高温超导多工器及其在宽带数字接收机多通道前端的应用

摘要

高温超导薄膜(HTS)在微波频段下，具有极为优越的微波性能：在L、S波段其微波表面电阻Rs比常规金属导体的要低3～5个数量级，并能够实现高达1×107A/cm2的电流密度。利用这些高温超导薄膜已经制造出许多高温超导无源微波器件(如滤波器、多工器、功分器、限幅器、延迟线等)与电路(如放大器、振荡器、高速A/D转换器等)，它们具有比常规器件和电路更高的性能，这些高性能的高温超导无源微波器件与电路，应用到现代移动通信系统、卫星通信系统、雷达系统以及电子战(EW)侦察接收机系统中，将极大的提升系统性能，具有十分广阔的应用前景。 本论文主要工作内容：设计和研制高灵敏高温超导接收机前端的关键器件-高温超导滤波器和多工器，并与数字接收机技术相结合，研制开发新型宽带数字接收机的高灵敏高温超导双通道前端样机。虽然现在高温超导微波器件的设计是基于传统的常规微波器件的设计技术，但是由于高温超导技术的应用有些限制性的条件以及自身的特点，传统的常规滤波器和多工器设计需要进行一些发展改进以适合高温超导技术的应用。找到一种适合高温超导滤波器和多工器的简便、快速、准确的设计方法是我们研究的重点，并在此基础上开发研制新型宽带数字接收机的高性能高温超导多通道前端系统。 本论文主要创新性工作如下： 1、发展了一种快速、准确的滤波器CAD设计方法：利用滤波器的谐振器与其频率响应的对应关系，结合计算机强大仿真能力，来完成滤波器的设计。设计过程不再需要优化过程，大大节省了结构较复杂、级数较多的高温超导滤波器的设计周期，并通过实验验证了这个设计方法。制作的8级高温超导滤波器和低温工作低噪声放大器组件，工作频段XXX-XXXMHz，通带带宽5MHz，在77K下测试结果：带内增益21dB左右；带内反射小于-12dB；带内噪声小于0.8dB，最小噪声0.58dB。(论文第二章)2、针对设计过程更为复杂、困难的高温超导多工器的设计，发展了直接设计法设计高温超导多工器。通过对多工器的集总参数电路模型的研究，找到影响多工器性能的主要参数以及其调整变化的趋势，以获得较理想的初值，节省优化时间，避免复杂的理论和冗长的公式演算，并通过实验验证了这个设计方法。制作的四级高温超导双工器工作在3-4GHz频段，通道带宽500MHz，在温度77K下测试，测试结果达到：通带内插损小于0.8dB，通带间带外抑制大于30dB@通带中心频率，通带内反射小于-10dB：制作的四级高温超导四工器工作在2-4GHz频段，通道带宽500MHz，在温度77K下测试，测试结果达到：通带内插损小于0.8dB，通带间带外抑制大于30dB@通带中心频率，通带内反射在-10dB左右。(论文第三章)3、开展了高温超导多工器功率容载能力的研究。通过实验发现高温超导连续通带多工器在其交接区域内的功率容载能力并不比其单个通道带内的功率容载能力高，反而要低1dB左右。原因是高温超导连续通带多工器交接区域存在着大量微波电流，这些微波电流增加了多工器在交接区域内的损耗，因而降低了其交接区域内功率容载能力。(论文第三章)4、研制开发了宽带数字接收机的高灵敏高温超导双通道前端样机。实验测试样机在频段XXX-XXXGHz，中频带宽为500MHz，各通道灵敏度S在-85dBm和-86dBm之间，换算成系统总噪声系数NF在1.0dB和1.3dB之间；输出功率1dB压缩点P1dB=15.7dBm，输出功率三阶交截点OIP3=27.7dBm，系统总增益G=47.8dB(论文第四章)

目录

文摘

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声明

第一章超导电性和材料

1.1 超导的历史与发展

1.2 超导体的基本性质

1.3 超导体的基本理论

1.3.1 BCS理论

1.3.2伦敦方程

1.3.3 二流体模型

1.4 高温超导材料

1.4.1 YBCO特性

1.4.2 YBCO衬底材料

1.4.3电子科技大学YBCO制备简介

第二章高温超导滤波器

2.1 高温超导滤波器概述

2.1.1高温超导滤波器优势

2.1.2高温超导滤波器研究现状和将来发展

2.2 滤波器综合设计理论

2.2.1几种低通原型滤波器的比较

2.2.2频率变换

2.2.3耦合谐振电路基本理论

2.3 高温超导滤波器综合设计实例

2.3.1高温超导滤波器耦合矩阵及外部品质因素实现

2.3.2高温超导滤波器物理结构实现

2.3.3高温超导滤波器综合结果及分析

2.4 高温超导滤波器CAD设计

2.5 高温超导滤波器实验测试

2.6 本章工作小结

第三章高温超导多工器

3.1 高温超导多工器概述

3.1.1高温超导多工器的优势

3.1.2常规多工器的设计技术

3.2 直接设计法设计高温超导多工器

3.2.1高温超导双工器的直接设计法

3.2.2高温超导双工器物理结构的实现

3.2.3更多级数的高温超导双工器的设计方法

3.2.4高温超导四工器的直接设计法

3.2.5高温超导四工器的物理结构实现

3.3 高温超导多工器实验

3.3.1高温超导双工器的测试

3.3.2高温超导四工器的测试

3.3.3高温超导多工器的实验装置

3.4 高温超导多工器的功率容载特性

3.5 本章工作小结

第四章高温超导多工器在宽带数字接收机多通道前端的应用

4.1 电子战接收机概述

4.1.1电子战简介

4.1.2 EW侦察接收机的主要基本概念

4.1.3 EW侦察接收机的主要类型

4.2 高温超导高灵敏宽带数字接收机双通道前端的研制

4.2.1项目概述

4.2.2高温超导双工器和低噪声放大器组件设计和研制

4.2.3变频组件设计和研制

4.2.4高温超导高灵敏宽带数字接收机双通道前端试验测试

4.3 本章工作小结

第五章结论与展望

5.1 本论文研究总结

5.2 前景展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果