本實用新型涉及微波通訊設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多分枝耦合結(jié)構(gòu)的X波段高溫超導(dǎo)三工器。

背景技術(shù)：

在微波通信系統(tǒng)中，通信衛(wèi)星、海洋雷達(dá)、火控雷達(dá)等通信系統(tǒng)工作在X波段，X波段濾波器往往集成在通信接收機(jī)前端，起到頻率選擇的作用。多工器具有多個頻段可供通信選擇，以解決單一濾波器的頻帶被干擾而影響通信的問題。

諧振器是構(gòu)成濾波器或多工器的基本單元，在諧振器的設(shè)計過程中，首先要考慮的因素就是該諧振器是否具有高的無載Q值，以實現(xiàn)較低的濾波器插入損耗。高節(jié)數(shù)微帶濾波器的插入損耗值(以下簡稱‘插損’)可以從科恩公式得出：

${\left(L_A\right)}_0\≅\frac{4.343n}{FBW\·Q_u}\left(dB\right)$

在上式中，(L_A)₀是濾波器在其中心頻點處的插損，n是諧振器的數(shù)量，Q_u是諧振器的無載品質(zhì)因數(shù)，F(xiàn)BW是濾波器的相對帶寬。諧振器的無載品質(zhì)因數(shù)Q_u主要由諧振器的導(dǎo)體損耗和諧振器結(jié)構(gòu)所決定的。然而，由于傳統(tǒng)材料制備的濾波器和多工器的帶內(nèi)插入損耗在X波段范圍內(nèi)較大，進(jìn)而會導(dǎo)致通信質(zhì)量迅速下降。高溫超導(dǎo)材料的本征導(dǎo)體損耗遠(yuǎn)低于常規(guī)金屬的導(dǎo)體損耗，采用具有極低表面電阻的超導(dǎo)材料來制備濾波器或多工器可以大大提高通帶的帶內(nèi)性能。

圖1為工作在S波段(S波段范圍為2～4GHz)的高溫超導(dǎo)雙工器(詳見Y.Heng, X.B.Guo,B.S.Cao,B.Wei,X.P.Zhang,G.Y.Zhang,and X.K.Song,Design and Optimization of a Superconducting Contiguous Diplexer CZmprising Doubly Terminated Filters,IEEE Trans Appl Supercond 23(2013),1501706)，此超導(dǎo)雙工器采用一種簡單而有效的方法來進(jìn)行設(shè)計，它采用一種單螺旋結(jié)構(gòu)來構(gòu)建每個通道的濾波器，并在設(shè)計過程中采用等效電路模型來進(jìn)行仿真，可以準(zhǔn)確地代表帶內(nèi)和帶外的信道濾波器的特性。通過分析和適當(dāng)調(diào)整通道濾波器的輸入阻抗，可較為容易地優(yōu)化雙工器的等效電路。該S波段超導(dǎo)雙工器采用MgO基片作為襯底，超導(dǎo)材料為YBCO，雙工器尺寸為32.6mm×18mm，測量結(jié)果如圖2，該雙工器的性能與仿真結(jié)果吻合較好。它實現(xiàn)了極好的帶內(nèi)性能，回波損耗為18.9dB，插入損耗為0.13dB。

然而，導(dǎo)體損耗會隨著微波頻率的升高而迅速增加，諧振器的Q_u會隨著工作頻率的提高而顯著下降。由于X波段微帶濾波器的頻率范圍為8～12GHz，所以該頻段范圍導(dǎo)體損耗會迅速增大，從而導(dǎo)致Q_u顯著提高，進(jìn)而增大了濾波器的插損值(L_A)₀。所以高性能X波段的高溫超導(dǎo)多工器設(shè)計和制備難度大于S波段高溫超導(dǎo)多工器，本實用新型研制的高溫超導(dǎo)三工器的濾波通道數(shù)為3，大于圖1中高溫超導(dǎo)雙工器的濾波通道數(shù)2，這也增加了設(shè)計和制備難度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實用新型提供了一種多分枝耦合結(jié)構(gòu)的X波段高溫超導(dǎo)三工器，能夠在X波段帶內(nèi)插入損耗小，濾波通道數(shù)為3，結(jié)構(gòu)簡單緊湊且，易于集成在通信系統(tǒng)微波接收前端，實現(xiàn)高靈敏度通信。

本實用新型的多分枝耦合結(jié)構(gòu)的X波段高溫超導(dǎo)三工器包括A、B和C三個濾波器，其中，各濾波器均為由1×N的諧振器陣列構(gòu)成；各濾波器刻蝕在高溫超導(dǎo)材料(如釔鋇銅氧YBCO、鉈鋇鈣銅氧TiBaCaCuO、汞鋇鈣銅氧 HgBaCaCuO等)薄膜上；三個濾波器輸入饋線并聯(lián)；采用鍍金封裝盒對三工器進(jìn)行封裝，三工器輸入輸出端口采用K連接器；各濾波器之間設(shè)有金屬屏蔽板，所述金屬屏蔽板將各濾波器及其超導(dǎo)材料薄膜進(jìn)行隔斷；所述金屬屏蔽板上設(shè)有通孔，在通孔處采用硅鋁合金絲連接被金屬屏蔽板隔斷的輸入饋線。

進(jìn)一步地，所述諧振器為均勻阻抗矩形諧振器。

有益效果：

本實用新型通過選用高品質(zhì)因素的諧振器來構(gòu)成低損耗的濾波通道，選用阻抗匹配法來快速實現(xiàn)雙工器設(shè)計和性能優(yōu)化。采用層層迭代法，將雙工器視為一個整體，與另一個通道進(jìn)行快速并聯(lián)集成，并實現(xiàn)良好的設(shè)計指標(biāo)。采用高溫超導(dǎo)材料來制備三工器電路，采用鍍金封裝盒來降低電路損耗，采用金屬屏蔽板來隔離每一通道，同時解決了通道間耦合和抑制封裝盒微波諧振模式的問題，進(jìn)而實現(xiàn)了具有良好帶內(nèi)性能的高溫超導(dǎo)窄帶三工器。

本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，多工器通道可以較為方便的添加或刪減；

本實用新型采用高溫超導(dǎo)材料，有效的降低了電路的導(dǎo)體損耗；

本實用新型不僅可以用于制備具有低損耗、高選擇性的多頻段高溫超導(dǎo)濾波系統(tǒng)，也適用于制備X波段的微波通信接收前端。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有典型S波段超導(dǎo)窄帶雙工器的電路結(jié)構(gòu)圖。

圖2為S波段超導(dǎo)雙工器的通帶性能測試曲線，實現(xiàn)了低損耗的帶內(nèi)性能。

圖3為X波段高溫超導(dǎo)窄帶三工器3個通道的濾波電路，采用高無載Q值和弱耦合的諧振器結(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計。

圖4為X波段超導(dǎo)窄帶雙工器的多分枝結(jié)構(gòu)圖，實線代表第一通道在第二通道通帶的阻抗虛部曲線，虛線代表第二通道在第一通道通帶的阻抗虛部曲線。

圖5a為本實用新型的設(shè)計思想，即將雙工器視為一個整體與第三通道集成，采用了層層迭代的方法。

圖5b為雙工器和第三通道在彼此通帶的阻抗虛部曲線，實線代表第三通道在雙工器通帶的阻抗虛部曲線，虛線代表雙工器多分枝結(jié)構(gòu)在第三通道通帶的阻抗虛部曲線。

圖5c為本實用新型的電路結(jié)構(gòu)及封裝示意圖，采用金屬屏蔽盒進(jìn)行封裝，通道間采用屏蔽板進(jìn)行封裝，并采用金屬硅鋁絲進(jìn)行微波連接。

圖6為采用多分枝耦合結(jié)構(gòu)和迭代法設(shè)計的高溫超導(dǎo)窄帶三工器的通帶性能曲線。

圖7為本實用新型的立體示意圖，電路層采用高溫超導(dǎo)YBCO材料，基片采用MgO單晶陶瓷，通道間采用金屬屏蔽板隔離。

圖8為本實用新型的寬頻帶仿真曲線，封裝盒的微波諧振模式未出現(xiàn)。

圖9為本實用新型的實際測試響應(yīng)曲線，實現(xiàn)了良好的通帶及帶外性能。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)描述。

本實用新型提供了一種多分枝耦合結(jié)構(gòu)的X波段高溫超導(dǎo)三工器，首先采用阻抗匹配法和迭代法相結(jié)合的方法設(shè)計了一種緊湊型的多分枝型超導(dǎo)三工器，采用釔鋇銅氧YBCO超導(dǎo)材料來制備三工器電路，MgO基片作為超導(dǎo)電路的基底，采用鍍金封裝盒來封裝超導(dǎo)三工器，采用金屬屏蔽板的制作工藝來抑制封裝盒諧振模式，并采用硅鋁金屬絲來進(jìn)行三個通道間的微波連接。

下面結(jié)合具體實施例說明本實用新型三工器的制備方法以及制備出的三工器。

高溫超導(dǎo)窄帶三工器的3個通道中心頻率都屬于X波段，分別為9GHz， 9.12GHz，9.24GHz，頻點間隔120MHz，3個通道的帶寬都為60MHz。

第一步，制備每一個通道的超導(dǎo)濾波器。為實現(xiàn)較低的插入損耗值，每個通道的濾波器電路選用高無載Q值的均勻阻抗矩形諧振器，該諧振器也具備諧振器之間弱耦合的特點，以抑制諧振器之間的非相鄰耦合效應(yīng)。采用綜合網(wǎng)絡(luò)方法獲得滿足濾波通道中心頻率、帶寬要求，并且回波損耗在20dB以下的3個濾波器電路結(jié)構(gòu)。

其中，濾波器設(shè)計分為諧振器設(shè)計、輸入輸出饋線設(shè)計和諧振器耦合設(shè)計三個方面。經(jīng)設(shè)計優(yōu)化，得出3個通道的濾波器電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，每個通道的濾波器由6節(jié)諧振器構(gòu)成，輸入輸出饋線結(jié)構(gòu)一致。其中，通道A中心頻點為9GHz，諧振器尺寸為5.31mm×2.0mm，a₁～a₅為諧振器間距，間距分別為a₁＝a₅＝0.72mm，a₂＝a₄＝2.0mm，a₃＝0.75mm；通道B中心頻點為9.12GHz，諧振器尺寸為5.25mm×1.97mm，b₁～b₅為諧振器間距，間距數(shù)值分別為b₁＝b₅＝0.76mm，b₂＝b₄＝1.68mm，b₃＝0.83mm；通道C中心頻點為9.24GHz，諧振器尺寸為5.18mm×2.0mm，c₁～c₅為諧振器間距，間距數(shù)值分別為c₁＝c₅＝0.76mm，c₂＝c₄＝1.72mm，c₃＝0.83mm。經(jīng)仿真優(yōu)化，三個濾波通道的中心頻率和帶寬都與設(shè)計要求一致，并且回波損耗都在20dB以下。

第二步，在X波段窄帶三工器的3個濾波通道設(shè)計成功的基礎(chǔ)上，進(jìn)行3個濾波通道的集成。本實用新型首先將第一通道(A通道)和第二通道(B通道)的輸入饋線端口并聯(lián)起來，即將兩通道的輸入饋線連接形成多分枝結(jié)構(gòu)，采用阻抗匹配法進(jìn)行雙工器的設(shè)計，在該設(shè)計過程中優(yōu)化多分枝結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)緊湊，并且滿足每個通道的端口阻抗虛部在另一個通道的中心頻點的絕對值大于200Ω。

如圖4所示，實線代表第一通道在第二通道通帶的阻抗虛部曲線，虛線代表第二通道在第一通道通帶的阻抗虛部曲線。通過調(diào)節(jié)連接兩個通道的多分枝 耦合結(jié)構(gòu)，使得通道A輸入饋線總長度為10.2mm，通道B輸入饋線總長度為4.1mm，此時第一通道端口的阻抗虛部在第二通道中心頻率9.12GHz處達(dá)到-1000Ω，第二通道端口的阻抗虛部在第一通道中心頻率9.00GHz處達(dá)到1500Ω，阻抗虛部的絕對值都大于200Ω，即滿足兩路的匹配需求。之后通過進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及通道內(nèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整首先完成雙工器的設(shè)計。

多分枝耦合型結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)多工器，其結(jié)構(gòu)無法通過直接并聯(lián)多個通道得到良好的性能。當(dāng)多工器的濾波通道數(shù)為3時，若采用多濾波通道直接并聯(lián)的方法來設(shè)計多工器，會遇到多分枝結(jié)構(gòu)初值難以確定、多分枝結(jié)構(gòu)布局困難和多個通道優(yōu)化過程繁瑣等問題。本實用新型在雙工器研制成功的基礎(chǔ)上，將雙工器作為一個整體并在其上直接疊加新的通道，會大大的簡化設(shè)計流程，后期只需將新添加的通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化即可。該層層結(jié)構(gòu)迭代法研究思路如圖5a所示，將迭代思想和阻抗匹配設(shè)計方法結(jié)合了起來。最終使得雙工器的阻抗虛部在第三通道中心頻點的絕對值大于200Ω，第三通道端口的阻抗虛部在雙工器的兩個通帶中心頻點的絕對值大于200Ω。

第三步，在完成雙工器設(shè)計的基礎(chǔ)上，將雙工器看成基本結(jié)構(gòu)單元來進(jìn)行三工器的設(shè)計，首先對雙工器和第三路濾波通道(C通道)的輸入阻抗進(jìn)行匹配。圖5b實線代表第三通道在雙工器通帶的阻抗虛部曲線，虛線代表雙工器多分枝結(jié)構(gòu)在第三通道通帶的阻抗虛部曲線。通過調(diào)節(jié)二者輸入端的多分枝線的結(jié)構(gòu)和尺寸，使得雙工器的阻抗虛部在第三通道中心頻率9.24GHz處達(dá)到-200Ω，第三通道端口的阻抗虛部在雙工器的兩個通帶中心頻率9.00GHz和9.12GHz處分別達(dá)到3000Ω和-210Ω，即滿足了雙工器和第三通道并聯(lián)的匹配條件。

滿足匹配條件之后，再采用緊湊型多分枝線將二者并聯(lián)，對多分枝結(jié)構(gòu)三個輸入饋線端點位置和尺寸進(jìn)行微調(diào)優(yōu)化，同時再對通過對三工器每個通道進(jìn)行優(yōu)化，即可完成三工器電路設(shè)計，并實現(xiàn)良好的三工器性能。

仿真結(jié)果表明，多分枝線的引入并不會給電路增加額外的損耗。由于這種結(jié)構(gòu)能夠簡化為對雙工器和濾波器的級聯(lián)設(shè)計，大幅提高了多工器的設(shè)計效率。圖5c為最終設(shè)計的三工器電路結(jié)構(gòu)圖，圖中交點1為通道A和通道B的連接處，這是計算通道A和B輸入饋線長度的起點；交點2為雙工器和通道C的連接處，這是計算雙工器和通道C輸入饋線長度的起點。數(shù)字1標(biāo)注的微帶電路為濾波通道A的輸入饋線，長度為10.2mm；數(shù)字2標(biāo)注的微帶電路為濾波通道B的輸入饋線，長度為4.1mm；數(shù)字3標(biāo)注的微帶電路為雙工器的輸入饋線結(jié)構(gòu)，長度為11.97mm；數(shù)字4標(biāo)注的微帶電路為濾波通道C的輸入饋線，長度為8.72mm。

將設(shè)計好的三工器電路結(jié)構(gòu)通過光刻和干刻工藝過程刻蝕在以MgO單晶陶瓷為基底的YBCO超導(dǎo)材料薄膜上，并采用鍍金封裝盒進(jìn)行電路封裝以降低三工器輻射損耗，三工器輸入輸出端口采用K連接器。為減少高溫超導(dǎo)多工器之間通道之間的耦合，以及抑制封裝盒的最低微波諧振模式，在各濾波通道之間加金屬屏蔽板，屏蔽板開小窗口并采用硅鋁合金絲來實現(xiàn)各通道之間的微波連接。

本實用新型采用多分枝層疊結(jié)構(gòu)，通過對三工器每個通道的優(yōu)化和對多分枝線的優(yōu)化，設(shè)計好的電路三工器的仿真響應(yīng)結(jié)果如圖6所示，三個通道的中心頻率間隔120MHz，與設(shè)計要求保持一致，帶寬為60MHz，帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于18dB，采用加裝金屬屏蔽板達(dá)到通道間去耦合的效果，三工器通道間的隔離度可以達(dá)到80dB。

為減少通道之間的耦合，以及推高封裝盒自身的最低諧振模式，本實用新型采用加裝金屬屏蔽板的方法來分隔各濾波通道，屏蔽板開小窗口實現(xiàn)各通道之間的微波連接。如圖7所示，X波段窄帶三工器的三個通帶兩兩之間選用4根硅鋁合金點焊絲進(jìn)行連接，金屬屏蔽板厚度0.2mm，屏蔽板中間挖一個方孔， 孔的寬度為1.2mm，高度為1.5mm。該高溫超導(dǎo)三工器電路尺寸為46mm×30mm，每個濾波通道的尺寸為46mm×10mm。電路采用YBCO/MgO超導(dǎo)薄膜基片進(jìn)行制作，YBCO薄膜厚度為500nm，MgO基片介電常數(shù)為9.7，厚度為0.5mm。如圖8所示，通過加裝金屬屏蔽板工藝，有效的抑制了封裝盒的微波諧振模式，仿真得出在8.5GHz～12GHz的范圍內(nèi)，無其他諧振模式出現(xiàn)。

本實用新型采用外層鍍金的金屬盒對三工器進(jìn)行封裝，鍍金層可以降低三工器的輻射損耗。封裝盒的尺寸為46mm×30mm×15mm，輸入輸出端共4個端口采用K連接頭，通道之間采用金屬屏蔽板分隔。將封裝后的X波段超導(dǎo)三工器固定在真空腔中的測試平臺上并降溫至60K，測得的三工器性能如圖9所示，通道1的中心頻率為9.00GHz，帶寬為60MHz，回波損耗為3.7dB，帶內(nèi)插入損耗為3.4dB；通道2的中心頻率為9.12GHz，帶寬為60MHz，回波損耗為6.8dB，帶內(nèi)插入損耗為1.5dB；通道3的中心頻率為9.24GHz，帶寬為60MHz，回波損耗為14.1dB，帶內(nèi)插入損耗為0.7dB。實現(xiàn)了X波段頻段范圍內(nèi)的良好帶內(nèi)性能。

本實用新型的多分枝耦合結(jié)構(gòu)的X波段超導(dǎo)三工器，應(yīng)用于超導(dǎo)窄帶多工器的設(shè)計，可應(yīng)用的頻段為8～12GHz，通過本實用新型的方法和過程可以制作出濾波通道大于2的超導(dǎo)窄帶多工器。

綜上所述，以上僅為本實用新型的較佳實施例而已，并非用于限定本實用新型的保護(hù)范圍。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。