专利名称：微带线谐振器及其微波滤波器的制作方法
技术领域：
本发明属于微波窄带滤波器的技术领域，特别涉及微波滤波器结构设计。
背景技术：
滤波器是一种十分重要的微波元件，它的主要功能是用来分隔频率，即通过一定的频率的信号而阻断另一些频率的信号。理想的滤波器特性应当是通带无衰减而在截止区域内衰减无穷大，通带与截止区域的跳变要尽可能的陡峭。要达到带边陡峭的特性，一般可以通过增加滤波器的节数来加以改善。节数的增加将显著的引人损耗，使通带衰减变大，滤波器性能恶化。这使得普通微带线滤波器的损耗一般较大，对要求较高的领域，例如卫星应用，就达不到所要求的指标，一般这时就只能用波导器件来实现。
近几年来，随着高温超导材料的制备工艺，包括单晶样品和薄膜等的发展，使得超导滤波器的实用化成为可能。超导滤波器损耗小，抗邻频干扰能力强，谐振器Q值高(在几千MHz范围内，其Q值可达40000-100000)。利用超导微带线的这一特点，可以用超导微带线滤波器来代替波导滤波器。从已有的实验结果来看，超导微带线滤波器可以有陡峭的带边，极低的插入损耗平坦通带特性，在性能上更接近于理想滤波器。因此高温超导微带线滤波器不仅具有可与波导器件比的性能，而又同时兼具微带线体积小，重量轻的优点。
滤波器的结构对滤波器的特性起了决定性作用。目前，设计的目标是在使滤波器整体尽可能小的前提下，使滤波器的带内插入损耗更低，带边更陡。
图1显示了英国于2000年发表的一个8节Open-loop形超导滤波器，基片材料为LaAlO3，尺寸为39*23.5mm。其谐振器为8个以轴对称分布的有一缺口的环带状(图中分别以数字1-8标出)，缺口的宽度为Wg。分析其电磁场可知，电场主要分布在环的开口出，因此此处相当于一个电容；磁场主要分布于环的另一侧，所以环状的微带线接近于电感。输入输出馈线11和12的宽度WO对应着50欧姆输入输出阻抗，馈线的长度对滤波器性能没有影响，根据工艺要求取几毫米即可。馈线11和12与各自最相邻谐振器1和8接触的位置由输入输出阻抗匹配确定。8个谐振器形状尺寸相近或相同，其环带状微带线总长度约为在此LaAlO3基片上的滤波器中心频率对应波长的一半。各谐振器之间的距离决定了滤波器的性能。设计中需调整各谐振器之间的距离直至滤波器响应满足要求为止。
图2为此滤波器在55K与低噪声放大器组合条件下的频率响应图。图中，21为滤波器的传输损耗S21特性曲线，22为滤波器的反射损耗S11特性曲线。其通带反射系数约为-15.5dB，带边陡峭度低端为20dB/MHz，高端为15dB/MHz。虽然这种滤波器的谐振器Q值很高，有很好的带内和陡峭度，但因为其谐振器形状过于庞大，并且不能非常有效的利用基片空间，所以限制了它不能将节数增加得很高，而增加滤波器节数能够从根本上提高其陡峭度，所以此种结构也并不十分理想。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出了基于新型微带线结构的谐振器及用其组构的滤波器，其谐振器采用包含一缺口的单折叠或双折叠环带结构，使其具有插入损耗小，带外抑制大，过渡带陡峭，同时组构的滤波器结构简捷，整体尺寸小等优点。
本发明提出一种微带线谐振器，其特征在于，由两个环带，其端部相连通构成单折叠环带结构，其中一个环带包含一个缺口，两环带相连通的一端为封闭端，另一端为开口端。
开口端处两环带可为相同高度。
本发明提出另一种微带线谐振器，其特征在于，由三个环带，其端部依次连通构成双折叠环带结构，其中第一环带包含一个缺口，第二环带与第一环带相连，第三环带与第二环带相连，第一环带和第二环带相连通的一端为封闭端，另一端为开口端。
所说的三个环带长度可以两两相同。
本发明提出一种基于上述谐振器结构组成的滤波器，其特征在于，包括依次平行排列的多个单折叠环带谐振器和双折叠环带谐振器组成谐振器阵，所说的第一个和最后一个谐振器采用双折叠环带谐振器，输入输出馈线分别与第一个和最后一个双折叠环带谐振器的第三环带的一端相连接。
相邻谐振器的开口端朝向可相同，各谐振器的第一环带所包含的缺口的位置可以相同。
本发明的效果本发明在同等节数条件下，在带内插入损耗，带外衰减，带边陡峭度等性能上达到国外同类超导滤波器的性能指标，而且尺寸小于Open-loop形超导滤波器。本发明可用超导材料制作，也可以用其它材料制作。本发明组成滤波器的谐振器个数可以根据需要确定，各个谐振器平行但上下不一定对齐。因此只要采用单折叠或双折叠环带状谐振器结构设计的滤波器均属本发明的保护范围。
图1为已有的一种8节Open-loop形超导滤波器的结构布局示意图。
图2为已有的8节Open-loop形超导滤波器的响应曲线图。
图3为本发明的一种单折叠环带结构谐振器实施例的结构布局示意图。
图4为本发明的一种双折叠环带结构谐振器实施例的结构布局示意图。
图5为本发明的一种超导滤波器实施例的结构布局示意图。
图6为本超导滤波器实施例的响应曲线图。
图7为本发明的另一种超导滤波器实施例的结构布局示意图。
图8为另一超导滤波器实施例的响应曲线图。
图9为本发明的一种14节超导滤波器的响应曲线图。
具体实施例方式
本发明设计的微带线谐振器及其微波滤波器结合实施例及附图详细说明如下本发明设计的一种微带线谐振器实施例的结构布局如图3所示。由两个长环带连通构成单折叠环带。图中，31为第一环带，其外带由两段微带线311、312构成，形成一缺口313，该两段带311、312的长度可以相等或不等；其内带为314；32为第二环带，其外带321的一端与第一环带的外带312的一端相连通，内带322与第一环带的内带314的一端相连通。各环带的长度和环带内外带之间的距离以及两环带内带之间的距离可根据滤波器的具体设计要求确定。整个单折叠环带谐振器的微带线总长度约为滤波器中心频率对应波长的一半。
本发明设计的另一种微带线谐振器实施例结构布局如图4所示，由三个长环带依次连通构成双折叠环带。图中，41为第一环带，其外带由两段微带线411、412构成，形成一缺口413，其内带为414；42为第二环带，43为第三环带，其中，第一环带的外带412与第三环带的外带431通过第二环带的外带421两端相连通并呈双折叠状；第一环带的内带414与第三环带的内带432通过第二环带的内带422两端相连通并呈双折叠状。各环带的长度和环带内外带之间的距离以及每两环带之间的缝隙宽度可根据滤波器的具体设计要求确定。整个双折叠环带谐振器的微带线总长度约为滤波器中心频率对应波长的一半。
本发明设计的一种高温超导滤波器实施例结构布局如图5所示。滤波器的中心频率为830MHz，相对带宽为1.2％。图中白色部分为MgO基片，尺寸为17*28mm，画斜线部分为超导微带线，居中放置在MgO基片上。输入输出馈线50和55的宽度为0.5mm，对应于50欧姆输入输出阻抗，馈线50、55长度为4.32mm，距基片顶部的距离为8.5mm，各自和与其相接触的谐振器51和54耦合。51到54为4个尺寸结构完全相同的单折叠环带结构谐振器，两两第一环带在内，缺口位置相对，谐振器开口端朝上平行排列，距基片顶部距离为4.3mm。以第2个谐振器52为例来说明谐振器的尺寸，整个单折叠环带结构谐振器52各处微带线宽度皆为0.2mm，第一环带521外带的两段微带线5211、5212长度各为7.1mm和14.2mm，内带5213长度为21.05mm，其内带和外带之间距离为0.2mm，第二环带522的外带5221长21.5mm，内带5222长21.05mm，该内带和外带之间距离为0.2mm，第一环带的内带5213和第二环带的内带5222之间的距离为0.3mm，整个微带线的总长度约为滤波器中心频率在此MgO基片上对应波长的一半。各微带线谐振器之间的距离L1、L2、L3依次为0.6mm，0.82mm，0.6mm。本发明还可以很容易用此结构设计出节数更高的滤波器。本发明还可以使用LaAlO3、Sapphire等其它材料的基片。
图6为本滤波器实施例的频率响应曲线，图中实线61为传输损耗S21曲线，虚线62为反射损耗S11曲线，通带反射系数达到了-18dB，带边陡峭度两边都达到了约2dB/MHz。在增加滤波器更多节数谐振器的情况下，带边会更加陡峭，带外抑制更好。
本发明设计的另一种高温超导滤波器实施例结构布局如图7所示。滤波器的中心频率为830MHz，相对带宽为1.2％。图中白色部分为MgO基片，尺寸为20*30mm，画斜线部分为超导微带线，居中放置在MgO基片上。输入输出馈线70和77的宽度为0.5mm，对应于50欧姆输入输出阻抗，馈线长度为2.7mm，各自和与其相接触的谐振器71和76耦合。71到76为6个微带线谐振器，两两第一环带在内，缺口位置相对，谐振器开口端朝上平行排列，距基片顶部距离为2.4mm。其中72到75四个谐振器为单折叠环带结构谐振器，其尺寸结构完全相同，以第4个谐振器74为例来说明单折叠环带结构谐振器的尺寸，整个单折叠环带结构谐振器74各处微带线宽度皆为0.2mm，第一环带741外带的两段微带线7411、7412长度各为7.1mm和14.2mm，内带7413长度为21.1mm，该内带和外带之间距离为0.2mm，第二环带742的外带7421长21.5mm，内带7422长21.1mm，该内带和外带之间距离为0.2mm，第一环带的内带7413和第二环带的内带7422之间的距离为0.3mm，整个微带线的总长度约为滤波器中心频率在此MgO基片上对应波长的一半。谐振器71和76为双折叠环带结构谐振器，其尺寸结构完全相同，以71为例来说明其尺寸。整个双折叠环带结构谐振器71各处微带线宽度皆为0.2mm，第一环带711外带的两段微带线7111、7112长度各为7.1mm和14.2mm，内带7113长度为21.1mm，该内带和外带之间距离为0.2mm，第三环带713的外带7131长12.7mm，内带7132长12.3mm，该内带和外带之间距离为0.2mm，第一环带的内带7113和第二环带的外带7121之间的距离为0.3mm，第三环带的内带7132和第二环带的内带7122之间的距离也为0.3mm，第二环带712的内带7122和外带7121之间的距离为0.2mm。整个微带线的总长度约为滤波器中心频率在此MgO基片上对应波长的一半。各微带线谐振器之间的距离L1、L2、L3、L4、L5依次为0.525mm，0.675mm，1.0mm，0.675mm，0.525mm。本发明用此结构可以很容易设计出节数更高的滤波器。本发明还可以使用LaAlO3、Sapphire等其它材料的基片。
图8为本滤波器实施例的频率响应曲线，图中实线81为传输损耗S21曲线，虚线82为反射损耗S11曲线，通带反射系数达到了-20dB，带边陡峭度两边都达到了约4dB/MHz。在增加滤波器更多节数谐振器的情况下，带边会更加陡峭，带外抑制更好。
本发明根据图7实施例结构设计的中心频率为830MHz，相对带宽为1.2％的滤波器可以做到14节，并且其尺寸只有40*30mm。该滤波器的频率响应曲线如图9所示，图中实线91为传输损耗S21曲线，虚线92为反射损耗S11曲线，通带反射系数达到了-18dB，两边陡峭度都达到了35dB/MHz，带外衰减大于70dB。
权利要求
1.一种微带线谐振器，其特征在于，由两个环带，其端部相连通构成单折叠环带结构，其中一个环带包含一个缺口，两环带相连通的一端为封闭端，另一端为开口端。
2.如权利要求1所述的微带线谐振器，其特征在于，所说的开口端处两环带为相同高度。
3.一种微带线谐振器，其特征在于，由三个环带，其端部依次连通构成双折叠环带结构，其中第一环带包含一个缺口，第二环带与第一环带相连，第三环带与第二环带相连，第一环带和第二环带相连通的一端为封闭端，另一端为开口端。
4.如权利要求1所述的微带线谐振器，其特征在于，所说的三个环带长度两两相同。
5.一种基于微带线谐振器结构组成的滤波器，其特征在于，包括依次平行排列的多个单折叠环带谐振器和双折叠环带谐振器组成谐振器阵，所说的第一个和最后一个谐振器采用双折叠环带谐振器，输入输出馈线分别与第一个和最后一个双折叠环带谐振器的第三环带的一端相连接。
6.如权利要求5所述的基于微带线谐振器结构组成的滤波器，其特征在于，相邻微带线谐振器的开口端朝向相同。
7.如权利要求5所述的基于微带线谐振器结构组成的滤波器，其特征在于，各谐振器的第一环带所包含的缺口的位置相同。
全文摘要
本发明属于微波窄带滤波器的技术领域，涉及微带线谐振器及其微波滤波器。本发明的谐振器由两个环带，其端部相连通构成单折叠环带结构，其中一个环带包含一个缺口，两环带相连通的一端为封闭端，另一端为开口端。本发明的谐振器还可由三个环带，其端部依次连通构成双折叠环带结构，其中第一环带包含一个缺口，第二环带与第一环带相连，第三环带与第二环带相连，第一环带和第二环带相连通的一端为封闭端，另一端为开口端。本发明还包括基于微带线谐振器结构组成的滤波器，包括依次平行排列的多个单折叠环带谐振器和双折叠环带谐振器组成谐振器阵。本发明具有插入损耗小，带外抑制大，过渡带陡峭，同时组构的滤波器结构简捷，整体尺寸小等优点。
文档编号H01P1/20GK1507107SQ0215560
公开日2004年6月23日 申请日期2002年12月13日 优先权日2002年12月13日
发明者曹必松, 郭旭波, 何文俊, 温迪克, 魏斌, 朱美红, 尹哲胜, 朴云龙, 何山 申请人:清华大学