一种多信道低频偏的极窄带超导选频滤波组的设计方法与流程

本发明涉及多信道集成化低温电子/超导电子类微波组件类技术领域，具体涉及一种多信道低频偏的极窄带超导选频滤波组的设计方法。

背景技术：

多信道超导选频滤波技术，就是将低温多路开关、超导滤波器、低温放大器等进行集成化设计，实现具有多信道间的高频率选择性和极低噪声接收功能，常用于雷达系统的接收部分。同时现阶段雷达系统的工作点一般均为窄带信号，因此，对多信道超导选频滤波技术的多信道工作点的低频率偏移特性要求较高，而实现该技术的关键为超导滤波组，其信道间工作频带的偏移特性与滤波器的各项初始设计参数、安装位置的温度梯度分布及加工工艺误差等密切相关。

现阶段，传统的设计方法是根据选用材料的典型参数进行设计，未考虑到诸多因素对特定功能要求器件带来的影响，产品设计实现难度大且一致性较差。传统的设计实现方法是直接将采用器件、材料典型参数进行设置的仿真设计的多种功能电路(低温开关、超导滤波器、低温放大器等)进行制备并集成封装，通过低温制冷试验来验证多通道的频率偏差是否满足要求，这样会存在以下两个问题：一、这种设计方法仅适用于宽带选频滤波(相对带宽较大，对频率偏移的影响因素较小)；二、对于极窄带选频滤波来说，其频率偏移受基片介电常数、基片厚度、温度梯度分布、工艺误差等因素影响较大(且基片的介电常数、厚度存在一定差异性)，需反复多次制版、试验来不断修正，导致设计周期长、成本高，且不利于批产化应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多信道低频偏的极窄带超导选频滤波组的设计方法能够有效克服由于工作带宽窄，受介电常数、刻蚀精度、基片厚度及工作温度影响大的缺点，实现多个通道间的极低频率偏差，将设计成本和研发周期降低50％以上，适用于批量生产应用。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种多信道低频偏的极窄带超导选频滤波组的设计方法，该方法包括以下步骤：

(1)对制备滤波器所用的超导基片的厚度进行标定。

(2)采用耦合谐振环法对超导基片在不同温度下的介电常数进行标定。

(3)根据标定好的超导基片的厚度和在超导基片不同温度下的介电常数，进行极窄带超导滤波器设计仿真。

(4)在极窄带超导滤波器设计仿真完成后、制备滤波器光刻膜版前，对电路版图的线条宽度进行精度补偿修正。

(5)将制备好的各功能模块电路进行整体集成封装，形成超导选频滤波组。

(6)采用激光光刻设备对修正谐振器尺寸进行频率的微调。

进一步的，所述超导基片为mgo基片。

进一步的，步骤(1)中所述的“对制备滤波器所用的超导基片的厚度进行标定”，具体包括以下步骤：采用精度为0.1μm的测厚仪对制备滤波器所用的超导基片的厚度进行多点测量，取多次测量结果的平均值作为超导基片的厚度设计参数。

进一步的，步骤(2)中所述的“采用耦合谐振环法对超导基片在不同温度下的介电常数进行标定”，具体包括以下步骤：

(21)在超导基片上构建耦合谐振环形电路；所述耦合谐振环形电路包括耦合环以及对称设置在耦合环两侧且与耦合环相耦合的输入微带线和输出微带线。

(22)所述耦合环、输入微带线和输出微带线构成串联谐振结构；采用矢量网络分析仪对该串联谐振结构的谐振点的频率进行扫频测量，并计算超导基片在不同温度下的介电常数εr。

进一步的，步骤(3)所述的“根据标定好的超导基片的厚度和在超导基片不同温度下的介电常数，进行极窄带超导滤波器设计仿真；”是在sonnet软件上进行的。

进一步的，步骤(4)所述的“对电路版图的线条宽度进行精度补偿修正；”，具体包括以下步骤：采用高清电子扫描显微系统对电路版图的光刻线条的宽度进行在线测量，并根据多次测量得到的误差值，对电路版图中的微带线进行刻蚀精度补偿修正。

进一步的，步骤(5)中所述的超导选频滤波组包括组件腔体、分别安装在组件腔体左右两端的输入射频接头和输出射频接头以及依次安装在组件腔体底部的低温多路开关电路板、极窄带超导滤波器和低温多路放大开关电路板。

进一步的，步骤(6)中所述的“采用激光光刻设备对修正谐振器尺寸进行频率的微调”具体包括以下步骤：对封装好的超导选频滤波组进行信道间频偏测试，并采用激光光刻设备对产生频偏的极窄带超导滤波器的尺寸进行修正，来进行频率的微调。

由以上技术方案可知，本通过采用提取基片有效介电常数、基片厚度标定、补偿刻蚀精度、激光器修正谐振器尺寸等方法设计多信道极窄带超导选频滤波组，能够有效解决由于工作带宽窄(相对带宽2％以内)，受介电常数、刻蚀精度、基片厚度及工作温度影响极大(例如基片厚度误差5um，刻蚀精度误差3um时，频偏达1mhz以上，可用工作带宽往往损失40％以上)的问题，实现多个通道间的极低频率偏差(高频率一致性，通道间频率偏差控制在±100khz以内，可用带宽达到100％)；同时设计成本及周期降低50％以上，解决传统设计方法在产品批生产阶段存在产品性能一致性较差、成本高及周期长的问题。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明中耦合谐振环形电路的电路图；

图3是本发明中极窄带超导滤波器的电路示意图；

图4是本发明中超导选频滤波组的结构示意图；

图5是本发明中补偿刻蚀精度电路示意图；

图6是本发明中激光器修正谐振器尺寸示意图；

其中：

1、输入射频接头，2、组件腔体，3、低温多路开关电路板，4、极窄带超导滤波器，5、低温多路放大开关电路板，6、输出射频接头，8、输入端口，9、输出端口，10、谐振器，13、输入微带线，14、输出微带线，15、耦合环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的一种多信道低频偏的极窄带超导选频滤波组的设计方法，该方法包括以下步骤：

(1)对制备滤波器所用的超导基片的厚度进行标定。具体地说，采用精度为0.1μm的测厚仪对制备滤波器所用的超导基片的厚度进行多点测量，取多次测量结果的平均值作为超导基片的厚度设计参数。

(2)采用耦合谐振环法对超导基片进行低温测试，并对超导基片在不同温度下的介电常数εr进行标定。优选的，所述超导基片为mgo基片。本步骤中所采用的超导基片为边角样片。一般低温测试的最佳工作温区为65k～75k，控温精度为±0.1k。

具体地说，上述过程包括以下步骤：

(21)在超导基片上构建如图2所示的耦合谐振环形电路；所述耦合谐振环形电路包括耦合环15以及对称设置在耦合环15两侧且与耦合环15相耦合的输入微带线13和输出微带线14。在耦合环15的两对称端通过小缝隙耦合到输入微带线13和输出微带线14。输入微带线13和输出微带线14，统称为耦合谐振环形电路中的微带线。

(22)所述耦合环15、输入微带线13和输出微带线14构成串联谐振结构；其中，输入微带线13和输出微带线14统称为该串联谐振结构的微带线。环形谐振结构能有效减小待测谐振电路的尺寸，而且对外界干扰的敏感程度有所降低。采用矢量网络分析仪对该串联谐振结构的谐振点的频率进行扫频测量，并计算超导基片在不同温度下的介电常数εr。具体过程

所述“采用矢量网络分析仪对该串联谐振结构的谐振点的频率进行扫频测量，并计算超导基片在不同温度下的介电常数εr”的具体方法为：

电路中微带线的有效介电常数εe与超导基片的介电常数εr有关，并依赖于超导基片的厚度h和电路中微带线的w。

对于较窄的微带线(w＝h<2)：

对于较宽的微带线(w＝h>2)：

εe＝1+q(εr－1)(2)

其中，q为填充系数：

公式(3)中，

其中，d表示计算参数，c’表示光在介质中的传播速度。

引入有效介电常数εe的概念后，微带线的场分布可近似为介电常数为εe的介质中静态场分布。因此，信号相速和介质波长可分别表示为：

其中，vp表示信号在微带线上传输时的相速，λ表示信号在微带线上传输时的介质波长，c表示光速，λ0表示特征波长。

对于耦合谐振环形电路，改变谐振环耦合输入端信号的频率f(即进入耦合电路中的信号频率)，则在f满足耦合环周长l等于介质波长整数倍(即l＝nλ)时，耦合谐振环形电路处于谐振状态，耦合输出最强。通过矢量网络分仪扫频对该电路进行扫频测量，可以观测到一系列谐振峰。由式(5)可知，对应于每个谐振频率都满足：

式中，c为真空中光速，l和f都已知，n为谐振阶次，n＝f1＝(f1-f2)，其中f1和f2为一组谐振点中相邻的2个谐振频率，且f1>f2。在扫频测得谐振环形电路的各阶谐振点后，利用式(6)可求得电路中的微带线的有效介电常数εe，进而根据εe与εr的关系式(1)或式(2)求出超导基片的介电常数εr。

(3)根据标定好的超导基片的厚度和在超导基片不同温度下的介电常数，在sonnet软件上进行设置，并完成极窄带超导滤波器的仿真。不同基片制备的滤波器在仿真设计时，其相关参数均应进行步骤(1)和(2)所述的超导基片基本参数的测量与标定。

(4)在极窄带超导滤波器设计仿真完成后、制备滤波器光刻膜版前，需要对电路版图的线条宽度进行如图5所示的精度补偿修正，以抵消刻蚀工艺带来的加工误差。具体地说，采用高清电子扫描显微系统对电路版图的光刻线条的宽度进行在线测量，并根据多次测量得到的误差值，对电路版图中的微带线进行刻蚀精度补偿修正。图5中11所示圈中为谐振器线条设计修正公差示意(线宽100um，修正公差±3um，不同工艺其刻蚀精度误差有所区别)。

(5)将制备好的各功能模块电路进行整体集成封装，形成如图3所示的超导选频滤波组。所述超导选频滤波组包括组件腔体2、分别安装在组件腔体2左右两端的输入射频接头1和输出射频接头6以及依次安装在组件腔体2底部的低温多路开关电路板3、极窄带超导滤波器4和低温多路放大开关电路板5。所述组件腔体2采用钛合金材料，表面镀金。所述低温多路开关电路板3和低温多路放大开关电路板5分别通过焊片焊接在组件腔体2的底部(温度为260℃左右)，极窄带超导滤波器4通过铟片焊接在组件腔体2的底部(温度为160℃)。所述低温多路开关电路板3的输入接口j0与输入射频接头1通过钎焊相连。所述低温多路放大开关电路板5的输出接口j9与输出射频接头6通过钎焊相连。所述极窄带超导滤波器4采用氧化镁(mgo)作为基片，厚度为0.5mm；在基片两面溅射上5000埃高温超导yba2cu3o7-δ薄膜，通过光刻、刻蚀、切割等工艺制作成极窄带超导滤波器。如图4所示，所述极窄带超导滤波器的电路包括输入端口8、输出端口9和谐振器10。所述极窄带超导滤波器4的输入端口8和输出端口9分别与低温多路开关电路板3的输出接口j1、j2、j3、j4及低温多路放大开关电路板5的输入接口j5、j6、j7、j8通过金丝键合互联。所述低温多路开关电路板3、低温多路放大开关电路板5均采用温度稳定性良好的复合介质基片，该复合介质基片的介电常数为2.94，基片的厚度为0.508mm，开关二极管采用砷化镓材料，低噪声放大管采用高电子迁移率场效应管。

(6)采用激光光刻设备对修正谐振器尺寸进行频率的微调。具体地说，对封装好的超导选频滤波组进行信道间频偏测试，并采用激光光刻设备对产生频偏的极窄带超导滤波器的尺寸进行如图6所示的修正，来进行频率的微调。图6中的12所指的圈中，虚线部分为激光器修正线条长度示意，精度控制在1μm以内，并根据频偏试验结果确定线条长度。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。