MgB2超导薄膜半开环结构微带滤波器设计❋

陆安江，雷涛，郑迎宾

MgB2超导薄膜半开环结构微带滤波器设计❋

陆安江，雷涛，郑迎宾

（贵州大学计算机科学与信息学院，贵阳550025）

采用MgB2超导薄膜材料设计了一个L频段的滤波器。该滤波器采用半开环结构微带谐振腔，产生准椭圆函数响应。滤波器带宽为61 MHz，中心频率为1.75 GHz，带内波纹小于0.1 dB，回波损耗大于18 dB。针对微带滤波器设计过程中出现的中心频率偏移、回波损耗过大等问题提出了解决方法。

超导微带滤波器；半开环结构；MgB2超导薄膜

1 引言

2001年，日本青山学院大学的秋光纯（J.Akimitsu）教授宣布发现MgB2材料的超导电性，其超导临界转变温度达39 K［1］。2002年3月，贵州大学的X. H.Fu实验小组采用化学气相沉积法［2］（Chemical Vapor Deposition，CVD）成功制备MgB2超导薄膜，该方法首先利用B2H6在高温（495℃）下受热分解，在Al2O3基片上沉积先驱的无定形B膜，再经过后异步退火过程生成MgB2超导薄膜，转变温度Tc＝39 K，温度为10 K时电流密度可达107 A／cm2以上。用超导材料替代普通材料制成的滤波器，可以大幅度提高无线通信接收机的选择性和灵敏度，增强抗干扰能力，提高通信距离和通信质量，减小发射机功率，应用于雷达系统，可以加长预警时间，提高制导精确度，增加末端制导距离等。1988年，美国开始进行高温超导滤波器的研制；1995年，美国的Zhang等研制成19阶切比雪夫高温超导滤波器；2001年，日本的Ueno等研制成32阶切比雪夫超导滤波器；1998年，英国的洪嘉生和Lancaster首先把准椭圆函数用于超导滤波器的设计，用较少的谐振单元获得十分陡峭的边带；2003年，日本Tsuzuki等利用准椭圆函数理论制成了具有5对零点的超导滤波器［3］。和YBCO等高温超导材料相比较，MgB2不但具有较大的相干长度、较大的临界电流密度和临界磁场强度、无弱连接效应、表面电阻小等优异性能，而且其结构和组成简单，原料丰富，价格低廉、易于加工合成［4］。本文采用MgB2超导薄膜，设计了一个中心频率为1.75 GHz的四阶半开环微带滤波器。

2 准椭圆函数滤波器设计

准椭圆函数滤波器在通带内的特性与Chebyshev滤波器相同，在带外，由于引进了衰减节，一对衰减节将会产生一对传输极点，可以有多对衰减节。准椭圆函数响应［5］为

式中，Ω是相对于低通原型滤波器的截止频率ωc的归一化频率；ε是与回波损耗LR相关的波纹常数；LR＝20 lg S11，单位为dB，N是滤波器的阶数；Ωa为S21（Ω）2的极点，Ω＝±Ωa构成滤波器的一对传输零点。滤波器之间的频率变换：

式中，ω是带通滤波器的频率变量，FBW为相对带宽，ω0为带通中心频率。

带通滤波器两个衰减极点ωa1、ωa2为

引进一对衰减节后的偶数节的准椭圆滤波器低通原型电路如图1所示。

准椭圆函数带通滤波器设计参数和低通原型参数之间的关系为

式中，Cm是电容的归一化值，Jm为特征变换器，其值可以在文献［5］中查表获得，N为滤波器的节数。

我们这里选择的是半开环谐振器，如图2所示。

准圆函数滤波器响应的一对传输零点可以通过过耦合标准的切比雪夫滤波器的一对不相邻的谐振器来实现。每一个方形构成一个微带谐振器，谐振器之间通过耦合的不同形式和不同间隙来达到正、负耦合及相应耦合的大小。这种谐振器可以提供电耦合、磁耦合和混合耦合等3种耦合形式。正是由于谐振器能够提供多种性质的耦合，才使它能实现多种函数的滤波器。谐振器之间的耦合系数可以通过下式来决定：

式中，fp1、fp2是两个谐振腔发生耦合时测出的高低谐振频率。

得到谐振器之间的耦合系数后，可以根据耦合形式通过耦合系数来反推各谐振器间的距离［6］，由于谐振器结构复杂，已经很难根据已有的公式直接去获得谐振器间的精确距离。现在的全波电磁场分析软件和高性能的PC平台使得这项工作变得相对容易些。

3 四极点开环滤波器的设计

设计指标为：中心频率fo＝1.75 GHz，通带带宽BW＝60 MHz；

基片参数：Al2O3（99.6%）的多晶抛光片为衬底；厚度h＝1 mm；相对介电常数为9.6；MgB2薄膜厚度为1μm［1－2］。

如图3所示，由于标准的SMA接头的内导体直径为1.3 mm，为了使滤波器的抽头与SMA连接器良好连接，需要把滤波器的抽头线宽度加宽到1.5 mm，这样就要求对文献［7］中抽头的设计进行改进。

利用以下近似计算公式［5］

取Ωa＝2.2，可以得到：C1＝0.950 63，C2＝1.359 08，J1＝－0.129 92，J2＝1.024 99（LR＝－20 dB）。利用公式（6）（8），求得：M1，2＝M3，4＝0.030 17；M2，3＝0.025 86；M1，4＝－0.004 686。

利用谐振器之间的耦合系数，得到滤波器各谐振器耦合间隔的初值［6］，用ADS仿真软件进行优化，在优化过程经常会出现以下两个问题。

（1）中心频率偏移

中心频率偏移可以通过调整谐振器的臂长l1、l2来改变谐振器长度，但是为了保证谐振器开口缝隙不至于太小而无法加工，可以通过同时增加或减少l1、l2的长度来调整中心频率。同时增加l1、l2的长度，谐振器长度增大，则中心频率下降；相反同时减少l1、l2的长度，谐振器长度减小，则中心频率升高。中心频率与谐振器长度满足线性关系。

（2）回波损耗过大

当负载阻抗与特性阻抗相等时，则可以消除回波，由于无耗传输线的阻抗是以半波长λ／2为周期变化，所以可以通过微调抽头位置来获得良好的回波损耗特性。

经过设计优化后得到滤波器最终版图如图4所示，其频率响应特性曲线如图5所示。

微带滤波电路的面积为27.70 mm×20.50 mm，抽头宽度为1.5 mm。

滤波器通带3 dB带宽为61 MHz，带内波纹小于0.1 dB，带外抑制大于33 dB，通带内回波损耗大于18 dB，在频率为1.68 GHz与1.803 GHz时有衰减零点出现。准椭圆函数滤波器比切比雪夫滤波器具有更好的过渡特性。

采用铜质屏蔽盒，为了尽可能减小屏蔽盒的损耗，在屏蔽盒腔内外镀一层金膜，以减小其损耗，采用M／A－COM公司生产的SMA密封接头，并采用金属铟对端口处进行密封［7－8］。密封后的滤波器实物图如图6所示。

对封装后的超导滤波器在液氦环境下进行低温测试，测试系统的原理图如图7所示。

采用Agilent矢量网络分析仪测试MgB2超导薄膜滤波器性能，MgB2超导薄膜滤波器工作在液氦温区（20 K），这就对测试系统所需要的低温制冷技术［9］提出了比高温超导滤波系统更高的要求。由于现有实验条件限制，未能对所设计的MgB2超导滤波器性能进行测试。

在“十二五”规划中曾提出不断促进第三产业的发展，优化产业结构，提高第三产业比重的期许，而不断促进第三产业的发展有利于促进我国经济的发展，对于实现我国的可持续发展具有重要的意义。扩大增值税征收范围对于不断促进我国产业结构优化具有重要的意义，也符合经济发展的规律。

4 结束语

基于MgB2超导薄膜采用微带半开环微波谐振器，实现了两对衰减极点，提高了滤波器的选择性，其体积小、重量轻、结构紧凑，并且过渡特性比契比雪夫特性的滤波器更为优越。本文提出的微带滤波器设计方法以及调整中心频率偏移、减小回波损耗的措施行之有效，对MgB2超导薄膜材料在通信电子方面的应用具有积极的探索意义。

［1］Fu X H，Wang D S，Zhang Z P，et al.Superconducting MgB2 thin films prepared by chemical vapor deposition from diborane［J］.Physica C：Superconductivity，2002，377（4）：407－410.

［2］Wang Dian-sheng，Fu Xing-hua，Zhang Zheng-ping，et al. A new method for preparing superconducting MgB2 films from diborane［J］.Chinese Physical Letter，2002，19（8）：1179.

［3］何艾生，黎红，张雪强，等.超导滤波器、超导卫星接收机和超导气象雷达的研究进展［J］.物理，2006，35（7）：599－605.

HE Ai-sheng，LI Hong，ZHANG Xue-qiang，et al.Recent Developments of high temperature superconducting microwave filters，satellite－to ground receivers，and meteorological radar［J］.Physics，2006，35（7）：599－605.（in Chinese）

［4］张正平，王松，薛涛，等.化学气相沉积－后退火法制备MgB2超导薄膜［J］.低温物理学报，2007，29（3）：163－166.

ZHANG Zheng-ping，W ANG Song，XUE Tao，et al.Fabrication of MgB2Superconducting Films by the Chemical Vapor Deposition and the Post Annealing［J］.Chinese Journal of Low Temperature Physics，2007，29（3）：163－166.（in Chinese）

［5］Hong J－S，Lancaster M J.Microstrip Filters for RF／Microwave Applications［M］.New York：Wiley，2001：315－325.

［6］李胜先，傅君眉，吴须大.一种基于耦合矩阵的微带线带通滤波器的设计方法［J］.西安交通大学学报，2007，41（6）：679－682.

LI Sheng-xian，FU Jun-mei，WU Xu-da.Design Method for Microstrip Bandpass Filters Based on Coupling Matrix［J］.Journal of Xi′an Jiaotong University，2007，41（6）：679－682.（in Chinese）

［7］Finch Craig，Yang X M，Wu Thomas X，et al.RF SAW filter package design for wireless communications［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2003，39（5）：399－401.

［8］Mao Rui-Jie，Tang Xiao-hong.Novel dual-mode bandpass filters using hexagonalloop resonators［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54（9）：3526－3533.

［9］Tomsic Michael，Rindfleisch Matthew，Yue Jinji.Development of magnesium diboride（MgB2）wires and magnets using in situ strand fabrication method［J］.Physica C：Superconductivity and its Applications，2007，456（1－2）：203－208.

LU An－jiang was born in Zunyi，Guizhou Province，in 1979.He received the M.S.degree in Signal and Information Processing from Guizhou University，in 2006.He is currently working toward the Ph. D.degree in Microelectronics and Solid State Electronics at Guizhou University.His research interests include signal and information processing，microwave planar filters and mcroelectronic devices.

Email：luanjiang1999＠163.com

雷涛（1985－），男，山西运城人，分别于2007年和2010年获贵州大学学士学位和硕士学位，现为贵州大学理学院博士研究生，主要研究方向为微波平面滤波器与微电子器件。

LEI Tao was born in Yuncheng，Shanxi Province，in 1985.He received the B.S.degree and the M.S.degree from Guizhou University in 2007 and 2010，respectively.He is currently working toward the Ph.D.degree in Microelectronics and Solid State Electronics at Guizhou University.His research interests include microwave planar filters and mcroelectronic devices.

Design of Semi-open-loop Structure Microstrip Filter using MgB2Superconducting Films

LU An-jiang，LEI Tao，ZHENG Ying-bin
（College of Computer Science＆Information，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

An L－band microstrip filter is designed using MgB2superconducting film.Semi-open-loop microstrip resonators are utilized to realize the quasi-elliptic function response.The bandwidth of the filter is 61 MHz at 1.75 GHz center frequency，the band ripple is less than 0.1 dB and the return loss is better than 18 dB.Methods are proposed to solve the problem that the center frequency deviates and the return loss is too high.

superconducting microstrip filter；semi-open-loop structure；MgB2superconducting film

The National Natural Science Foundation of China（No.60666001）；The Natural Science Foundation of Guizhou Province（J［2008］2120）

TN713.5

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2011.02.023

陆安江（1979－），男，贵州遵义人，2006年于贵州大学获硕士学位，现为贵州大学博士研究生，主要研究方向为信号与信息处理、微波平面滤波器与微电子器件；

1001－893X（2011）02－0112－04

2010－11－26；

2010－12－22

国家自然科学基金资助项目（60666001）；贵州省自然科学基金资助项目（黔科合J字［2008］2120）