王哲;张胜杰;韩飞
【摘 要】介绍了一款VHF频段高温超导带阻滤波器的仿真设计过程。该滤波器采用传统的切比雪夫综合方法，其结构为四个带有加载电容的谐振器与主线耦合，再利用强大的平面电磁仿真软件sonnet对其进行仿真设计，并通过调节谐振器的长度以及加载电容的大小使其谐振在阻带中心频率98 MHz，最后通过调节每个谐振器与主线的耦合间距调节其陷波深度和带外特性。仿真采用的基板为LaAlO3，介电常数为23.75，基板厚度为0.5 mm。仿真得到的滤波器指标为：阻带为101 MHz～108 MHz，中心频率S21小于－40 dB，使其与主线的耦合间距最小控制在0.1 mm。该设计可以作为超导接收前端低噪声放大器前面的带阻滤波器起到陷波作用。 【期刊名称】《物联网技术》
【年(卷),期】2016(000)001
【总页数】3页(P37-38,41)
【关键词】超导滤波器;带阻滤波器;VHF频段;仿真
【作 者】如何办理劳动手册王哲;张胜杰;韩飞
【作者单位】杭州电子科技大学 天线与微波技术研究所，浙江 杭州 310018;杭州电子科技大学 天线与微波技术研究所，浙江 杭州 310018;杭州电子科技大学 天线与微波技术研究所，浙江 杭州 310018
【正文语种】中 文
【中图分类】吴有松事件TN713
高温超导滤波器是微波接收系统的关键部件，其用于无线系统接收前端可以提高接收机的性能[1]。随着微波技术应用的逐渐深入，电磁环境愈来愈复杂，可能在有用的信道内出现一些干扰信号，此时就需要有性能优越的带阻滤波器来滤除干扰。为了除去系统中很强的干扰，要求滤波器的阻带有较高的抑制度；为了提高通信容量和避免相邻信道间的干扰，要求滤波器必须有陡峭的带外抑制；为了提高信噪比，要求通带内有低的插入损耗；而为了减小信号的失真，又要求通带内有平坦的幅频特性和延时特性；为了使系统能在宽频
带下工作，要求带阻滤波器的寄生阻带较远。超导带阻滤波器由于其优越的性能，在超导接收前端得到越来越多的青睐。
超导带阻滤波器的设计主要包括：滤波器指标的确认，基板材料的选择，低通原型到带阻的变换，谐振单元的设计，谐振单元和主线耦合间距的提取，最终版图设计和调试。
1.1 设计指标与基板材料选择
本文设计的滤波器的期望指标如下：工作频段为50 MHz～380 MHz，阻带频率为101 MHz～108 MHz，阻带内S21小于－20 dB，在111 MHz～380 MHz范围内的S11小于－15 dB。
超导滤波器设计中常用的基板材料为LaAlO3或MgO[2]，其相对介电常数的典型值分别为εr=23.75和9.7。具体采用哪个介电常数来设计，要根据设计滤波器的具体指标来评估。当我们采用高的介电常数时可以大大缩小滤波器的整体尺寸，特别是在VHF频段，其波导波长会因为相对介电常数的增大而变小。从小型化方面考虑，本文采用介电常数为23.75的LaAlO3基板，其板厚为0.5 mm。
1.2 低通原型到带阻的综合
带阻滤波器通常采用如下方法：即谐振器沿着主传输线以四分之一波长或其奇数倍为间隔排列。通常在一根主传输线的一旁放置二分之一波长或四分之一波长的耦合线，微带线间距为四分之一波长，这样就构成了最简单的窄带带阻滤波器。图1给出了两种典型的耦合方式不同的窄带带阻滤波器，其分别为TEM模和准TEM模窄带带阻滤波器结构，如图1（a）所示。主传输线与半波长谐振器通过电场耦合，而图1（b）所示电路为主传输线与发卡型半波长谐振器之间通过磁场耦合。以上两种滤波器结构中，各谐振器之间的间隔都为四分之一波导波长。如果需要的话，半波长开路谐振器可以使用一端短路的四分之一波长谐振器来替代。谐振器通过电容或电感与主传输线实现能量耦合，如果采用微带线结构设计带阻滤波器，其耦合电容或电感可以通过短路枝节与主线之间的缝隙耦合电容来实现，对于较强的耦合，可通过短路枝节与主线之间的平行耦合来实现。
一般窄带带阻滤波器的设计是基于谐振器的电抗曲线参数。将滤波器低通原型应用于带阻滤波器设计中，低通原型向带阻特性的变换可以通过以下频率变换公式来实现：
在上面的公式中，Ω表示低通原型归一化的频率变量，ΩC表示低通原型归一化的截止频率，ω0和FBW表示的是该带阻滤波器的中心频率和分数带宽。由相关公示推导得到式（4），进而推导得到式（5）。
对于上述类型的带阻滤波器有以下公式，如式（6）、（7）所示：
式（7）中，gi是对应的低通原型的值，xi是串并联谐振器电抗的斜率，其中i从1到n。本文选用切比雪夫低通原型，采用通带波纹为0.1 dB，阶数为4，对应的ΩC=1，g0=1，g1=1.108 8，g2=1.306 2，g3=1.770 4，g4=0.818 1，g5=1.355 4，f1=101 MHz，f2=108 MHz，FBW=0.067，由公式（7）计算以下参数：
因此，如果将设计出的实际结构的滤波器参数和综合出的参数相等，将得到满足要求的滤波器结构。
1.3 谐振单元的设计
在sonnet软件中建立对应的基本谐振单元如图3所示。为了缩小滤波器的整体尺寸，将其设计成对称的蛇形，线宽选用特性阻抗为50 ohm的微带线，宽度w=0.16 mm，图3中的L1=2.32 mm，L2=21.5 mm，可得到谐振器的谐振频率为104.5 MHz。同时为了将寄生阻带推向400 MHz之外，在谐振器开路端加了电容，其值为C=24 pF，这样既缩小了滤波器整体尺寸，又避免了在400 MHz通带内带来寄生阻带[3]。
sap2000
小叶黑柴胡1.4 谐振器与主传输线耦合间距的确定
在sonnet软件中建立主线与谐振器的耦合，通过观察仿真的频率响应可以确定谐振器与主传输线耦合间距。具体方法是，先将主线与谐振器按照等间距耦合，间距为s，由仿真结果及公式（5）和图2（b）计算，并与综合出的相对比，响应的调节间距s，使仿真和综合出的最接近。
xi/Z0用上述方法在仿真过程中适当调节间距s、谐振器上的加载电容，可以使得结果更好。滤波器整体版图如图4所示。图4中，C1=24 pF，C2=20 pF，C3=21 pF，C4=22 pF。L3=11 mm，L4=8 mm，对应的耦合间距分别为s1=0.1 mm，s2=0.11 mm，s3=0.11 mm，s4=0.2 mm。
1.5 仿真优化与调试
在sonnet中，通过前面谐振器的设计，以及主线与谐振器耦合参数的提取，同时在仿真过程中，由于谐振器采用的微带线宽度为0.16 mm，而考虑到电容焊盘，故把焊盘位置的线宽设置到0.5 mm。超导滤波器往往加工出来后很难调节，这对仿真设计的要求很高，往往夜 明
在仿真中加入普通微带滤波器的调试思想。在sonnet中进行精确仿真的过程中，发现通过调节主线中L3部分的线宽可以改善110 MHz～400 MHz的驻波比。通过适当调节与优化，得到的仿真结果如图5所示。从仿真结果中可以看出，超导滤波器的一些优势比如极低的插入损耗、带边及其陡峭等优点[4]。同时，也可看出本文采用的加载电容有效的避开了400 MHz以内的寄生阻带。
2 结 语
本文通过使用电磁仿真软件sonnet，成功仿真设计出一款超导带阻滤波器，工作频段50 MHz～380 MHz，阻带频率101 MHz～108 MHz，阻带内S21小于－20dB，在111 MHz～380 MHz范围S11小于－15 dB。由于超导滤波器加工成品后调试不方便，故在设计时加入了一些调试思想，最终使其满足设计指标。仿真过程中的方法和加入的一些调试思想对于超导滤波器的仿真设计具有重要的借鉴意义。
图5 sonnet精确仿真结果
参考文献
作者简介：王哲（1990—），男，河南许昌人，在读研究生。研究方向为超导滤波器设计。
收稿日期：2015-11-03
DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2016.01.010
中图分类号：TN713
文献标识码：A
磨损率
文章编号：2095-1302（2016）01-0037-02
1.5 仿真优化与调试
在sonnet中，通过前面谐振器的设计，以及主线与谐振器耦合参数的提取，同时在仿真过程中，由于谐振器采用的微带线宽度为0.16 mm，而考虑到电容焊盘，故把焊盘位置的线宽设置到0.5 mm。超导滤波器往往加工出来后很难调节，这对仿真设计的要求很高，往往在仿真中加入普通微带滤波器的调试思想。在sonnet中进行精确仿真的过程中，发现通过
调节主线中L3部分的线宽可以改善110 MHz～400 MHz的驻波比。通过适当调节与优化，得到的仿真结果如图5所示。从仿真结果中可以看出，超导滤波器的一些优势比如极低的插入损耗、带边及其陡峭等优点[4]。同时，也可看出本文采用的加载电容有效的避开了400 MHz以内的寄生阻带。
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