高隔离度高温超导双工器及设计方法与流程

本发明属于微波通讯技术领域，具体涉及一种高温超导双工器。

背景技术：

高温超导滤波器具有插入损耗低，带边陡峭度高和带外抑制好等优点，可以有效提高系统的灵敏度和抗干扰能力，因此被广泛应用于移动通信、射电天文和雷达探测领域。随着多信道通信和跳频通信系统趋于小型化和集成化，超导滤波器技术显示出重要的应用价值。

双工器是一种频分器，由两个不同频率的滤波器并联或者串联组成，其作用是将两个不同频率的信号组合到同一个公共端口输出，或者把同一个输入端的宽频段信号分成两个窄频段信号输出。无线通信系统的趋势正朝着小型化、集成化方向发展，各种用途的通信系统都需要集成在一种终端设备中。双工器具有实时分频的作用，可以很好地解决这个问题，满足通信系统同时工作在两个频段的要求，在移动通信、卫星和军事监测上都有很广泛的应用。组成双工器的每个通道滤波器，需要具有较低的插入损耗和特性，组成的双工器还需要具有足够的隔离度，防止通道间的相互影响。

隔离度一直是双工器的最重要的指标之一，提高隔离度可以有效地防止两通道间的信号串扰，文献[1]C.Feng,X.B.Guo,X.P.Zhang,X.X.Lu,B.Wei,W.Chen,Y.Zhang,Q.R.Li,Z.J.Ying,B.S.Cao,Design and performance of a compact superconducting duplexer at VHF-band,Physica C:Superconductivity.470(2010)1959-1961设计了一个VHF波段的超导双工器，此方法将两通道滤波器分别封装在两个屏蔽盒中，然后在两个通道间加金属隔板进行隔离，并通过点焊的方式连接，有效地提高了通道间的隔离度，这是最广泛采用的提高隔离度方法，此方法的优点在于可以使双工器的结构更加紧凑，缺点是需要切割基片，再通过点焊方式连接，这就大大提高了工艺的复杂性，而且点焊会产生匹配阻抗不连续，制备的多工器性能容易发生恶化，尤其在较高的频率，比如在X波段，匹配阻抗不连续导致的性能恶化更加明显。所以现有的X波段双工器的设计，大都采用的是文献[2]X.Shang,Y.Wang,W.Xia,and M.J.Lancaster,Novel multiplexer topologies based on all-resonator structures,IEEE Trans.Microw.Theory Technol.61(2013)3838-3845中的方法，即采用谐振腔作为谐振器，但这会导致一个较大的尺寸结构。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种降低工艺难度，克服点焊方式所产生的匹配阻抗不连续，实现通道间的高隔离度，性能优异的高隔离度超导双工器及其设计方法。

本发明的一个技术方案是：一种高隔离度高温超导双工器，包含两个分别由两节以上谐振器所组成的滤波器通道和一个公共端口；

两个滤波器通道分别位于公共端口的左右两边，与公共端口形成T型结构，并通过微带线相互连接；两个滤波器通道、公共端口及微带线加工在基片上层，基片的下层为接地层；基片采用氧化镁MgO材料，或者铝酸镧LaAlO3材料、蓝宝石材料，介电常数设置为9.7，厚度h为0.5mm，上层和接地层均为钇钡铜氧超导薄膜。

本发明的另一个技术方案是：一种高隔离度高温超导双工器设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据双工器的指标，对单通道的滤波器分别进行设计，采用电磁仿真软件，得到仿真参数和响应曲线；

步骤二、将两个滤波器通道左右排列，将一个滤波器通道的输出端与另一个滤波器通道的输入端用公共端口连接起来；

步骤三、调节公共端口左右两个分支线的长度，以满足阻抗匹配条件，进行进一步仿真，得到最优的双工器的仿真参数和响应曲线；完成高隔离度的超导双工器的设计。

有益效果：本发明采取的T形排布方式连接两个通道，将两个通道左右排开，让两个通道间交叉耦合减小，这是一种可以有效地提高隔离度的方法，这种方法工艺简单，操作可行，尤其对于波长相对较短的高频波段，因为该方法避免了点焊连接会导致微带线不连续，使制备后传输线的阻抗特性与设计的相同，实现性能优异的双工器。

附图说明

图1为背景技术中文献[1]的双工器设计图；

图2为本发明双工器的基片结构示意图；

图3为本发明实施例2采用的双弯折线第一谐振器；

图4为本发明实施例2采用的双弯折线第二谐振器；

图5为本发明实施例2中9.9GHz滤波器通道的拓扑结构图；

图6为本发明实施例2中10.02GHz滤波器通道的拓扑结构图；

图7为本发明实施例2中9.9GHz滤波器通道的仿真响应曲线；

图8为本发明实施例2中10.02GHz滤波器通道的仿真响应曲线；

图9为本发明实施例2的采用T形排布方式的高频段超导双工器拓扑结构图；

图10为本发明实施例2所述高频段超导双工器的仿真响应曲线；

图11为本发明实施例3采用的单螺旋第三谐振器；

图12为本发明实施例3采用的单螺旋第四谐振器；

图13为本发明实施例3中2.69GHz滤波器通道拓扑结构图；

图14为本发明实施例3中2.84GHz滤波器通道拓扑结构图；

图15为本发明实施例3中2.69GHz滤波器通道的仿真响应曲线；

图16为本发明实施例3中2.84GHz滤波器通道的仿真响应曲线；

图17为本发明实施例3的采用T形排布方式的低频段超导双工器拓扑结构图；

图18为本发明实施例3的超导双工器的仿真响应曲线。

具体实施方式

实施例1，参见附图2，一种高隔离度高温超导双工器，包含两个分别由两节以上谐振器所组成的滤波器通道和一个公共端口；

两个滤波器通道分别位于公共端口的左右两边，与公共端口形成T型结构，并通过微带线相互连接；两个滤波器通道、公共端口及微带线加工在基片2上层1，基片2的下层为接地层3；基片2采用氧化镁MgO材料，或者铝酸镧LaAlO3材料、蓝宝石材料，介电常数设置为9.7，厚度h为0.5mm，上层1和接地层3均为钇钡铜氧YBCO超导薄膜。

实施例2：参见附图2-10，对实施例1所述的高隔离度高温超导双工器中的谐振器做进一步限定，所述谐振器为根据所述两个滤波器通道中心频率分别为9.9GHz和10.02GHz所确定的均为双弯折线结构的第一谐振器5和第二谐振器6；

第一谐振器5最上端的凸起50在左端，第二谐振器6最上端的凸起60在中部，第一谐振器5和第二谐振器6的主体宽度及间隙均为0.3mm；9.9GHz滤波器通道包括左右对称排列的六节第一谐振器5，10.02GHz滤波器通道包括六节左右对称排列的第二谐振器6；两个滤波器通道的总体尺寸均为24mm×8mm，输入端馈线57或67与第一节谐振器51或61、输出端馈线58或68与第六节谐振器56或66的间距均为0.18mm，第一节谐振器51或61与第二节谐振器52或62之间、第五节谐振器55或65与第六节谐振器56或66之间的间距均为1.32mm，第二节谐振器52或62与第三节谐振器53或63之间、第四节谐振器54或64与第五节谐振器55或65之间的间距均为1.08mm；9.9GHz滤波器通道第三节谐振器53与第四节谐振器54之间的间距为1.65mm，10.02GHz滤波器通道第三节谐振器63与第四节谐振器64之间的间距为1.66mm；两个滤波器通道带宽均为65MHz；

10.02GHz滤波器通道的输入端馈线67与9.9GHz滤波器通道的输出端馈线58用微带线连接，采用T形排列的方式，通过调节公共端口分支线的长度，使得每个滤波器通道的输入阻抗在自身的中心频率处为50Ω，输入阻抗在另一个通道的中心频率处大于200Ω；该高隔离度高温超导双工器总体尺寸为54.4mm×8mm，隔离度大于70dB。

实施例3：参见附图11-18，对实施例1所述的高隔离度高温超导双工器中的谐振器做进一步限定，所述谐振器为根据所述两个滤波器通道中心频率分别为2.69GHz和2.84GHz所确定的均为单螺旋结构的第三谐振器7和第四谐振器8；

第三谐振器7和第四谐振器8的主体宽度均0.2mm，间隙均为0.24mm；第三谐振器7的高度为2.96mm，第一段长度为2.4mm；第四谐振器8的高度为2.88mm，第一段长度为2.36mm；

2.69GHz滤波器通道包括八节第三谐振器7，第一节谐振器71与第二节谐振器72之间、第七节谐振器77与第八节谐振器78之间的间距均为0.66mm，第二节谐振器72与第三节谐振器73之间、第六节谐振器76与第七节谐振器77之间的间距均为0.9mm，第三节谐振器73与第四节谐振器74之间、第五节谐振器75与第六节谐振器76之间的间距均为0.96mm，第四节谐振器74与第五节谐振器75之间的间距为1.12mm；2.69GHz滤波器通道总体尺寸为40mm×9mm，带宽为43MHz；

2.84GHz滤波器通道包括八节第四谐振器8，第一节谐振器81与第二节谐振器82之间、第七节谐振器87与第八节谐振器88之间的间距均为0.7mm，第二节谐振器82与第三节谐振器83之间、第六节谐振器86与第七节谐振器87之间的间距均为0.92mm，第三节谐振器83与第四节谐振器84之间、第五节谐振器85与第六节谐振器86之间的间距均为0.98mm，第四节谐振器84与第五节谐振器85之间的间距为1.14mm；2.84GHz滤波器通道总体尺寸为36.12mm×7.88mm，带宽为44MHz；

2.84GHz滤波器通道的输入端馈线80与2.69GHz滤波器通道的输出端馈线79用微带线连接，采用T形排列的方式，通过调节公共端口分支线的长度，使得每个滤波器通道的输入阻抗在自身的中心频率处为50Ω，输入阻抗在另一个通道的中心频率处大于200Ω；该高隔离度高温超导双工器总体尺寸为78.44mm×12mm，隔离度大于120dB。

实施例4：一种高隔离度高温超导双工器设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据双工器的指标，对单通道的滤波器分别进行设计，采用电磁仿真软件，得到仿真参数和响应曲线；

步骤二、将两个滤波器通道左右排列，将一个滤波器通道的输出端与另一个滤波器通道的输入端用公共端口连接起来；

步骤三、调节公共端口左右两个分支线的长度，以满足阻抗匹配条件，进行进一步仿真，得到最优的双工器的仿真参数和响应曲线；完成高隔离度的超导双工器的设计；

步骤一中，所述电磁仿真软件为Sonnet软件。