小型化超窄带高温超导滤波器研究

High temperature superconducting (HTS) filters exhibit excellent performances such as extremely low insertion loss, steep band-edges, and high out-of-band rejection. They have been widely used in mobile communications, satellite communications, radar detection, and radio astronomy observation in order to to improve out-of-band interference suppression and system sensitivity. The advantage of ultra-narrowband superconducting filter is even more obvious in weak signal detection systems. HTS filter needs to be miniaturized in order to meet the requirement of both convenient tuning and equipment integration. To achieve a high-performance ultra-narrowband superconducting filter, some key issues, such as high-Q resonator topology, miniaturization，parasitic passband suppression and the performance sensitivity to the substrate parameters, need to be resolved. Through theoretical analysis and electromagnetic simulation, the relationship between filter responses and the physical structure is to be revealed. This project intends to study：(1) the relationship between high-Q microstrip resonator topology and its electromagnetic field distribution;(2)methods to realize weak coupling structure between the resonators and flexible coupling control;(3)novel methods for ultra-narrowband superconducting filter parasitic passband suppression. The implementation of this study will provide theoretical guidance for the design and realization of high-performance ultra-narrowband HTS filter,and is significant for multiplexer realization.

高温超导滤波器具有极低的插入损耗、极高的带边陡峭度和带外抑制。超窄带超导滤波器应用于移动通信、雷达探测和射电天文等领域可以大幅减小接收机的带外干扰，显著提高系统灵敏度。超窄带超导滤波器的小型化既是方便器件调谐的需要，也符合现代装备集成化的要求。目前超窄带滤波器尚存在着器件面积过大、耦合度不够低以及寄生通带干扰严重等困难，超窄带滤波器的设计及小型化问题需要更深入的探索。本项目针对相对带宽小于0.1%的超窄带超导滤波器，为保证获得优越的滤波特性的同时实现器件小型化，拟研究：（1）小型化高Q值超导微带谐振器的拓扑结构；（2）小型化超窄带滤波器所需的极弱耦合谐振器、新颖的二次耦合结构和灵活的耦合调控方法；（3）小型化超窄带超导滤波器寄生通带抑制方法。本项目的实施将为高性能小型化超窄带滤波器的设计与实现提供理论指导，对超导滤波器实现多通道并形成信道化组件具有重要的意义。

为了保证射频/微波系统在日益复杂的电磁环境中能够正常工作，系统的接收机前端必须具有极高的接收灵敏度和抗干扰能力，滤波器在其中起到至关重要的作用。具有极小的插入损耗、更优的选择性和更好的带外抑制度的窄带/超窄带超导滤波器的研究和应用具有重要的现实意义。.课题组综合应用理论建模、软件仿真和实验测试等多种手段对小型化超导滤波器的谐振器构型、耦合调控、寄生通带抑制等方面开展研究。研究了超导微带谐振器Q值与其几何拓扑结构之间的联系，从电磁场分布的角度出发，揭示高Q值谐振器的拓扑特征。高温超导带通滤波器作为平面微带器件，除了有基频通带外，往往在高次谐频处存在寄生通带，这将恶化滤波器的带外抑制性能。VHF/UHF波段电磁频谱密集，抑制该频段滤波器的寄生通带尤为迫切。课题组提出了远谐频谐振器、基于谐振器谐频交错的级联式滤波器等结构，探究了抑制小型化窄带滤波器的寄生通带从而实现较宽阻带的方法。窄带超导滤波器的带宽主要通过谐振器间的耦合系数的调控来实现，在二次耦合理念指导下，研究了辅助耦合结构在带宽控制上的应用，并将其拓展应用于小型化多通带超导滤波器设计中。在超导滤波器的小型化上，提出基于优化短截线的滤波器结构，拓展研究了中等带宽滤波器的设计方法。为实现高性能的小型化窄带超导滤波器，课题组还在滤波器性能优化设计、离子刻蚀工艺中参数优化等方面做了一些探索工作。.在国家自然科学基金的支持下，本项目的研究成果已在国内外杂志上发表期刊论文4篇，另已投稿标注基金支持的论文6篇，申请专利6项，其中发明专利3项，获授权实用新型专利2项。