高性能高温超导线性相位滤波器的研究

摘要

利用高温超导(HTSC)薄膜研制的微波滤波器具有体积小、重量轻、插损小、Q值高和滤波特性好等优点，这是波导腔、介质谐振器或常规平面结构设计的滤波器所无法比拟的。这些优点对于减轻通信系统的重量和缩小体积降低成本都是非常有利的。 本论文首先介绍了高温超导材料的基本特性，在对当前国内外文献中己报道的部分同类产品做了简要归纳的基础上对高温超导线性相位滤波器的应用进行了分析。本论文在解决了高温超导微波无源器件的设计、光刻工艺、密封封装和低温测量等难点之后，不仅分别采用了自均衡法和外均衡法来进行多种结构的高温超导线性相位滤波器的设计，而且还分别利用不同的设计方法，对不同阶数，不同相对带宽的高温超导线性相位滤波器进行了多角度的研制。第二章主要分析了谐振器间各类耦合及给出Extracted-pole结构高温超导线性相位滤波器的实验结果和结果分析。实测线性相位滤波器指标为：中心频率为1740MHz，带宽为80MHz，带内群时延波动(线性相位特性)＜±1.5ns，带外抑制＞20dB，带内插损最好可达到0.141dB。第三章主要介绍利用原型结构直接进行高温超导自均衡线性相位滤波器的研制。实测线性相位滤波器指标为：中心频率为1993MHz，带宽55MHz，通带内最优插损为0.22dB，回波损耗优于-13.8dB，群时延起伏＜±1ns的有效带宽约占通带的75％。第四章主要介绍利用并联结构进行高温超导线性相位滤波器的研制。实测线性相位滤波器指标为：中心频率为2000MHz，带宽40MHz，通带内最优插损为0.264dB，回波损耗优于-17.6dB，群时延起伏＜±1.5ns的有效带宽约占通带的70％以上。第五章主要介绍交叉线结构自均衡小型化高温超导线性相位滤波器的研制。实测线性相位滤波器指标为：带宽15MHz，中心频率2514MHz，通带内最优插损为2.96dB。群时延起伏＜±10ns的有效带宽约占通带的70％。第六章主要介绍高温超导外均衡线性相位滤波器的研制。实测线性相位滤波器指标为：中心频率2250.86MHz，带宽14MHz，通带内最优插损为2.092dB，回波损耗优于-18.97dB，群时延起伏＜50ns有效带宽约占通带的78.57％。第七章主要讨论了利用低阶线性相位滤波器通过级联的方式构造高阶线性相位滤波器的方法，并给出仿真实例。 第三章和第五章还给出了部分自行综合出的线性相位滤波器低通原型参数或归一化耦合矩阵，今后在此基础上还可根据实际设计目标综合出对应的低通原型参数或归一化耦合矩阵作为设计工作的理论指导。 在论文设计过程中，所采用的基片均采用YBCO/LaAlO3/YBCO双面薄膜。设计各器件的主要过程为：首先给出线性相位滤波器的原理参数模型和设计原理，利用电磁仿真工具建立高温超导滤波器的理论仿真模型以获取理论理想结果，然后采用全波电磁仿真方法，综合设计符合要求的高温超导线性相位滤波器，并完成设计结果与理论结果比对。最后完成器件的制作、封装和测量，将试验结果与仿真结果进行比较。从基片介电常数、厚度、加工工艺等多种因素以不同角度针对测试结果与理想结果之间的差异进行分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

第一章滤波器简介及高温超导线性相位滤波器的应用分析

1.1滤波器简介

1.1.1滤波器的分类

1.1.2滤波器的主要技术参数

1.1.3归一化低通原型滤波器的一般概念

1.1.4低通原型滤波器

1.1.5频率变换

1.2高温超导与高温超导线性相位滤波器

1.2.1超导体

1.2.2高温超导薄膜国内外发展状况

1.2.3高温超导滤波器

1.2.4高温超导滤波器在现代移动通信中的应用分析[6-11]

1.2.5高温超导滤波器在军事中的应用分析

1.2.6国内外超导滤波器研究以及发展状况

1.2.7国内外高温超导线性相位滤波器研究以及发展状况

第二章谐振器间耦合分析与Extracted-pole结构高温超导线性相位滤波器

2.1谐振器间的耦合[29]

2.1.1开口环谐振器间耦合方式分类

2.1.2开口环谐振器间耦合系数分析

2.1.3其他结构谐振器间的耦合分析

2.2混合耦合时大耦合系数的获取

2.3测试系统

2.4 Extracted-pole结构高温超导线性相位滤波器

2.4.1Extracted-pole结构高温超导线性相位滤波器研制与测试

2.4.2测试结果与结果分析

2.5结论

第三章原型结构高温超导线性相位滤波器

3.1滤波器低通原型电路模型及六阶线性相位滤波器原型参数

3.2六级高温超导原型结构线性相位滤波器的研制

3.2.1六级高温超导原型结构线性相位滤波器的仿真设计

3.2.2高温超导原型结构线性相位滤波器的制作与测试

3.2.3测试结果分析

3.3八阶原型结构线性相位滤波器低通原型参数综合

3.4结论

第四章并联结构高温超导线性相位滤波器

4.1原理结构与参数

4.2线性相位滤波器理想响应

4.3滤波器拓扑结构的选取

4.4高温超导并联结构线性相位滤波器的制作与测试

4.5测试结果分析

4.6第一种八阶并联结构线性相位滤波器归一化耦合矩阵参数综合

4.7第二种八阶并联结构线性相位滤波器归一化耦合矩阵参数综合

4.8结论

第五章耦合交叉线高温超导自均衡线性相位滤波器

5.1耦合交叉线

5.2自均衡线性相位滤波器归一化耦合矩阵参数提取与验证

5.2.1自行研究的低通原型参数综合方法介绍

5.2.2纯CQ型自均衡线性相位滤波器

5.2.3非纯CQ型自均衡线性相位滤波器

5.2高阶自均衡线性相位滤波器

5.3 8阶耦合交叉线高温超导自均衡线性相位滤波器的研制

5.3.1耦合系数的计算

5.3.2本论文提出的谐振器单元结构及优势

5.3.3 CQ单元的优化设计

5.3.4高温超导交叉线自均衡线性相位滤波器的制作与测试

5.3.5测试结果分析

5.4补充说明

5.5结论

第六章高温超导外均衡线性相位滤波器

6.1外均衡原理介绍

6.1.1逼近原理

6.1.2均衡器元件值综合

6.1.3仿真实例介绍

6.2高温超导外均衡线性相位滤波器的研制

6.2.1准椭圆函数滤波器的设计

6.2.2一阶均衡器的优势

6.2.3 3dB电桥的设计

6.2.4单端口反射式均衡器的设计

6.2.5外均衡线性相位滤波器的设计

6.2.6外均衡线性相位滤波器的制作与测试

6.2.7测试结果与分析

6.3结论

第七章高温超导级联线性相位滤波器

7.1原型结构高温超导12阶级联线性相位滤波器设计

7.2 Extracted-pole结构高温超导12阶级联线性相位滤波器设计

7.3结论

主要结论与创新点

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果