L波段可调谐带通滤波器技术的研究

L波段可调谐带通滤波器技术的研究摘要：可调谐微波滤波器能够在很大程度上改善现在及未来微波系统的通信容量等关键问题，其重要性正吸引着人们越来越多的关注来对其进行研究和开发。利用材料的高Q值、低损耗特性，研制一种高性能通带可调谐的带通滤波器，实现了在L波段通带频率可调谐、具有通带内插损小、调谐范围灵活，在1.29GHz-1.436GHz连续可调谐的滤波器，可在原有滤波器基础上将滤波器通带范围向高频或者低频任意方向调谐移动的特点，并对电调微波带通滤波器的未来发展进行了展望。关键词：L波段；滤波器；可调谐；带通中图分类号：TN713文献标志码：A文章编号：2095-2945（2018）23-0162-03Abstract：Tunablemicrowavefilterscanimprovethecommunicationcapacityofpresentandfuturemicrowavesystemstoagreatextent，anditsimportanceisattractingmoreandmoreattentionforitsresearchanddevelopment.TakingadvantageofthehighQvalueandlowlossofthematerial，ahighperformancepassbandtunableband-passfilterisdeveloped，whichachievestunablefrequency，lowpassbandinterpolationlossandflexibletunablerangeinL-band.Thetunablefilterat1.29GHz～1.436GHzcanshiftthepassbandrangeofthefiltertoanydirectionofhighfrequencyorlowfrequency.Thefuturedevelopmentoftheelectricallymodulatedmicrowavebandpassfilterisprospected.Keywords：L-band；filter；tunable；band-pass引言?S着电子信息技术的飞速发展，卫星、雷达、移动通信等民用、军用通信系统不断升级换代，未来通信系统愈发青睐多功能、智能化、小型化和低成本的硬件设备，对接收机系统的指标提出了更高的要求[1]。可调谐或自适应接收前端可以随接收信号的变化自动适应到接收信号的频率、带宽和幅值，并抑制干扰信号，能有效减轻系统后端的信号数字化处理压力，对可调谐接收前端的需求越来越高[2]。然而，可调谐微波器件的实际应用尚被其有限的调谐范围、由调谐元件带来的较大损耗、调谐时伴随的阻抗失配、波形失真等诸多弊病困扰[3]。高温超导可调谐微波器件的应用则可以有效地解决上述问题。由于高温超导薄膜具有极低的表面电阻，具备更高的Q值，可很大程度上降低滤波器通带差损、增强阻带抑制以及提高边带陡峭度[4]。基于高温超导材料的优越性，本论文将利用高温超导材料极低损耗特性，研制可调谐高温超导滤波器，将其应用于接收机前端子系统中，可大幅提升系统性能。并广泛应用于通信、测控、雷达等系统中[5，6]。1滤波器的设计本文设计L波段带宽为50MHz的高温超导可调谐滤波器，依据滤波器设计理论，采用切比雪夫型低通响应为设计原型，通过频率变换，得到中心频率位于1.3GHz，带宽为50MHz的带通滤波器设计初值。本文采用YCBO薄膜的超导材料作为电路，500nm的薄膜采用磁控溅射法生长在0.5mm厚的LaAlO3介质衬底上。1.1谐振器的设计得到了L波段带通滤波器设计初值，需要设计能够实现相应耦合要求的谐振器结构，同时需要根据高温超导材料介质基片的特性，选择适合加工制作实现的电路结构。常见的滤波器结构由微带线半波长谐振器、梳状线型、交指线型等结构组成[7-10]。但是由于高温超导介质基片材料特性较硬，并且很脆，不适合制作带状线结构，同时不能在基片做接地孔，所以无法采用体积较小的梳状线和交指线结构，故而本文采用半波长微带线结构的谐振器形式。带通滤波器设计和制作采用半波长谐振器，谐振器的电长度变化，滤波器对应的中心频率也就同时发生偏移，对于微带线结构，其中填充了至少两种介质（基片和空气介质），属于分区填充介质的导波系统，TEM波不能满足介质基片与空气分界面的边界条件，电场和磁场均具有纵向分量，因此微带线的介电常数作出修正，从而来实现一种基于高温超导材料的频率连续可调的L波段带通滤波器结构。本文是基于用磁控溅射法生长在铝酸镧（LAO）基片上的YBCO的高温超导薄膜材料的半波长微带线谐振器结构。工作于L波段的谐振器半波长物理长度较长，常见的谐振器形式存在体积大，场结构集中在谐振器内部，不适合用在高温超导薄膜制作滤波器，本文在考虑场结构分布的同时需要考虑谐振器的小型化设计，谐振器结构采用如图1所示的交指电容和曲折线的结构形式。1.2滤波器的设计及构建首先设计中心频率在1.325GHz，带宽为50MHz，切比雪夫响应的带通滤波器。通过低通到带通的变换得到带通滤波器设计初值，借助微波电路仿真软件得到了带通滤波器的初步结构。如图2所示。利用微波电路仿真软件，对得到初步结构进行仿真计算，得到电路整体的频率响应曲线如图3所示。在图3中可以看出，通带已经达到指标要求，但是通带中的反射不好，需要进一步考虑各个谐振器之间的耦合系数，对滤波器结构和谐振器尺寸进一步优化，得到满足指标要求的滤波器仿真结构，如图4所示。仿真软件计算得到的频率响应曲线如图5所示。滤波器通带中心频率为1.32GHz，通带范围为1.294-1.344GHz，带宽50MHz，通带内插损小于0.2dB，滤波器通带频率范围的高端和低端分别偏离通带33MHz和22.5MHz，抑制度达到60dB以上。表现出很好的带外抑制效果，同时带内插损很小。2可调谐滤波器设计2.1调谐方式通过调节介质的有效相对介电常数，就可以达到改变一定物理尺寸结构下的波导波长，改变谐振器的谐振频率，本设计中高温超导材料YBCO的生长基片选用介电常数24.2的铝酸镧（LAO）基板，通过改变填充系数q，也就是改变微带线上层空气介质的厚度h，就可以实现改变电路介质整体的有效相对介电常数。图6和图7中分别展示了微带电路中距离h与填充系数和有效相对介电常数的关系曲线。2.2调谐方式的实现从上图中的电路的有效相对介电常数与空气腔距离的关系曲线，此距离对电路的介电常数有一定程度的影响，但是变化范围并不大，同时对距离h的控制要求很高。为了克服这样的弊端，本文在此基础上采用了在微带电路上部附加介质片的方式，对微带结构进行扰动，同时改变介质片与微带电路的距离，调节的示意图如图8所示。通过如图8所示的外加介质片的扰动结构，可以在很大程度上改变整体电路的有效相对介电常数，使得电路的有效相对介电常数在一定程度上减小，波导波长变大，滤波器的中频频带向高频段频移。实现滤波器调谐的设计。通过调节微带线上方空气层的厚度，借助电磁仿真软件计算电路S参数，频率变化结果如图9所示。从图中可以看出，在不同的空气层的厚度条件下，滤波器的中心频率从1.31GHz变化到了1.436GHz，向高频端偏移了126MHz，同时，带宽由调谐之前的51MHz变化成为15MHz。虽然实现了频率的调谐移动，但是通带内的反射出现恶化，同时带外抑制的效果也大幅恶化。采用同样的思路，改变微带电路上层空气层的介质的介电常数，继续采用如图8中的电路调?C结构，同样可以达到改变电路有效相对介电常数的目的，改变滤波器的中心频率。采用不同的介质基片，加载在电路上方，如图10中虚线部分为常规结构未扰动的结构的传输和反射曲线，实线部分为扰动片厚度为2.2mm，介质相对介电常数为400的介质片对电路扰动后的传输与反射参数曲线。两组曲线之间频率范围可以通过前文所述的改变介质上方的空气层的厚度或者使用不同的相对介电常数的介质来实现频率的移动。采用这种方法完成了滤波器频率向低频段调谐的目的，实现了25MHz的调谐范围。保持带宽基本不变，但是带外抑制出现了较大幅度的恶化。3结束语本文通过选择设计了对电路外部扰动敏感的谐振器结构，利用在0.5mm厚的铝酸镧（LAO）基板上生长的YBCO高温超导薄膜为材料，设计了性能优异的高温超导滤波器，在此基础上，研究了对滤波器外部调谐的方式和方法，采用调整空气层的厚度和换用不同的相对介电常数的介质基片的方法，实现了一种固定谐振器物理尺寸的情况下能够自主调节实现不同电长度的谐振器结构，实现高温超导滤波器的通带频率可调谐，滤波器中心频率的调谐范围可以从1.29GHz-1.436GHz的连续可调谐。相比于变容二极管等其他单一移动频率的调谐方式，本文提出的方法可以实现调谐频率上下变动的效果，具有很高的实用性。但同时也存在调谐范围较小，在某些频带下带外抑制不好的缺点，需要进一步改进。参考文献：[1]Jia-ShengH.Reconfigurableplanarfilters[J].MicrowaveMagazine，IEEE.2009，10（6）：73-83.[2]JiaN，WenxingT，Zhang-ChengH，etal.Aninvestigationofperformanceenhancementfortunablemicrostripfilter[C].2011.[3]尤志刚，林先其，邓立科.电调谐滤波器的研究与设计[J].通信技术，2011（1）：162-163.[4]羊恺，补世荣，张其劭，等.高温超导小型化多曲折线滤波器研制[J].科学通报，2002（18）：1378-1380.[5]SaX，Nchez-RenedoM.High-SelectivityTunablePlanarComblineFilterWithSource/Load-MultiresonatorCoupling[J].MicrowaveandWirelessComponentsLetters，IEEE.2007，17（7）：513-515.[6]季来运.高温超导滤波器系统及其应用[J].电子产品世界，2008（2）：137-140.[7]李超，于涛，王佳，等.一款C波段极窄带高温超导滤波器[J].低温与超导，2010，38（11）：28-31.[8]慕利娟.高温超导滤波器的研制[D].北京工业大学，2006.[9]左涛，方兰，赵新杰，等.高温超导滤波器研制[J].南开大学学报（自然科学版），2006，39（4）：70-73.[10]吴树兴，张智江，张范.高温超导滤波器子系统的进展[J].现代电信科技，2007，37（12）：34-37.