阅读说明：本技术 基于双模谐振器的高温超导超宽带带通滤波器 (High-temperature superconducting ultra-wideband band-pass filter based on dual-mode resonator ) 是由 吴航 冯丽君 黄文兴 韩衍霜 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于双模谐振器的高温超导超宽带带通滤波器,包括相互并联的第一双模谐振器、第二双模谐振器、第三双模谐振器、第四双模谐振器和第五双模谐振器,所述第一双模谐振器的一端与第一叉指抽头连接,所述第一双模谐振器的另一端与所述第二双模谐振器耦合连接,所述第三双模谐振器分别与所述第二双模谐振器、第四双模谐振器耦合连接,所述第五双模谐振器的一端与所述第四双模谐振器耦合连接,所述第五双模谐振器的另一端与第二叉指抽头连接。本发明可满足小尺寸、高选择性以及低插损的要求,具有良好的性能,在通带高端有很好的滤波选择性和高抑制性。(The invention discloses a high-temperature superconducting ultra-wideband band-pass filter based on a dual-mode resonator, which comprises a first dual-mode resonator, a second dual-mode resonator, a third dual-mode resonator, a fourth dual-mode resonator and a fifth dual-mode resonator which are connected in parallel, wherein one end of the first dual-mode resonator is connected with a first interdigital tap, the other end of the first dual-mode resonator is connected with the second dual-mode resonator in a coupling mode, the third dual-mode resonator is respectively connected with the second dual-mode resonator and the fourth dual-mode resonator in a coupling mode, one end of the fifth dual-mode resonator is connected with the fourth dual-mode resonator in a coupling mode, and the other end of the fifth dual-mode resonator is connected with a second interdigital tap. The invention can meet the requirements of small size, high selectivity and low insertion loss, has good performance, and has good filtering selectivity and high inhibition at the high end of the passband.)

基于双模谐振器的高温超导超宽带带通滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，特别是一种基于双模谐振器的高温超导超宽带带通滤波器。

背景技术

随着通信系统中频谱资源利用和微波系统集成需求的提高，滤波器的小型化和高带外抑制正面临着新的挑战。通常，滤波器的带外抑制可以通过添加更多阶谐振器或引入传输零点来改善，多模滤波器可以在不增加阶数的情况下实现多个传输极点，从而达到提高阶数的效果，它不仅实现了滤波器的小型化，而且还改善了滤波器的带外抑制，因此多模滤波器被广泛应用于超宽带滤波器的设计中。但传统的多模滤波器的选择性低，插损大反射效果不佳，无法满足高阶高选择性和小尺寸高温超导多模多阶滤波器的需求。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于双模谐振器的高温超导超宽带带通滤波器，本滤波器可满足小尺寸、高选择性以及低插损的要求，具有良好的性能，在通带高端有很好的滤波选择性和高抑制性。

本发明采用的技术方案是：

一种基于双模谐振器的高温超导超宽带带通滤波器，包括相互并联的第一双模谐振器、第二双模谐振器、第三双模谐振器、第四双模谐振器和第五双模谐振器，所述第一双模谐振器的一端与第一叉指抽头连接，所述第一双模谐振器的另一端与所述第二双模谐振器耦合连接，所述第三双模谐振器分别与所述第二双模谐振器、第四双模谐振器耦合连接，所述第五双模谐振器的一端与所述第四双模谐振器耦合连接，第五双模谐振器的另一端与第二叉指抽头连接。

双模谐振器采用叉指结构、耦合结构相结合的方式进行连接，以方便地实现所需的耦合度，这也使电路尺寸小型化，采用并联多模谐振器实现了同一通带内多模的单通UWB滤波器。并行多模谐振器的超宽带滤波器比多模单谐振器的滤波器具有更好的带外抑制性能。此外，因为高温超导材料具有表面电阻小、品质因数高的特点，所以制造的高阶滤波器损耗较小，本滤波器具有通带***损耗0.25dB，相对带宽117％，边带陡峭滚降，可满足高阶高选择性和小尺寸的要求。

进一步地，所述第一双模谐振器的谐振频率为3.1GHz-10.6GHz，所述第一双模谐振器与所述第二双模谐振器、第三双模谐振器、第四双模谐振器和第五双模谐振器的谐振频率一致。

可满足宽波段的滤波需求。

进一步地，所述第一双模谐振器与所述第二双模谐振器位于两对称面设置，所述第一双模谐振器、第三双模谐振器和第五双模谐振器位于同一侧面，所述第二双模谐振器和第四双模谐振器位于同一侧面。

减少信道干扰，减小尺寸，满足其小型化的需求。

进一步地，该滤波器还包括0.5mm厚度的双面YBCO高温超导薄膜的MgO基片，所述第一双模谐振器、第二双模谐振器、第三双模谐振器、第四双模谐振器、第五双模谐振器、第一叉指抽头和第二叉指抽头分别印刻在所述基片上。

将第一双模谐振器、第二双模谐振器、第三双模谐振器、第四双模谐振器、第五双模谐振器、第一叉指抽头和第二叉指抽头分别印刻在基片上可实现低插损和宽上阻带。

本发明的有益效果是：

1、本滤波器可满足小尺寸、高选择性以及低插损的要求，具有良好的性能，在通带高端有很好的滤波选择性和高抑制性；

2、采用双模SIR与叉指结构、耦合结构相结合，以方便地实现所需的耦合度，进一步使电路尺寸小型化；

3、采用并行双模谐振器的超宽带滤波器相比传统的多模单谐振器的滤波器具有更好的带外抑制性能；

4、该滤波器结构紧凑，设计简单，在通信系统中有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于双模谐振器的高温超导超宽带带通滤波器的结构示意图；

图2为本发明实施例n阶双模低通原型的电路模型图；

图3为本发明实施例双模谐振器的频率响应和双模谐振器的群延迟曲线；

图4为本发明实施例双模谐振器的外部品质因数与外部耦合的叉指结构中叉指的长度的关系曲线图；

图5为本发明实施例两个单/双模谐振器耦合在一起时的谐振频率变化曲线图；

图6为本发明实施例耦合系数与两个谐振器之间的水平距离和垂直距离的变化关系图；

图7为本发明实施例***/回波损耗的测量和模拟结果图；

图8为本发明实施例群延迟的测量和模拟结果图。

附图标记说明：

1、第一双模谐振器；2、第二双模谐振器；3、第三双模谐振器；4、第四双模谐振器；5、第五双模谐振器；6、第一叉指抽头；7、第二叉指抽头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

如图1-图8所示，一种基于双模谐振器的高温超导超宽带带通滤波器，包括相互并联的第一双模谐振器1、第二双模谐振器2、第三双模谐振器3、第四双模谐振器4和第五双模谐振器5，所述第一双模谐振器1的一端与第一叉指抽头6连接，所述第一双模谐振器1的另一端与所述第二双模谐振器2耦合连接，所述第三双模谐振器3分别与所述第二双模谐振器2、第四双模谐振器4耦合连接，所述第五双模谐振器5的一端与所述第四双模谐振器4耦合连接，第五双模谐振器5的另一端与第二叉指抽头7连接。

采用双模SIR技术，在具有双面YBCO薄膜的直径2英寸厚度0.5毫米的MgO的基片上设计并制作了5个谐振频率为3.1GHz-10.6GHz宽波段双模谐振器，双模谐振器采用叉指结构、耦合结构相结合的方式进行连接，以方便地实现所需的耦合度，这也使电路尺寸小型化，采用并联多模谐振器实现了同一通带内多模的单通UWB滤波器。并行多模谐振器的超宽带滤波器比多模单谐振器的滤波器具有更好的带外抑制性能。此外，因为高温超导材料具有表面电阻小、品质因数高的特点，所以制造的高阶滤波器损耗较小，本滤波器具有通带***损耗0.25dB，相对带宽117％，边带陡峭滚降，可满足高阶高选择性和小尺寸的要求。

n阶双模低通原型的电路模型如图2所示。它由谐振器(由Li，Ci，Li'和Ci'组成)和导纳变换器(mij)组成。单模Chebyshev并联结构滤波器从低通原型到带通的频率转换函数，采用公式，其中ω为频率，Ω为归一化低通频率变量，γ为归一化系数。FBW是相对带宽，可由公式，得到。

对于图2中所示的多模宽带带通滤波器，带通滤波器和低通原型之间的转换如公式所示。γ是由|Ω(ω)|＝1确定的比例因子，ωm是影响整个通带传输零点的重要参数，其值可由公式计算。对于多模谐振器，如图3所示，ω1和ω2表示谐振器的谐振极点，ω1'和ω2'代表谐振器的谐振零点，可以看出，多模谐振器的传输极点为3.1GHz和10.6GHz。

对于多模谐振器，外部品质因数定义如下，当外部耦合的叉指结构中叉指的长度S不同时，Qe1，Qe1和Qe值与谐振器的S之间的关系曲线如图4所示。

当两个双模谐振器耦合谐振腔紧密接近时，根据公式，得到耦合系数k，其中，如图5中所示的f+1、f+2、f-1和f-2是两个单/双模谐振器耦合在一起时的谐振频率。当两个谐振器彼此靠近时，如图5所示的谐振特性获得谐振频率，然后可通过公式计算谐振器之间的耦合系数。当两个谐振器之间的水平距离d和谐振器之间的垂直距离m取不同的值时，耦合系数与相应的谐振器之间的关系如图6所示。

采用传统的低通矩阵设计了中心频率为6.85GHz，相对带宽为117％的5阶UWB滤波器。根据，ωm为10.6GHz，比例因子γ设定为1.515，形成3.1GHz至10.6GHz的通带。根据公式，获得外部品质因数Qe＝1.53。本基于双模谐振器的高温超导超宽带带通滤波器在77K的温度下无需调谐的测量结果以及模拟结果如图7所示。该滤波器具有良好的性能，并且在通带的高端具有良好的抑制水平和选择性。3dB通带为3.1至10.6GHz(相对带宽(FBW)为117％)，最大带内***损耗为0.25dB，边带抑制可达60dB，测得的回波损耗优于18.5dB，如图8所示。此外，UWB通带内的群延迟在0.6ns到1.1ns之间，如图7所示。

根据并联耦合矩阵法设计滤波器的理论，采用YBCO/MgO/YBCO HTS衬底设计，制作和仿真了基于双模谐振器的高温超导超宽带带通滤波器，实现超宽带5阶多模滤波，本滤波器具有通带***损耗0.25dB，相对带宽117％，边带陡峭滚降的优点。与以往的滤波器相比，本滤波器结构紧凑，设计简单，在通信系统中有很好的应用前景。

在其中一个实施例中，所述第一双模谐振器1的谐振频率为3.1GHz-10.7GHz，所述第一双模谐振器1与所述第二双模谐振器2、第三双模谐振器3、第四双模谐振器4和第五双模谐振器5的谐振频率一致。

可满足宽波段的滤波需求。

在其中一个实施例中，所述第一双模谐振器1与所述第二双模谐振器2位于两对称面设置，所述第一双模谐振器1、第三双模谐振器3和第五双模谐振器5位于同一侧面，所述第二双模谐振器2和第四双模谐振器4位于同一侧面。

减少信道干扰，减小尺寸，满足其小型化的需求。

在其中一个实施例中，该滤波器还包括0.5mm厚度的双面YBCO高温超导薄膜的MgO基片，所述第一双模谐振器1、第二双模谐振器2、第三双模谐振器3、第四双模谐振器4、第五双模谐振器5、第一叉指抽头6和第二叉指抽头7分别印刻在所述基片上。

本滤波器设计在介电常数为9.8，厚0.5mm的MgO衬底上。在0.5mm MgO衬底的两侧沉积了YBCO超导薄膜(500nm厚)，整个电路尺寸为9.1mm×6.66mm(0.376λgcX0.284λgc，λgc为f0处的波导波长)。高温超导薄膜的一面通过光刻和离子蚀刻的标准工艺印刷成滤波电路，另一面用于接地，然后将滤波器包装在金属屏蔽盒中。将第一双模谐振器1、第二双模谐振器2、第三双模谐振器3、第四双模谐振器4、第五双模谐振器5、第一叉指抽头6和第二叉指抽头7分别印刻在基片上可实现低插损和宽上阻带。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。