專利名稱：微帶線諧振器及其微波濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波窄帶濾波器的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及微波濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計。
背景技術(shù)：
濾波器是一種十分重要的微波元件，它的主要功能是用來分隔頻率，即通過一定的頻率的信號而阻斷另一些頻率的信號。理想的濾波器特性應當是通帶無衰減而在截止區(qū)域內(nèi)衰減無窮大，通帶與截止區(qū)域的跳變要盡可能的陡峭。要達到帶邊陡峭的特性，一般可以通過增加濾波器的節(jié)數(shù)來加以改善。節(jié)數(shù)的增加將顯著的引人損耗，使通帶衰減變大，濾波器性能惡化。這使得普通微帶線濾波器的損耗一般較大，對要求較高的領(lǐng)域，例如衛(wèi)星應用，就達不到所要求的指標，一般這時就只能用波導器件來實現(xiàn)。
近幾年來，隨著高溫超導材料的制備工藝，包括單晶樣品和薄膜等的發(fā)展，使得超導濾波器的實用化成為可能。超導濾波器損耗小，抗鄰頻干擾能力強，諧振器Q值高(在幾千MHz范圍內(nèi)，其Q值可達40000-100000)。利用超導微帶線的這一特點，可以用超導微帶線濾波器來代替波導濾波器。從已有的實驗結(jié)果來看，超導微帶線濾波器可以有陡峭的帶邊，極低的插入損耗平坦通帶特性，在性能上更接近于理想濾波器。因此高溫超導微帶線濾波器不僅具有可與波導器件比的性能，而又同時兼具微帶線體積小，重量輕的優(yōu)點。
濾波器的結(jié)構(gòu)對濾波器的特性起了決定性作用。目前，設(shè)計的目標是在使濾波器整體盡可能小的前提下，使濾波器的帶內(nèi)插入損耗更低，帶邊更陡。
圖1顯示了英國于2000年發(fā)表的一個8節(jié)Open-loop形超導濾波器，基片材料為LaAlO3，尺寸為39*23.5mm。其諧振器為8個以軸對稱分布的有一缺口的環(huán)帶狀(圖中分別以數(shù)字1-8標出)，缺口的寬度為Wg。分析其電磁場可知，電場主要分布在環(huán)的開口出，因此此處相當于一個電容；磁場主要分布于環(huán)的另一側(cè)，所以環(huán)狀的微帶線接近于電感。輸入輸出饋線11和12的寬度WO對應著50歐姆輸入輸出阻抗，饋線的長度對濾波器性能沒有影響，根據(jù)工藝要求取幾毫米即可。饋線11和12與各自最相鄰諧振器1和8接觸的位置由輸入輸出阻抗匹配確定。8個諧振器形狀尺寸相近或相同，其環(huán)帶狀微帶線總長度約為在此LaAlO3基片上的濾波器中心頻率對應波長的一半。各諧振器之間的距離決定了濾波器的性能。設(shè)計中需調(diào)整各諧振器之間的距離直至濾波器響應滿足要求為止。
圖2為此濾波器在55K與低噪聲放大器組合條件下的頻率響應圖。圖中，21為濾波器的傳輸損耗S21特性曲線，22為濾波器的反射損耗S11特性曲線。其通帶反射系數(shù)約為-15.5dB，帶邊陡峭度低端為20dB/MHz，高端為15dB/MHz。雖然這種濾波器的諧振器Q值很高，有很好的帶內(nèi)和陡峭度，但因為其諧振器形狀過于龐大，并且不能非常有效的利用基片空間，所以限制了它不能將節(jié)數(shù)增加得很高，而增加濾波器節(jié)數(shù)能夠從根本上提高其陡峭度，所以此種結(jié)構(gòu)也并不十分理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出了基于新型微帶線結(jié)構(gòu)的諧振器及用其組構(gòu)的濾波器，其諧振器采用包含一缺口的單折疊或雙折疊環(huán)帶結(jié)構(gòu)，使其具有插入損耗小，帶外抑制大，過渡帶陡峭，同時組構(gòu)的濾波器結(jié)構(gòu)簡捷，整體尺寸小等優(yōu)點。
本發(fā)明提出一種微帶線諧振器，其特征在于，由兩個環(huán)帶，其端部相連通構(gòu)成單折疊環(huán)帶結(jié)構(gòu)，其中一個環(huán)帶包含一個缺口，兩環(huán)帶相連通的一端為封閉端，另一端為開口端。
開口端處兩環(huán)帶可為相同高度。
本發(fā)明提出另一種微帶線諧振器，其特征在于，由三個環(huán)帶，其端部依次連通構(gòu)成雙折疊環(huán)帶結(jié)構(gòu)，其中第一環(huán)帶包含一個缺口，第二環(huán)帶與第一環(huán)帶相連，第三環(huán)帶與第二環(huán)帶相連，第一環(huán)帶和第二環(huán)帶相連通的一端為封閉端，另一端為開口端。
所說的三個環(huán)帶長度可以兩兩相同。
本發(fā)明提出一種基于上述諧振器結(jié)構(gòu)組成的濾波器，其特征在于，包括依次平行排列的多個單折疊環(huán)帶諧振器和雙折疊環(huán)帶諧振器組成諧振器陣，所說的第一個和最后一個諧振器采用雙折疊環(huán)帶諧振器，輸入輸出饋線分別與第一個和最后一個雙折疊環(huán)帶諧振器的第三環(huán)帶的一端相連接。
相鄰諧振器的開口端朝向可相同，各諧振器的第一環(huán)帶所包含的缺口的位置可以相同。
本發(fā)明的效果本發(fā)明在同等節(jié)數(shù)條件下，在帶內(nèi)插入損耗，帶外衰減，帶邊陡峭度等性能上達到國外同類超導濾波器的性能指標，而且尺寸小于Open-loop形超導濾波器。本發(fā)明可用超導材料制作，也可以用其它材料制作。本發(fā)明組成濾波器的諧振器個數(shù)可以根據(jù)需要確定，各個諧振器平行但上下不一定對齊。因此只要采用單折疊或雙折疊環(huán)帶狀諧振器結(jié)構(gòu)設(shè)計的濾波器均屬本發(fā)明的保護范圍。


圖1為已有的一種8節(jié)Open-loop形超導濾波器的結(jié)構(gòu)布局示意圖。
圖2為已有的8節(jié)Open-loop形超導濾波器的響應曲線圖。
圖3為本發(fā)明的一種單折疊環(huán)帶結(jié)構(gòu)諧振器實施例的結(jié)構(gòu)布局示意圖。
圖4為本發(fā)明的一種雙折疊環(huán)帶結(jié)構(gòu)諧振器實施例的結(jié)構(gòu)布局示意圖。
圖5為本發(fā)明的一種超導濾波器實施例的結(jié)構(gòu)布局示意圖。
圖6為本超導濾波器實施例的響應曲線圖。
圖7為本發(fā)明的另一種超導濾波器實施例的結(jié)構(gòu)布局示意圖。
圖8為另一超導濾波器實施例的響應曲線圖。
圖9為本發(fā)明的一種14節(jié)超導濾波器的響應曲線圖。
具體實施例方式
本發(fā)明設(shè)計的微帶線諧振器及其微波濾波器結(jié)合實施例及附圖詳細說明如下本發(fā)明設(shè)計的一種微帶線諧振器實施例的結(jié)構(gòu)布局如圖3所示。由兩個長環(huán)帶連通構(gòu)成單折疊環(huán)帶。圖中，31為第一環(huán)帶，其外帶由兩段微帶線311、312構(gòu)成，形成一缺口313，該兩段帶311、312的長度可以相等或不等；其內(nèi)帶為314；32為第二環(huán)帶，其外帶321的一端與第一環(huán)帶的外帶312的一端相連通，內(nèi)帶322與第一環(huán)帶的內(nèi)帶314的一端相連通。各環(huán)帶的長度和環(huán)帶內(nèi)外帶之間的距離以及兩環(huán)帶內(nèi)帶之間的距離可根據(jù)濾波器的具體設(shè)計要求確定。整個單折疊環(huán)帶諧振器的微帶線總長度約為濾波器中心頻率對應波長的一半。
本發(fā)明設(shè)計的另一種微帶線諧振器實施例結(jié)構(gòu)布局如圖4所示，由三個長環(huán)帶依次連通構(gòu)成雙折疊環(huán)帶。圖中，41為第一環(huán)帶，其外帶由兩段微帶線411、412構(gòu)成，形成一缺口413，其內(nèi)帶為414；42為第二環(huán)帶，43為第三環(huán)帶，其中，第一環(huán)帶的外帶412與第三環(huán)帶的外帶431通過第二環(huán)帶的外帶421兩端相連通并呈雙折疊狀；第一環(huán)帶的內(nèi)帶414與第三環(huán)帶的內(nèi)帶432通過第二環(huán)帶的內(nèi)帶422兩端相連通并呈雙折疊狀。各環(huán)帶的長度和環(huán)帶內(nèi)外帶之間的距離以及每兩環(huán)帶之間的縫隙寬度可根據(jù)濾波器的具體設(shè)計要求確定。整個雙折疊環(huán)帶諧振器的微帶線總長度約為濾波器中心頻率對應波長的一半。
本發(fā)明設(shè)計的一種高溫超導濾波器實施例結(jié)構(gòu)布局如圖5所示。濾波器的中心頻率為830MHz，相對帶寬為1.2％。圖中白色部分為MgO基片，尺寸為17*28mm，畫斜線部分為超導微帶線，居中放置在MgO基片上。輸入輸出饋線50和55的寬度為0.5mm，對應于50歐姆輸入輸出阻抗，饋線50、55長度為4.32mm，距基片頂部的距離為8.5mm，各自和與其相接觸的諧振器51和54耦合。51到54為4個尺寸結(jié)構(gòu)完全相同的單折疊環(huán)帶結(jié)構(gòu)諧振器，兩兩第一環(huán)帶在內(nèi)，缺口位置相對，諧振器開口端朝上平行排列，距基片頂部距離為4.3mm。以第2個諧振器52為例來說明諧振器的尺寸，整個單折疊環(huán)帶結(jié)構(gòu)諧振器52各處微帶線寬度皆為0.2mm，第一環(huán)帶521外帶的兩段微帶線5211、5212長度各為7.1mm和14.2mm，內(nèi)帶5213長度為21.05mm，其內(nèi)帶和外帶之間距離為0.2mm，第二環(huán)帶522的外帶5221長21.5mm，內(nèi)帶5222長21.05mm，該內(nèi)帶和外帶之間距離為0.2mm，第一環(huán)帶的內(nèi)帶5213和第二環(huán)帶的內(nèi)帶5222之間的距離為0.3mm，整個微帶線的總長度約為濾波器中心頻率在此MgO基片上對應波長的一半。各微帶線諧振器之間的距離L1、L2、L3依次為0.6mm，0.82mm，0.6mm。本發(fā)明還可以很容易用此結(jié)構(gòu)設(shè)計出節(jié)數(shù)更高的濾波器。本發(fā)明還可以使用LaAlO3、Sapphire等其它材料的基片。
圖6為本濾波器實施例的頻率響應曲線，圖中實線61為傳輸損耗S21曲線，虛線62為反射損耗S11曲線，通帶反射系數(shù)達到了-18dB，帶邊陡峭度兩邊都達到了約2dB/MHz。在增加濾波器更多節(jié)數(shù)諧振器的情況下，帶邊會更加陡峭，帶外抑制更好。
本發(fā)明設(shè)計的另一種高溫超導濾波器實施例結(jié)構(gòu)布局如圖7所示。濾波器的中心頻率為830MHz，相對帶寬為1.2％。圖中白色部分為MgO基片，尺寸為20*30mm，畫斜線部分為超導微帶線，居中放置在MgO基片上。輸入輸出饋線70和77的寬度為0.5mm，對應于50歐姆輸入輸出阻抗，饋線長度為2.7mm，各自和與其相接觸的諧振器71和76耦合。71到76為6個微帶線諧振器，兩兩第一環(huán)帶在內(nèi)，缺口位置相對，諧振器開口端朝上平行排列，距基片頂部距離為2.4mm。其中72到75四個諧振器為單折疊環(huán)帶結(jié)構(gòu)諧振器，其尺寸結(jié)構(gòu)完全相同，以第4個諧振器74為例來說明單折疊環(huán)帶結(jié)構(gòu)諧振器的尺寸，整個單折疊環(huán)帶結(jié)構(gòu)諧振器74各處微帶線寬度皆為0.2mm，第一環(huán)帶741外帶的兩段微帶線7411、7412長度各為7.1mm和14.2mm，內(nèi)帶7413長度為21.1mm，該內(nèi)帶和外帶之間距離為0.2mm，第二環(huán)帶742的外帶7421長21.5mm，內(nèi)帶7422長21.1mm，該內(nèi)帶和外帶之間距離為0.2mm，第一環(huán)帶的內(nèi)帶7413和第二環(huán)帶的內(nèi)帶7422之間的距離為0.3mm，整個微帶線的總長度約為濾波器中心頻率在此MgO基片上對應波長的一半。諧振器71和76為雙折疊環(huán)帶結(jié)構(gòu)諧振器，其尺寸結(jié)構(gòu)完全相同，以71為例來說明其尺寸。整個雙折疊環(huán)帶結(jié)構(gòu)諧振器71各處微帶線寬度皆為0.2mm，第一環(huán)帶711外帶的兩段微帶線7111、7112長度各為7.1mm和14.2mm，內(nèi)帶7113長度為21.1mm，該內(nèi)帶和外帶之間距離為0.2mm，第三環(huán)帶713的外帶7131長12.7mm，內(nèi)帶7132長12.3mm，該內(nèi)帶和外帶之間距離為0.2mm，第一環(huán)帶的內(nèi)帶7113和第二環(huán)帶的外帶7121之間的距離為0.3mm，第三環(huán)帶的內(nèi)帶7132和第二環(huán)帶的內(nèi)帶7122之間的距離也為0.3mm，第二環(huán)帶712的內(nèi)帶7122和外帶7121之間的距離為0.2mm。整個微帶線的總長度約為濾波器中心頻率在此MgO基片上對應波長的一半。各微帶線諧振器之間的距離L1、L2、L3、L4、L5依次為0.525mm，0.675mm，1.0mm，0.675mm，0.525mm。本發(fā)明用此結(jié)構(gòu)可以很容易設(shè)計出節(jié)數(shù)更高的濾波器。本發(fā)明還可以使用LaAlO3、Sapphire等其它材料的基片。
圖8為本濾波器實施例的頻率響應曲線，圖中實線81為傳輸損耗S21曲線，虛線82為反射損耗S11曲線，通帶反射系數(shù)達到了-20dB，帶邊陡峭度兩邊都達到了約4dB/MHz。在增加濾波器更多節(jié)數(shù)諧振器的情況下，帶邊會更加陡峭，帶外抑制更好。
本發(fā)明根據(jù)圖7實施例結(jié)構(gòu)設(shè)計的中心頻率為830MHz，相對帶寬為1.2％的濾波器可以做到14節(jié)，并且其尺寸只有40*30mm。該濾波器的頻率響應曲線如圖9所示，圖中實線91為傳輸損耗S21曲線，虛線92為反射損耗S11曲線，通帶反射系數(shù)達到了-18dB，兩邊陡峭度都達到了35dB/MHz，帶外衰減大于70dB。
權(quán)利要求
1.一種微帶線諧振器，其特征在于，由兩個環(huán)帶，其端部相連通構(gòu)成單折疊環(huán)帶結(jié)構(gòu)，其中一個環(huán)帶包含一個缺口，兩環(huán)帶相連通的一端為封閉端，另一端為開口端。
2.如權(quán)利要求1所述的微帶線諧振器，其特征在于，所說的開口端處兩環(huán)帶為相同高度。
3.一種微帶線諧振器，其特征在于，由三個環(huán)帶，其端部依次連通構(gòu)成雙折疊環(huán)帶結(jié)構(gòu)，其中第一環(huán)帶包含一個缺口，第二環(huán)帶與第一環(huán)帶相連，第三環(huán)帶與第二環(huán)帶相連，第一環(huán)帶和第二環(huán)帶相連通的一端為封閉端，另一端為開口端。
4.如權(quán)利要求1所述的微帶線諧振器，其特征在于，所說的三個環(huán)帶長度兩兩相同。
5.一種基于微帶線諧振器結(jié)構(gòu)組成的濾波器，其特征在于，包括依次平行排列的多個單折疊環(huán)帶諧振器和雙折疊環(huán)帶諧振器組成諧振器陣，所說的第一個和最后一個諧振器采用雙折疊環(huán)帶諧振器，輸入輸出饋線分別與第一個和最后一個雙折疊環(huán)帶諧振器的第三環(huán)帶的一端相連接。
6.如權(quán)利要求5所述的基于微帶線諧振器結(jié)構(gòu)組成的濾波器，其特征在于，相鄰微帶線諧振器的開口端朝向相同。
7.如權(quán)利要求5所述的基于微帶線諧振器結(jié)構(gòu)組成的濾波器，其特征在于，各諧振器的第一環(huán)帶所包含的缺口的位置相同。
全文摘要
本發(fā)明屬于微波窄帶濾波器的技術(shù)領(lǐng)域，涉及微帶線諧振器及其微波濾波器。本發(fā)明的諧振器由兩個環(huán)帶，其端部相連通構(gòu)成單折疊環(huán)帶結(jié)構(gòu)，其中一個環(huán)帶包含一個缺口，兩環(huán)帶相連通的一端為封閉端，另一端為開口端。本發(fā)明的諧振器還可由三個環(huán)帶，其端部依次連通構(gòu)成雙折疊環(huán)帶結(jié)構(gòu)，其中第一環(huán)帶包含一個缺口，第二環(huán)帶與第一環(huán)帶相連，第三環(huán)帶與第二環(huán)帶相連，第一環(huán)帶和第二環(huán)帶相連通的一端為封閉端，另一端為開口端。本發(fā)明還包括基于微帶線諧振器結(jié)構(gòu)組成的濾波器，包括依次平行排列的多個單折疊環(huán)帶諧振器和雙折疊環(huán)帶諧振器組成諧振器陣。本發(fā)明具有插入損耗小，帶外抑制大，過渡帶陡峭，同時組構(gòu)的濾波器結(jié)構(gòu)簡捷，整體尺寸小等優(yōu)點。
文檔編號H01P1/20GK1507107SQ0215560
公開日2004年6月23日 申請日期2002年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月13日
發(fā)明者曹必松, 郭旭波, 何文俊, 溫迪克, 魏斌, 朱美紅, 尹哲勝, 樸云龍, 何山 申請人:清華大學