一种谐振器及紧凑型极窄带高温超导滤波器

本发明属于涉及微波通讯，具体涉及一种谐振器及紧凑型极窄带高温超导滤波器。

背景技术：

1、随着无线通信技术的快速发展，频谱资源越来越稀缺，无线通信条件也变得越来越苛刻，各类军用民用无线通信设备层出不穷，急需抗干扰能力强，高选择性的滤波器来滤除带外电磁干扰和不同通信线路之间的串扰，提高通信质量。而现今，空间科学技术的不断发展和空间互联网概念的提出，让空间卫星通信逐渐进入人们关注的视野范围内，军用/民用通信卫星、遥感卫星、火星通信卫星等成为各大研究所和高校的研究重点，特别是空间vhf短波通信领域具有诸多有点，例如通信距离远、组网灵活、隐蔽性强等，被广泛运用于航空通信、海事通信、射电探测以及国防，成为科研人员研究的重点之一。然而vhf频段的频谱资源非常紧张，存在诸多电磁干扰，且不同应用信号之间易发生串扰，恶化通信质量。因此若要在远距离的复杂空间环境中建立可靠通信网络，就需要高性能的滤波器滤除带外干扰，增加通信可靠性。

2、与传统带通滤波器相比较，紧凑型滤波器更符合现代通信系统中小型化的需求，能更好应对现代通信所面临的高集成度、多功能器件融合的挑战，可应用于国防加密通信系统前端，高灵敏度接收/发射机前端等大型精密设备中。传统带通滤波器由二分之一波长或四分之一波长谐振器级联构成的，若带通滤波器的工作中心频点较低，比如vhf频段(30-300mhz)，一般的半波长谐振器尺寸就大于50cm，导致整体滤波器尺寸也会成倍增大。这种体积巨大的滤波器极其浪费整体设备空间资源，且无法与高集成度精密设备安装在一起。那么在vhf/uhf这类低频段设计滤波器，谐振器的小型化设计便成为其中紧凑型极窄带高温超导滤波器整体滤波器设计的关键步骤之一。同时，多阶谐振器级联构成的滤波器的设计之中，相邻谐振器之间的耦合间距也决定了整体滤波器尺寸大小。一般窄带滤波器相邻谐振器之间所需的耦合强度较小，耦合间距随之增加，极大限制了滤波器的小型化设计需求。对于窄带/极窄带滤波器，如何在较小间距达到窄带滤波器所需的弱耦合条件，成为在低频段窄带/极窄带滤波器应用于高集成度，小型化系统或设备的关键因素之一。

3、高温超导材料因为其表面电阻在低温环境下几乎为0，具有极高的品质因数(q值)。因此在80年代发现高温超导材料后，特别是在近些年被广泛应用于射频、微波通信领域。人们通常将该材料用于制作微带电路，尤其是微带滤波器，由于其几乎为零的表面电阻，给使用高温超导材料制作的滤波器带来极低的插入损耗，那么就可以将多级谐振器级联增加滤波器带外干扰的抑制能力，提高其选择性。高温超导滤波器具有带边陡峭度极高，带内插入损耗低，谐振器无载品质因数高等诸多优点，在性能上更接近理想滤波器，同时又兼具电路尺寸小、重量轻的特性，可应用于移动通信基站、卫星通信系统、射电天文接收机等，降低邻近频段信号的干扰，提高通信设备与基站之间的通信质量，提高射电天文接收机的灵敏度。

技术实现思路

1、为了解决上述技术中存在的问题，本发明提供一种谐振器及紧凑型极窄带高温超导滤波器，其中谐振器利用siso螺旋结构与交指结构并联构成的对偶复合左右手结构谐振器具有小型化，高q值的优点，交指结构引入左手并联电容，增大谐振器的等效电容，减小相同谐振频率下谐振器的尺寸，同时，siso螺旋结构与交指结构可存储大部分电场磁场能量，既能降低电磁能量的辐射泄露，改善窄带极窄带滤波器的通带插入损耗特性，又可以降低谐振器之间的耦合强度，使相邻谐振器在较小间距也能满足弱耦合条件，缩小滤波器的整体尺寸。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种谐振器，采用siso螺旋结构和交指结构并联构成对偶复合左右手谐振器，其中交指结构形成谐振器的开口端，siso螺旋结构形成该谐振器的闭口端，交指结构由多条相互平行交指枝节组成；交指结构用于引入左手并联电容，增大谐振器的等效电容；交指结构的第一端与微带线直接相连并顺时针方向旋进，在旋转中心处再沿着微带线逆时针方向旋出，绕过交指结构，连接到交指结构的第二端构成siso螺旋结构；siso螺旋结构用于减小谐振器间耦合强度。

3、siso螺旋结构的匝数根据交指枝节的个数与该谐振器在相同尺寸下最小工作频点确定，交指结构中交指枝节的个数根据siso螺旋结构的匝数与谐振器在相同尺寸下最小工作频点确定。

4、siso螺旋结构和交指结构均为微带线结构，所述微带线的线宽相同。

5、siso螺旋结构和交指结构采用超导薄膜材料。

6、尺寸为0.00967λ×0.00149λ，λ为所述谐振器中心谐振频率194.95mhz处的波长，无载品质因数高达950000。

7、一种紧凑型极窄带高温超导滤波器，包括输入馈线、输出馈线以及若干权利要求1-5任一项所述谐振器，所述谐振器的数量为偶数，所述谐振器设置输入馈线和输出馈线之间平行排列；输入馈线和输出馈线的一端接地。

8、输入馈线5和输出馈线采用微带线。

9、谐振器尺寸为长×宽＝14.9mm×2.3mm，超导电路的整体尺寸为26.95mm×18.9mm，谐振器微带线宽度为0.05mm，谐振器数量为六，相邻两个谐振器之间的间距分别为0.45mm、0.85mm、0.65mm、0.45mm和0.85mm。

10、中心频率为194.95mhz左右，1-db带宽为1mhz，回波损耗在通带内为-17.65db以下，通带损耗在0.073db以上，2mhz处带外抑制为＞77.19db。

11、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：与传统的低频段极窄带滤波器结构相比，传统低频段极窄带滤波器的谐振器尺寸较大，弱耦合所需的耦合间距也较宽，导致整体滤波器尺寸过大，不利于小型化系统集成联接，本发明利用siso螺旋结构与交指结构并联构成的对偶复合左右手结构谐振器具有小型化，高q值的优点，谐振器尺寸可达0.00967λ×0.00149λ，λ为所述谐振器中心谐振频率194.95mhz处的波长，无载品质因数高达950000，适合于高阶极窄带的高性能滤波器设计。整体滤波器尺寸得到大大缩小，极大改善滤波器通带内的插入损耗、带外抑制能力，过渡带的滚降系数得到大大提升，增强滤波器的选择性。同时，siso螺旋结构与交指结构可存储大部分电场磁场能量，降低了谐振器的电磁辐射能力，使相邻谐振器可在较小间距内达到弱耦合条件，多阶谐振器级联的滤波器尺寸会更加紧凑，节省有限超导晶圆基板材料。

技术特征：

1.一种谐振器，其特征在于，采用siso螺旋结构和交指结构并联构成对偶复合左右手谐振器，其中交指结构形成谐振器的开口端，siso螺旋结构形成该谐振器的闭口端，交指结构由多条相互平行交指枝节组成；交指结构(2)用于引入左手并联电容，增大谐振器的等效电容；交指结构的第一端(4)与微带线直接相连并顺时针方向旋进，在旋转中心处再沿着微带线逆时针方向旋出，绕过交指结构(2)，连接到交指结构的第二端(3)构成siso螺旋结构；siso螺旋结构用于减小谐振器间耦合强度。

2.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，siso螺旋结构(1)的匝数根据交指枝节的个数与该谐振器在相同尺寸下最小工作频点确定，交指结构(2)中交指枝节的个数根据siso螺旋结构的匝数与谐振器在相同尺寸下最小工作频点确定。

3.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，siso螺旋结构(1)和交指结构(2)均为微带线结构，所述微带线的线宽相同。

4.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，siso螺旋结构(1)和交指结构(2)采用超导薄膜材料。

5.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，尺寸为0.00967λ×0.00149λ，λ为所述谐振器中心谐振频率194.95mhz处的波长，无载品质因数高达950000。

6.一种紧凑型极窄带高温超导滤波器，其特征在于，包括输入馈线(5)、输出馈线(6)以及若干权利要求1-5任一项所述谐振器，所述谐振器的数量为偶数，所述谐振器设置输入馈线(5)和输出馈线(6)之间平行排列；输入馈线(5)和输出馈线(6)的一端接地。

7.根据权利要求6所述的紧凑型极窄带高温超导滤波器，其特征在于，输入馈线(5)和输出馈线(6)采用微带线。

8.根据权利要求6所述的紧凑型极窄带高温超导滤波器，其特征在于，谐振器尺寸为长×宽＝14.9mm×2.3mm，超导电路的整体尺寸为26.95mm×18.9mm，谐振器微带线宽度为0.05mm，谐振器数量为六，相邻两个谐振器之间的间距分别为0.45mm、0.85mm、0.65mm、0.45mm和0.85mm。

9.根据权利要求6所述的紧凑型极窄带高温超导滤波器，其特征在于，中心频率为194.95mhz左右，1-db带宽为1mhz，回波损耗在通带内为-17.65db以下，通带损耗在0.073db以上，2mhz处带外抑制为＞77.19db。

技术总结
本发明公开了一种谐振器及紧凑型极窄带高温超导滤波器，采用SISO螺旋结构和交指结构并联构成对偶复合左右手谐振器，其中交指结构形成谐振器的开口端，SISO螺旋结构形成该谐振器的闭口端，交指结构由多条相互平行交指枝节组成；交指结构用于引入左手电容，增大谐振器的等效电容，交指结构的第一端与微带线直接相连并顺时针方向旋进，在旋转中心处再沿着微带线逆时针方向旋出，绕过交指结构，连接到交指结构的第二端构成SISO螺旋结构；还能能使得整体滤波器尺寸得到大大缩小，极大改善滤波器通带内的插入损耗、带外抑制能力，过渡带的滚降系数得到大大提升，增强滤波器的选择性。

技术研发人员：刘海文,匡佳鑫,王思栋,黄沫,严发宝,孔德庆
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13