工作頻率發(fā)生變化，而其頻域特性仍然保持非常理想的狀態(tài)，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(gòu)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(yōu)化后的電路參數(shù)可提取得到五階帶通濾波器的耦合系數(shù)矩陣，以及濾波器外部品質(zhì)因數(shù)Qei和Qeo。

Qei=Qeo=325.6057469

f0=242.5 MHz

1.2 超導(dǎo)帶通濾波器電路設(shè)計仿真

由于濾波器工作頻率較低，設(shè)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(shù)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(jié)構(gòu)，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(shù)。

為實現(xiàn)濾波器工作頻率的可重構(gòu)，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(gòu)的特性，諧振器結(jié)構(gòu)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(xiàn)濾波器工作頻率可重構(gòu)的設(shè)計要求。

以濾波器的耦合矩陣參數(shù)為理論依據(jù)，采用協(xié)同仿真技術(shù)，通過耦合系數(shù)確定相鄰諧振器間距，通過外部品質(zhì)因數(shù)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(shè)計過程已經(jīng)非常成熟，本文不再贅述[11]。

由以上的步驟可以得到所設(shè)計濾波器的初步物理電路結(jié)構(gòu)，由于所設(shè)計的帶通濾波器帶寬較窄，偏置電壓的引入以及電路結(jié)構(gòu)非預(yù)期寄生效應(yīng)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(jié)果也會和理論響應(yīng)曲線存在一定差距，因此需要對整個濾波器電路進行結(jié)構(gòu)微調(diào)和優(yōu)化，進而確定濾波器的最終電路結(jié)構(gòu)，如圖3(b)所示。在仿真過程中，我們將微帶電路設(shè)置為理想導(dǎo)體，將可變電容設(shè)置為理想元件。在微帶電路保持不變的情況下，通過調(diào)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(gòu)帶通濾波器的理想仿真結(jié)果，如圖4所示。

圖3 諧振器及濾波器電路結(jié)構(gòu)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(gòu)帶通濾波器仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of reconfigurable band-pass filter

從仿真結(jié)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(xiàn)235～250 MHz范圍的頻率連續(xù)可調(diào)，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(diào)整安排，濾波器在低端阻帶產(chǎn)生了寄生傳輸零點，有效提升了濾波器低頻側(cè)的帶邊陡度，設(shè)計結(jié)果達到了預(yù)期值。

1.3 超導(dǎo)帶通濾波器制作測試

制作可重構(gòu)超導(dǎo)濾波器電路的雙面超導(dǎo)薄膜材料鏑鋇銅氧(DyBa2Cu3O7)采用多源熱共蒸技術(shù)制備得到，提升了超導(dǎo)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(dǎo)體平面精細加工工藝技術(shù)制作，經(jīng)過涂膠、曝光、顯影、離子束刻蝕、劃片等過程，得到超導(dǎo)濾波器電路芯片。完成超導(dǎo)芯片、標準SMA接頭、偏置電壓引線、銅質(zhì)屏蔽盒的整體裝配后，采用安捷倫公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8753ES進行射頻性能測試。超導(dǎo)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(diào)整可變電容的偏置電壓來改變電容值，得到濾波器相對應(yīng)的一組頻率響應(yīng)曲線，如圖5所示。

圖5 可重構(gòu)超導(dǎo)帶通濾波器測試結(jié)果Fig.5 Measured result of reconfigurable band-pass filter

由測試結(jié)果可見，濾波器實現(xiàn)了在235～250 MHz范圍內(nèi)頻率連續(xù)可調(diào)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(shè)計結(jié)果吻合。濾波器插入損耗實際測試結(jié)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(zhì)因數(shù)，可以得到如表1的結(jié)果。

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

從上表數(shù)據(jù)可以看到，在濾波器的插入損耗為9.64 dB時，諧振器的品質(zhì)因數(shù)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(dǎo)薄膜材料相比其Q值不夠高所致。

2 可重構(gòu)超導(dǎo)帶阻濾波器

可重構(gòu)超導(dǎo)帶阻濾波器要求頻率為243.5 MHz，可調(diào)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(dǎo)帶阻濾波器理論設(shè)計

設(shè)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(jié)構(gòu)，濾波器整體采用諧振器與主傳輸線依次耦合結(jié)構(gòu)。濾波器的頻率可重構(gòu)通過可變電容器件的電容值變化來實現(xiàn)。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(shù)依據(jù)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，F(xiàn)BW是帶阻濾波器的相對帶寬，gi為切比雪夫低通原型相應(yīng)第i個元件的電導(dǎo)參數(shù)值，n=5為濾波器階數(shù)，Z0為傳輸線的特性阻抗。

電抗斜率參數(shù)與帶阻濾波器的中心頻率之間關(guān)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(shè)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(shù)基礎(chǔ)上，通過設(shè)計軟件對帶阻濾波器進行綜合優(yōu)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(guān)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(yīng)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(shù)據(jù)，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(tài)，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(gòu)帶阻濾波器理論曲線Fig.7 Theoretical response curve of reconfigurable band-stop filter

2.2 超導(dǎo)帶阻濾波器電路設(shè)計仿真

帶阻濾波器的設(shè)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(jié)構(gòu)，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(gòu)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(jié)構(gòu)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(dǎo)薄膜面積，需要設(shè)計適宜的傳輸線形式，本工作采用折線結(jié)構(gòu)，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(shè)計中，各諧振器只與主傳輸線發(fā)生耦合作用，所以在電路設(shè)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(jié)構(gòu)較復(fù)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(yīng)。

諧振器及主傳輸線結(jié)構(gòu)形式確定后，通過協(xié)同仿真技術(shù)，計算帶阻濾波器主傳輸線與每個諧振器的耦合關(guān)系，仿真得到其頻率響應(yīng)曲線，通過調(diào)整各諧振器與傳輸線的相對位置，使得到的仿真數(shù)據(jù)與理論值一致，來最終確定各自的位置關(guān)系。

最后，搭建出五階可重構(gòu)超導(dǎo)帶阻濾波器的整體物理電路，經(jīng)過電磁場全波模擬仿真和微調(diào)優(yōu)化，得到最終的仿真結(jié)果，完成帶阻濾波器物理電路設(shè)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(shè)置為理想導(dǎo)體，將可變電容設(shè)置為理想器件。在微帶電路保持不變的情況下，通過調(diào)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(gòu)帶阻濾波器的理想仿真結(jié)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(gòu)超導(dǎo)帶阻濾波器電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of 5-pole reconfigurable band-stop filter

圖10 可重構(gòu)超導(dǎo)帶阻濾波器仿真曲線Fig.10 Simulation results of reconfigurable band-stop filter

2.3 超導(dǎo)帶阻濾波器制作測試

采用相同的標準工藝完成超導(dǎo)濾波器芯片的制作，以及超導(dǎo)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(gòu)超導(dǎo)帶阻濾波器降溫至70 K，用網(wǎng)絡(luò)分析儀8753ES測試濾波器性能。通過調(diào)整偏置電壓、改變可變電容的容值，可以實現(xiàn)濾波器工作頻率的連續(xù)可調(diào)及濾波器頻域特性的重構(gòu)，選擇三組不同工作頻率的測試結(jié)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(gòu)超導(dǎo)帶阻濾波器測試結(jié)果Fig.11 Measured result of reconfigurable band-stop filter

由濾波器測試結(jié)果可以看出，帶阻濾波器可以在220～267 MHz頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)可重構(gòu)，頻率響應(yīng)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(shè)計預(yù)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(yīng)曲線與設(shè)計結(jié)果基本吻合。

3 結(jié)論

采用高溫超導(dǎo)薄膜材料和電可調(diào)電容器件，設(shè)計了可重構(gòu)超導(dǎo)帶通濾波器和超導(dǎo)帶阻濾波器。兩種濾波器均基于經(jīng)典設(shè)計方法和協(xié)同仿真技術(shù)完成，諧振器為末端加載可變電容的半波長微帶結(jié)構(gòu)，通過偏置電壓的調(diào)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(gòu)的特性。濾波器的實際測試結(jié)果表明，文章給出的可重構(gòu)超導(dǎo)濾波器的設(shè)計方案切實可行，實現(xiàn)了在一定頻率范圍內(nèi)的連續(xù)重構(gòu)。研制的可重構(gòu)高溫超導(dǎo)濾波器已成功應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)備中，有效解決了無線環(huán)境的干擾問題。