帶通濾波器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微波技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種帶通濾波器，其可W使用在射電天文和 衛(wèi)星通信線(xiàn)路中的接收器前端的低溫-電子裝置中。
【背景技術(shù)】
[0002] 安裝在低噪聲放大器（LNA)的輸入端的帶通濾波器為無(wú)線(xiàn)電子設(shè)備提供電磁兼 容能力，即避免高靈敏度接收器的輸入電路受到工作頻帶W外的電磁信號(hào)的影響。當(dāng)前， 晶體管低噪聲放大器因其較低的噪聲溫度、較寬的工作頻帶W及工作狀態(tài)上的優(yōu)勢(shì)（穩(wěn)定 性、低功耗W及可W工作于較低溫度）已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，并替代了早期的參量放大器和量 子放大器。
[0003] 高靈敏度接收器的主要指標(biāo)是其等效噪聲溫度Tc，該等效噪聲溫度主要由低噪聲 放大器的噪聲溫度T。和在低噪聲放大器的輸入端的無(wú)源電路（如帶通濾波器）的噪聲溫度 Tp確定，即Te=Tp+V為了降低Te，晶體管低噪聲放大器可W被置于低溫下。帶通濾波器 的噪聲溫度Tp取決于其本身的工作溫度T。和插入損耗LdB。在較低的插入損耗的情況下，例 如Ldc< 0. 5地的情況下，帶通濾波器的噪聲溫度TP由W下簡(jiǎn)單公式定義；Tp=(Ldc/4. 34) T。（參見(jiàn)SiegmanA.E.MicrowaveSolid-StateMasers/NewYork-SanFrancisco-Toront o-London:McGraw-HillBookCompany, 1964)。對(duì)于插入損耗為0. 1地的器件，工作溫度為 300K時(shí)的噪聲溫度為7K，而將它的工作溫度降低至60K時(shí)，噪聲溫度降為1. 4K。由此可見(jiàn)， 降低接收機(jī)前端的工作溫度優(yōu)勢(shì)十分明顯。
[0004] 帶通濾波器的插入損耗UiB越小，噪聲溫度TP越低。若采用更高電導(dǎo)率、更低微波 表面電阻氏的材料來(lái)制作帶通濾波器會(huì)帶來(lái)一定的優(yōu)勢(shì)。該是在帶通濾波器的設(shè)計(jì)中使用 高溫超導(dǎo)化T巧材料的重要原因。不僅如此，HTS材料的表面電阻氏比一般材料的表面電 阻氏小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，且該些材料在冷卻到液氮溫度（約77K)或低于液氮溫度的低溫態(tài)時(shí)會(huì) 呈現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)，從而在接收器的低溫電子裝置中可W使用可靠和經(jīng)濟(jì)的制冷機(jī)。當(dāng)前，HTS 材料的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到較高水平。本發(fā)明提出關(guān)于帶通濾波器的技術(shù)方案，該帶通濾波器使 用HTS材料，HTS材料WHTS膜的形式沉積在具有低的介電損耗的電介質(zhì)板（襯底）的側(cè) 面上（例如，在MgO襯底上沉積YBa化0超導(dǎo)層）。
[0005] 在矩形波導(dǎo)中具有E平面巧-plane)金屬插片的多階帶通濾波器是熟知的現(xiàn)有 技術(shù)（參見(jiàn)VahldieckR. ,BornemannJ. ,ArndtF. ,GraueryolzD.OptimizedWaveguide E-PlaneMetalInsertFiltersforMillimeter-WaveApplications//IEEETrans. MicrowaveHieoiTTech.Vol. 31,No. 1,1983,卵.65-69)。在矩形波導(dǎo)的寬邊壁之間，在矩 形波導(dǎo)的E平面中，設(shè)置了多個(gè)金屬條，金屬條之間形成常規(guī)形式的矩形波導(dǎo)。該些常規(guī)形 式的矩形波導(dǎo)相當(dāng)于濾波器中的諧振器，被金屬條分隔的矩形波導(dǎo)的兩部分則使得該些諧 振器進(jìn)行禪合。矩形波導(dǎo)兩端被金屬條分隔的部分則可用于濾波器的輸入輸出禪合。
[0006] 已經(jīng)提出了基于上述結(jié)構(gòu)的稱(chēng)為錯(cuò)線(xiàn)（fin-line)濾波器的帶通濾波器。其 中，代替在濾波器中使用E平面金屬插片，而是使用E平面電介質(zhì)插片。普通金屬的金 屬條施加到插片的一側(cè)或兩側(cè)表面（例如參見(jiàn)，Arn化F.,BornemannJ.,Graune巧olz D. ,VahldieckR.TheoryandDesignofLow-InsertionLossFin-LineFilters//IEEE Trans.MicrowaveHieoiyTech.Vol.30,No.2, 1982,卵.155-163)。該種結(jié)構(gòu)的好處是可W 引入光刻制造工藝W提高金屬條的加工精度，使得濾波器應(yīng)用于毫米波波段。
[0007]文獻(xiàn)（MansourR.R. ,ZyburaA.S叩erconductingMi11imeter-WaveE-Plan eFilters//IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.Vol.39,No. 9, 1991,pp. 1588-1492) 首次提出了在帶通濾波器的E平面中使用HTS材料的插片代替錯(cuò)線(xiàn)插片。文獻(xiàn) (LiangHan,YiyuanChen,YunyiWang.DesignandPerformanceofWaveguidevE-PlaneH TSCInsertFilters/19921 邸EMTT-SDigest,PP. 913-916)對(duì)該樣的濾波器進(jìn)行了試 驗(yàn)研究。在文獻(xiàn)（SkresanovV.N.,BarannikA.A. ,Qie巧akN.T. ,Y.He,Glamazdin V.V. ,ZolotaryovV.A. ,ShubnyA.I. ,SunL. ,WangJ. ,WuY./ExperienceinDeveloping Ka-BandWaveguideFilterwithHTSE-PlaneInsert/The8-thInternationalKharkov SymposiumonPhysicsandEngineeringofMicrowaves,MillimeterandSubmillimeter Waves(MSMT2013)Kharkov,Ukraine,化ne23-28, 2013)中，發(fā)明人將具有HTS材料的E平 面插片的帶通濾波器的指標(biāo)與具有普通金屬的E平面插片的帶通濾波器的指標(biāo)進(jìn)行了比 較。具體地，比較表明，如果不能實(shí)現(xiàn)HTS插片與波導(dǎo)壁之間的良好接觸，則不能獲得基于 HTS材料E平面插片的帶通濾波器的優(yōu)點(diǎn)。接觸區(qū)域應(yīng)該具有小的微波功率損失，保證THS 插片與波導(dǎo)壁之間的良好熱接觸，并且防止在冷熱循環(huán)中濾波器的易碎的襯底被損壞。
[0008] 該類(lèi)帶通濾波器在技術(shù)上最可能實(shí)現(xiàn)的方案如下；包括橫截面為aXb的矩形波 導(dǎo)W及電介質(zhì)板，電介質(zhì)板的兩側(cè)表面上設(shè)置有高溫超導(dǎo)膜，高溫超導(dǎo)膜具有多個(gè)矩形窗 口。具體的，該多個(gè)窗口關(guān)于矩形波導(dǎo)的高度方向上的中分面對(duì)稱(chēng)、等高、具有不同的長(zhǎng)度、 且彼此之間的距離不同。電介質(zhì)板安裝在波導(dǎo)內(nèi)與寬邊方向垂直的軸平面上（參見(jiàn)Liang Han,YiyuanChen,YunyiWang.DesignandPerformanceofWaveguideE-PlaneHTSC Insei^tFilters/1992IE邸MTT-SDigest,P P.913-916)。各個(gè)矩形窗口的長(zhǎng)度W及各窗 口之間的距離通過(guò)計(jì)算得出，且各不相同。該些尺寸決定了諧振器的本征頻率、諧振器間的 禪合系數(shù)W及諧振器與傳輸線(xiàn)間的禪合系數(shù)。該些參數(shù)是根據(jù)濾波器的指標(biāo)要求設(shè)計(jì)的。
[0009] 上述帶通濾波器的技術(shù)方案是基于已有的E平面錯(cuò)線(xiàn)濾波器方案，并且由于從 HTS材料相較于通常金屬可W有效減小微波表面電阻，可W降低插入損耗。與上述降低插入 損耗的方案相結(jié)合的降低插入損耗的另一方案是；在將電介質(zhì)插片引入到波導(dǎo)中之后，利 用插片的導(dǎo)電表面中的電流，可W實(shí)現(xiàn)對(duì)波導(dǎo)壁中的表面電流的重新分布。
[0010] 然而，該些優(yōu)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)會(huì)在技術(shù)上遇到挑戰(zhàn)。插入損耗的組成中的一種是在HTS 膜與波導(dǎo)壁之間的接觸區(qū)域中的微波能量的散射，該散射應(yīng)該比HTS膜中的熱熱損耗小。 在上述帶通濾波器的技術(shù)方案中，如果濾波器主體的表面被拋光而與插片的HTS膜在機(jī)械 上緊密接觸，則可W滿(mǎn)足該要求。電介質(zhì)板（襯底）應(yīng)該由具有低的電介質(zhì)損耗且晶格結(jié) 構(gòu)與HTS的晶體結(jié)構(gòu)近似的材料制成。一些單晶電介質(zhì)，如Mg0，LaA103,或A1203,具有該 樣的特性。另外，專(zhuān)用的電介質(zhì)板具有易碎性，并且還要與濾波器主體機(jī)械性緊密接觸，從 而在濾波器的冷熱循環(huán)中容易損壞。即使選擇線(xiàn)性膨脹系數(shù)與電介質(zhì)板的線(xiàn)性膨脹系數(shù)相 近的材料制造主體，例如，對(duì)于MgO襯底，使用鐵作為主體，也不能解決電介質(zhì)板易損壞的 問(wèn)題。該是因?yàn)樵诶鋮s過(guò)程中，濾波器主體中出現(xiàn)溫度梯度，該溫度梯度導(dǎo)致電介質(zhì)板內(nèi)產(chǎn) 生不可接受的機(jī)械應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明旨在對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的帶通濾波器進(jìn)行改進(jìn)，W克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)的至 少一個(gè)方面。
[0012] 本發(fā)明的一個(gè)目的是減小帶通濾波器中矩形波導(dǎo)與電介質(zhì)插片之間的表面電流 密度，使得微波損耗在矩形波導(dǎo)與電介質(zhì)插片接觸不良時(shí)仍然可W降低到可忽略的數(shù)量 級(jí)。
[0013] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是避免多次低溫循環(huán)時(shí)電介質(zhì)插片中的電介質(zhì)板（襯底）碎 裂的現(xiàn)象，W提高了帶通濾波器的可靠性。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)方面，提出了帶通濾波器，包括；主體；限定在主體中 的矩形波導(dǎo)，所述矩形波