基于分支线多模谐振结构的多频带超导平衡滤波器研究

The balanced filtering circuit has the ability of signal filtering as well as the common-mode noise rejection, leading to the improvement of the anti-interference performance. While the low loss property of the superconducting material can reduce the propagation loss and such that improve the sensitivity of a system. Based of these, the design theory and method of multi-band superconducting balanced filter are explored for the requirements of strong anti-interference, high-sensitivity and multi-service wireless access. The newly branch-line multimode resonant structure with rich design freedom for controllable of the frequencies and coupling is proposed in this project and its circuit design and topology optimization, electromagnetic propagation theory, differential-mode/common-mode equivalent circuit modeling and characteristic analysis, mode coupling and interconnection methods, etc., are well researched, solving some important scientific problems of branch-line multimode resonant structures, such as the controlling of resonant modes, multi-band construction for differential-mode, common-mode noise suppression and high-order superconducting cascading. Then, the cooperative design theory for differential-mode/common- mode of branch-line multimode resonant structure and the balanced high-order circuit design theory are therefore established, finally achieving the design of multi-band superconducting balanced filter with the excellent anti-noise performance and extremely low loss. This project is a new exploration of superconducting technology in the field of balanced microwave circuits. It has important scientific significance and engineering value for building the multi-functional RF front-end and wireless communication systems with strong anti-interference and high sensitivity for high-performance wireless communication.

平衡滤波电路在实现选频功能的同时可以抑制共模噪声，提高系统抗干扰能力；而超导材料的低损耗特性可以降低电路传播损耗，提高系统灵敏度。基于此，面向强抗干扰、高灵敏度和多业务无线接入需求，探索多频带超导平衡滤波器的设计理论与方法，本项目提出具有丰富频率调控和耦合设计自由度的新型分支线多模谐振结构，并开展其电路设计和拓扑优化、电磁传播理论、差/共模等效电路建模与特性分析、模式耦合和互连方法等重要内容研究，解决分支线多模谐振结构的模式调控、差模多频构造、共模噪声抑制和高阶超导级联等科学问题，建立分支线多模谐振结构的差/共模协同设计综合理论和平衡式高阶超导电路设计理论，实现抗噪性能优异和极低损耗的多频带超导平衡滤波器的设计。本项目是超导技术在平衡式微波电路领域的一种全新探索，对于构建强抗干扰和高灵敏度的多功能射频前端及无线通信系统，实现高质量无线通信，具有重要的科学意义和工程价值。

微波滤波器是无线通信系统射频前端的关键部件，实现选频功能。相比于传统的二端口非平衡滤波器，平衡滤波器可以抑制系统内部噪声和环境干扰噪声，可以进一步提升抗干扰能力。另一方面，相比于传统覆铜板的固有金属损耗，高温超导材料具有低损耗特性，可以极大减小滤波器件的传输损耗，提高系统灵敏度。此外，随着系统小型化、集成化发展，要求微波器件能够工作在多个频段，以便同时实现多制式、多业务需求。为此，本项目按照计划内容和研究目标，重点开展了新型多模谐振结构、差共模等效电路建模和协同设计、多频滤波、高温超导电路高阶互联等理论、方法和技术研究。首先在传统谐振结构基础上提出了多款新型多模谐振结构，并基于分支线技术进行进一步改进，以便高阶级联，并基于差/共模等效电路的协同分析进一步优化单元结构，以实现差模谐振频率的独立控制和增大差共模的频差；然后基于谐振结构的电磁场分布特性，研究了不同耦合结构和耦合理论，通过谐振结构间的磁耦合和电耦合特性设计了具有高抑制的多频带平衡带通滤波器、多传输零点的多频带平衡带通滤波器以及实现了分支线多模谐振结构耦合时其多个模式间独立耦合的设计；基于简化多频带高阶电路设计难度的目的，提出了多种可提供独立可控的外部品质因数的馈线结构，并基于高温超导技术完成了系列高阶（4阶、8阶）双频带、三频带平衡带通滤波器的设计，通带内共模抑制度可以60dB以上，高阶电路的插入损耗约0.3dB，关键技术指标远高于普通滤波电路。所有电路进行了加工测试，验证了理论分析和设计的正确性和有效性。本项目的开展，将高温超导技术应用于平衡式滤波电路研究设计，构建强抗干扰和高灵敏度的多频带平衡滤波器，实现高质量无线通信。