专利名称：基于星型耦合结构的高温超导三工器的制作方法
技术领域：
本发明属于电子技术领域，特别涉及于通信用的具有星型结耦合结构的高温超导三工器，该三工器制作于单片超导薄膜上。
背景技术：
在多用户的通信环境中，为了实现灵活的通信传输流量，通信系统通常会将一组工作在不同频段的微波滤波器通过一个多端口的网络组合起来，用于把宽带的信号分解成许多窄带的信号进行处理或者将不同窄带的信号合并成一个宽带的信号进行传输，而多工器可以很好地实现这种传输特性，它是卫星通信、雷达和电子战等系统中重要的部件之一， 而高温超导多工器因其具有低插入损耗、重量轻和体积小等优点受到了这些微波系统的青睐。从目前的研究情况看，超导多工器的实现方式主要采用众多环形器或正交混合网络将一系列超导滤波器连接起来，如图1所示。但是这种方式需要引入额外的环形器或正交混合网络来连接滤波器，致使后面各信道的损耗逐渐增大，降低了超导滤波器低插入损耗的优势。因此，如果在单片基片上制作三工器以取代图1中的各信道滤波器，那么在一定的信道数下将需要较少的环形器，如图2所示。这样设计带来两个方面的好处(1)降低了后面各路信道的插入损耗；( 在整体上进一步减小多工器的体积和重量，从而能够进一步体现高温超导多工器的优势。到目前为止，国内外只有很少几篇文献报道了在单片超导薄膜基片上制作超导多工器方面的研究成果。这些多工器从结构上来看可以分为两种一种是采用正交混合网络连接各个信道滤波器，如图3所示。在这种结构中，除了最后一个信道外，其他各个信道需要两个相同的正交混合网络和两个相同的滤波器。显然采用这种结构设计超导多工器时，正交混合网络将占用较多的基片面积，从而严重限制了滤波器能够采用的阶数。另一种结构为采用重复馈线耦合的方式，使用半波长的微带传输线和T型结构将相邻的滤波器连接起来，详细内容请参考以下文献Qiang Zhang, Yongbo Bian, et al，‘A compact HTS duplexer for communication application', IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.20, No. IFeb. 2010.采用这种结构设计超导多工器时，各路滤波器将直接连接在一起，它们之间会有较强的干扰，因此需要精确的全波电磁仿真优化以消除它们之间的影响，仿真设计时需要反复的调谐，费时费力。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的各路滤波器间存在较强干扰且不易消除， 以及仿真设计周期较长的问题，提供一种基于星型耦合结构的高温超导三工器。该三共器基于星型结的输入端结构，将三个信道的滤波器合并起来，如图4所示。 它既消除各信道滤波器合并在一起带来的冗余电纳的影响，使得三工器与前级器件阻抗完全匹配，又减弱了信道之间的较强干扰，便于仿真设计。该三工器采用微带结构，制作在超导薄膜上。本发明提供的基于星型耦合结构的高温超导三工器，由三个信道的滤波器通过星型结耦合起来，集成在同一片高温超导薄膜衬底材料上，并呈‘丄’形分布，如图5所示。所述的星型结由一个方形开路环型微带线谐振器实现，如图6中(b)所示，所述的每个滤波器均由CQ形式谐振器组合“L”形谐振器单元构成，如图6中(a)所示。这种结构使得三个信道间的间距增大，因此可以很好地消除它们之间的干扰。所述的方形开路环型微带线谐振器有效长度为1/2波长，方便各个信道的第一个谐振器与公共端耦合，也便于和三工器输入端的耦合，同时还可以减弱各个信道之间的干扰。所述的方形开路环型微带线谐振器的拐角处可以根据需要设计为直角状、梯形状、阶梯状、半圆状或半椭圆状。所述的各滤波器中的“L”形谐振器单元为微带线段经过反复折叠形成的“L”形微带谐振器。所述的衬底材料为LaAW3、MgO或者A1203。所述三工器的各个信道的中心频率和带宽可以相同或不同，其包含的谐振器单元的个数可以相同或不同。本发明的优点和积极效果本发明开发了一种具有星型结输入耦合结构的高温超导三工器，它由三个信道的滤波器组成，在公共端通过方形开路环型微带线谐振器合并起来。此种结构将信道间距增大，减弱彼此间的干扰；此外，还能很好地实现三工器与前级器件阻抗完全匹配；同时单个滤波器兼有结构简单，易于仿真的优点。因此这种多工器结构非常适合制作通带内隔离度高、通带外陡峭度高的线性相位超导三工器。
图1为高温超导多工器的常规实现方法。其中，10为不同频率的输入信号，12、13、14为不同频率的输出信号，11为不同中心频率的滤波器。图2为高温超导多工器的改进方法。其中，20为不同频率的输入信号，21为双工器，22为三工器，23为滤波器，24为不
同频率的输出信号。图3为正交混合网络耦合超导多工器。其中，30为信号输入端，31为第一信道输出端，32为第二信道输出端。图4为本发明所提出的星型结耦合结构示意图。其中，40为星型结，41为信号输入端，42为三个不同信道的输出端。图5为本发明提供的基于星型结的输入端结构的超导三工器。其中，50为超导三工器的输入端，51为第一信道滤波器的输出端，52为第二信道滤波器的输出端，53为第三信道滤波器的输出端。图6为本发明涉及的谐振器结构示意图，其中(a)为‘L’形谐振器，(b)至(c)为方形开路环型微带线谐振器结构。
其中，60为方形开路环型微带线谐振器的开口大小，61为谐振器的线宽，62为谐振器的拐角。图7为本发明提供的基于星型结的输入端结构的超导三工器涉及到的谐振器之间的几种耦合方式，其中(a)-(c)为实现交叉耦合谐振器组的几种组成方式。图8为本发明提供的基于星型结的输入端结构的超导三工器的频率响应图，其中，80为该三工器第一信道的传输特性曲线，81为其反射特性曲线；82为该三工器第二信道的传输特性曲线，83为其反射特性曲线；84为该三工器第三信道的传输特性曲线，85为其反射特性曲线。图9为本发明所涉及的高温超导三工器第一信道结构以及响应图，(a)为本发明所涉及的高温超导三工器第一信道的结构图，结构图包括输入端(如图中90所示)、该信道滤波器和另外两个信道的前两阶谐振器；(b)为本发明所涉及的高温超导三工器第一信道的频率响应图；(c)本发明所涉及的高温超导三工器第一信道的群时延响应图。其中，90为三工器第一信道的输入端，91为第一信道滤波器的输出端口，92为传输特性曲线，93为反射特性曲线。图10为本发明所涉及的高温超导三工器第二信道结构以及响应图，(a)为本发明所涉及的高温超导三工器第二信道的结构图，结构图包括输入端(如图中100所示)、该信道滤波器和另外两个信道的前两阶谐振器；(b)为本发明所涉及的高温超导三工器第二信道的频率响应图；(C)本发明所涉及的高温超导三工器第二信道的群时延响应图。其中，100为三工器第二信道的输入端，101为第二信道滤波器的输出端口，102为传输特性曲线，103为反射特性曲线。图11为本发明所涉及的高温超导三工器第三信道结构以及响应图，(a)为本发明所涉及的高温超导三工器第三信道的结构图，结构图包括输入端(如图中110所示)、该信道滤波器和另外两个信道的前两阶谐振器；(b)为本发明所涉及的高温超导三工器第三信道的频率响应图；(C)本发明所涉及的高温超导三工器第三信道的群时延响应图。其中，110为三工器第三信道的输入端，112为传输特性曲线，113为反射特性曲线，111为第三信道滤波器的输出端口。
具体实施例方式实施例1、星型结耦合结构如图6(b)所示，本发明提供的适用于制作超导三工器公共端的星型结是由一个方形开路环型微带线谐振器实现。该结构方便各个信道的第一个谐振器与公共端耦合，也便于和三工器输入端的耦合，同时还可以减弱各个信道之间的干扰。所提到的方形开路环型结构谐振器消除各信道滤波器合并在一起带来的冗余电纳的影响，使得三工器与前级器件阻抗完全匹配。所提到的方形开路环型结构谐振器的拐角处可以根据需要设计为如图6(b)所示直角状，也可设计为如图6(c)所示阶梯状，或者其他如梯形、半圆形或半椭圆形。所提到的微带谐振器的有效长度为1/2波长，谐振器开口大小、谐振器的线条宽度可以根据设计需要进行调整。实施例2、实现交叉耦合的谐振器单元
如图7(a)_(c)所示，本发明提供的实现超导三工器交叉耦合的谐振器单元。利用图7所示交叉耦合的谐振器单元实现传输零点或极点，以提高滤波器带外陡峭度或均衡群时延响应，如图9-11。其中，图(a)、(c)均实现一个交叉耦合，图(b)实现二个交叉耦合。 这些单元中各个谐振器的形式相同，均采用微带线段经过反复折叠形成的‘L’形的微带谐振器(如图6中(a)所示)。上述所说的谐振器单元中的各个谐振器可以采用不同的结构形式。图9 (b)为应用上述图7 (b)所示的谐振器单元实现交叉耦合的第一信道滤波器的幅度响应曲线。观察图形可见，传输曲线出现1对零点，提高了滤波器的带外陡峭度。图 9(c)为应用上述图7(b)所示的谐振器单元实现交叉耦合的第一信道滤波器群时延响应曲线。观察图形可见，群时延得到均衡。其中，第一信道滤波器的结构示意图如图9(a)所示。图10 (b)为应用上述图7 (a)所示的谐振器单元实现交叉耦合的第二信道滤波器的幅度响应曲线。观察图形可见，该信道滤波器带外陡峭度不如图9(b)。图10(c)为应用上述图7(a)所示的谐振器单元实现交叉耦合的第二信道滤波器群时延响应曲线，观察图形可见，群时延得到均衡。其中，第二信道滤波器的结构示意图如图10(a)所示图11(b)为应用上述图7(c)所示的谐振器单元实现交叉耦合的第三信道滤波器的幅度响应曲线。观察图形可见，传输曲线出现1对零点，提高了滤波器的带外陡峭度；图 11(c)为应用上述图7(c)所示的谐振器单元实现交叉耦合的第三信道滤波器群时延响应曲线。其中，第三信道滤波器的结构示意图如图11(a)所示。观察上述各图可知三工器各信道滤波器具有很好的性能。上述全波电磁场仿真软件为Sonnet。实施例3 基于星型结的输入端结构的超导三工器如图5所示由本发明提供的基于星型结的输入端结构的超导三工器。该三工器由三个信道的滤波器组成。所述的星型结是由一个方形开路环型微带线谐振器实现，如实施例1。三个滤波器集成在同一片高温超导薄膜上，并呈‘丄’形分布。其中，第一信道滤波器和第二信道滤波器均为八阶，第三信道滤波器为十阶。各个信道均采用相同形式的谐振器。所说的三工器的谐振单元如实施例2中所示。所述三工器的各个信道的中心频率和带宽可以相同或不同，其包含的谐振器单元的个数可以相同或不同。所说的三工器的各个信道实现交叉耦合的谐振器单元的结构可以根据实际设计需要而确定。所说的三工器的衬底材料为LaAW3、MgO或者A1203。图8为上述所说的三工器幅度响应曲线。其中，80为该三工器第一信道的传输特性曲线，81为其反射特性曲线；82为该三工器第二信道的传输特性曲线，83为其反射特性曲线；84为该三工器第三信道的传输特性曲线，85为其反射特性曲线。上述全波电磁场仿真软件为Sonnet。由图观察到所提出的三工器具有很好的性能指标。
权利要求
1.一种基于星型耦合结构的高温超导三工器，其特征在于该三工器由三个信道的滤波器通过星型结耦合起来，集成在同一片高温超导薄膜衬底材料上，并呈‘丄’形分布，所述的星型结由一个方形开路环型微带线谐振器实现，所述的每个滤波器均由CQ形式谐振器组合“L”形谐振器单元构成。
2.根据权利要求1所述的基于星型耦合结构的高温超导三工器，其特征在于所述的方形开路环型微带线谐振器有效长度为1/2波长，方便各个信道的第一个谐振器与公共端耦合，同时减弱各个信道之间的干扰。
3.根据权利要求2所述的基于星型耦合结构的高温超导三工器，其特征在于所述的方形开路环型微带线谐振器的拐角处为直角状、梯形状、阶梯状、半圆状或半椭圆状。
4.根据权利要求1所述的基于星型耦合结构的高温超导三工器，其特征在于所述的各滤波器中的“L”形谐振器单元为微带线段经过反复折叠形成的“L”形微带谐振器。
5.根据权利要求1所述的基于星型耦合结构的高温超导三工器，其特征在于所述的衬底材料为LaAW3、MgO或者A1203。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于星型耦合结构的高温超导三工器，其特征在于所述三工器的各个信道的中心频率和带宽可以相同或不同，其包含的谐振器单元的个数可以相同或不同。
全文摘要
针对超导多工器小型化要求，采用一种星型耦合结构将各信道滤波器合并起来，消除各信道滤波器合并带来的冗余电纳的影响，解决多工器与前级器件阻抗难以匹配的问题。本发明三工器由三个信道的滤波器并联组成，在输入端采用方形开路环型微带线谐振器实现星型结；三个滤波器集成在同一片高温超导薄膜上，并呈‘⊥’形分布；单个滤波器由‘L’形谐振器组成。超导三工器的衬底材料为LaAlO3、MgO或者Al2O3。本发明三工器的各信道输入端采用星型结耦合起来，实现三工器与前级器件阻抗完全匹配；此外单个滤波器结构简单，兼有易于仿真的优点。因此这种多工器结构非常适合制作通带内隔离度高、通带外陡峭度高的线性相位超导三工器。
文档编号H01P7/08GK102496761SQ20111044369
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者乔忍, 何明, 夏侯海, 季鲁, 张旭, 方兰, 赵新杰, 阎少林 申请人:南开大学