[发明专利]一种高温超导微带谐振器及包含该谐振器的滤波器

说明书

技术领域

本发明属于微波工程领域，涉及一种适用于微波通信和探测的劈裂阶跃阻抗结构高温超导微带谐振器以及由其构成的滤波器，是一种微波无源器件。

背景技术

由于低温低电阻特性，高温超导薄膜制作的微波谐振器通常具有很高的无载Q值(＞10000)。而对于一定节数和相对带宽的滤波器，其插损反比于谐振器的无载Q值，因此高温超导滤波器通常具有很低的带内插损。同时，由于可以引入较高的滤波器节数，高温超导滤波器可以具有较高的带边陡峭度和带外抑制。基于这些优势，高温超导滤波器可以广泛应用于微波通信、天文观测和雷达探测等领域。

目前，针对高温超导滤波器的文献与专利主要集中在基频通带的低插损、高带边陡峭度和高带外抑制等方面，而专门针对高温超导滤波器寄生通带的研究尚少。事实上，人们针对常规金属滤波器已经提出多种寄生通带抑制方案，但是往往不适用于超导滤波器。二者区别主要有以下方面：(1)高温超导滤波器的高Q值，使其高频寄生通带并不能像普通金属那样，可以通过自身损耗衰减许多；(2)高温超导滤波器存在接地困难的特点，因为采用的铝酸镧、氧化镁和蓝宝石等介质的高温超导基片接地打孔工艺难于实现，并且1/4波长谐振器只能去除偶数倍频处的寄生通带；(3)常规微带滤波器采用的寄生通带抑制方法，一般采用的谐振器尺寸较大，且只适于节数较低的情况，而超导滤波器受限于薄膜材料的尺寸(最大3英寸)，且一般要求推广到高节数设计；(4)低频情况下，谐振器本身尺寸较大，也增加了设计的困难。

基于以上考虑，人们将阶跃阻抗结构引入到高温超导滤波器的设计中，目前的几种典型阶跃阻抗的设计方案如下：

图1为典型的阶跃阻抗谐振器(stepped impedance resonator，SIR)构成的带通滤波器(Bandpass filter)，请参考D.C.Chung and B.S.Han，“HTS Microstrip Filters using H-Type Resonators”，IEEETRANSACTIONS APPLIED SUPERCONDUCTIVITY，VOL.11，pp.388。每个谐振器的有效电长度为半波长，这种谐振器的磁场主要集中在谐振器中间的高阻抗线上，电场则主要集中在两端的低阻抗线上。这种谐振器的整体线长度较大，且谐振器之间的耦合强度较强，适合制作宽带的滤波器，若制作窄带滤波器，则体积较大。当需要较宽的带外阻带时，为了使第一寄生通带尽量的移向高频，需要比较高的高低阻抗比；但考虑到实际加工工艺精度，高阻抗线通常不宜过细，并且过细也会导致谐振器Q值降低。因此，这种SIR结构的阻抗比的提高会受到限制，其中10为典型阶跃阻抗谐振器构成的平行耦合型滤波器，11为耦合谐振器，12为信号输入微带，13为信号输出微带。

图2是在附图1基础上改进而来的开环阶跃阻抗谐振器(Open-looped Stepped Impedance Resonator，OLSIR)构成的滤波器，请参考S.Jin，B.Wei，X.Zhang，et al，“Design of a novel HTS open-loop SIR filter with the relocation of its second passband”，Microwae and Optical Technology letters，VOL.11，pp.2097-2101。与普通的SIR相比，这种谐振器整体上进行弯折，尺寸减小。其中，为了降低耦合强度，将分布电流密度较大的高阻抗线向内进行了折叠，而电场较强的低阻抗线围绕在外侧，这样相邻耦合由于电耦合起主要作用可使得谐振器间距减小。但是仍然会遇到高低阻抗比受限的问题，其中20为开环阶跃阻抗谐振器构成的滤波器，21为开环阶跃阻抗谐振器，22为信号输入微带，23为信号输出微带，24为开环阶跃阻抗谐振器的开口，25开环阶跃阻抗谐振器的弯折部分。