CN1671068A - 高温超导微波滤波群时延均衡器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及模拟信号处理和通信技术，特别是涉及高温超导滤波器的群时延均衡技术，应用于高温超导薄膜的微波技术领域。它是由高温超导微带滤波器，3dB混合耦合器与两个单端口反射滤波器构成，为平面微带结构，它适用于对卫星接收***射频前端或者移动通信***中基站接收前端的高温超导滤波器进行相位均衡，减小相位失真。本发明的有益效果：能够最大程度的实现滤波器的群时延均衡，设计和调整独立于所要均衡的滤波器。只需要根据所要均衡的滤波器的群时延特性对单端口反射滤波器进行调整，最终实现滤波器的均衡。进一步的小型化，集成在同一介质基片上，这样比利用两个器件(滤波器与均衡器)进行级联具有更小的***损耗，并且性能更加稳定。
Description
技术领域
本发明涉及模拟信号处理和通信技术，特别是涉及高温超导滤波器的群时延均衡技术，应用于高温超导薄膜的微波技术领域。
背景技术
高温超导体对于微波工程来说是一种崭新的材料，由于高温超导体在低于临界温度时进入“超导态”，其表面电阻几乎为零，使得利用高温超导体制成的微波电路有许多独特的优点，如损耗低、Q值高、低噪声以及电路的小型化。其中采用高温超导薄膜，利用传统半导体技术研制的多阶窄带微带带通滤波器具有极低的***损耗和非常陡峭的边带特性，是其他材料制成的滤波器所无法比拟的，有着非常广阔的应用前景。最近几年，已经有多种用于微波波段的结构新颖，微型化的多阶高温超导滤波器设计方案被提出：
参考文献Jia-Sheng Hong and Michael J.Lancaster，“On The Performance of HTSMicrostrip Quasi-Elliptic Function Filters for Mobile Communications Application”，IEEE Trans.，MTT-48.July 2000，1240-1246。讲述了一种具有准椭圆函数特性的8阶高温超导滤波器，该滤波器通过在结构中引入交叉耦合(cross coupling)实现了在滤波器通带的上、下边缘附近各产生一个传输零点，从而进一步增加了滤波器的陡峭度。
参考文献Genichi Tsuzuki，Shen Ye，“Ultra-selective 22-pole 10-transmission zerosuperconducting bandpass filter surpasses 50-pole Chebyshev filter”，IEEE Trans.，MTT-50.December 2002，2924-2929.和Genichi Tsuzuki，Shen Ye，“Ultra Selective HTSBandpass Filter for 3G Wireless Application”，IEEE Trans.，AppliedSuperconductivity，Vol.13，June 2003，261-264。讲述了另一种具有超级陡峭度的22阶高温超导滤波器。此22阶高温超导滤波器以四个谐振器单元为一组，一共五组进行级联，首尾再各级联一阶结构相同的谐振器。由于每组谐振器内部引入了一路交叉耦合(crosscoupling)，所以能够使滤波器通带上、下边缘附近各产生一个传输零点，五组就能够总共产生10个传输零点，这使得滤波器的边带非常陡峭，陡峭度达到30dB/100kHz。
高温超导滤波器的这种接近理想矩形的带通滤波特性虽然能够最大限度的节省频率资源，抑止带外衰减和减小带外杂散信号干扰，但同时也带来了另外一个问题，那就是滤波器中心频率处的群时延与通带内上、下边带附近的群时延会有很大的偏差，如图1所示为一个21阶高温超导滤波器的群时延特性，它的中心频率为1.95GHz，带宽20MHz。从图中可以看出，该滤波器通带内群时延波动为10ns的带宽只为整个通带的20％左右。一般来讲，滤波器的边带越陡峭，群时延偏差就会越大，两者是一对矛盾。这种群时延的偏差会使得通过滤波器的高频信号产生很大的相位失真。当它应用于数字移动通信***或者卫星通信***的接收机射频前端时，就会使解调质量下降，误码率增加。
要解决这个问题就需要对高温超导滤波器的群时延进行均衡，使得滤波器通带内的群时延偏差能在一个合理的范围之内。目前的一种解决方案是在设计高温超导微带滤波器时，采用在非相邻谐振器之间引入交叉耦合(cross coupling)，通过调整交叉耦合度来实现滤波器本身群时延的均衡。但这种方案的不足在于此种微带滤波器结构复杂，设计和调谐过程都非常困难，而且它所能实现群时延均衡的程度是有限的，受到结构本身的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足，提出一种具有新颖平面微带结构的高温超导微波群时延均衡器，它是一个全通网络，通过与由于边带陡峭特性带来较大群时延偏差的高温超导滤波器进行级联来实现群时延的均衡，这种高温超导微波群时延均衡器几何尺寸小，设计和调谐独立于所要均衡的高温超导滤波器，这使得设计和调谐过程得到简化，并且能够根据需要，最大程度的实现滤波器的群时延均衡，从而减小信号的相位失真。
本发明提出一种结构新颖的平面微带高温超导微波群时延均衡器，其特征在于该均衡器可以与超导微带滤波器串联使用，能够调整信号的群时延特性。
本发明的技术方案：
这种高温超导微波滤波群时延均衡器，它包括一个微波滤波器、一个均衡器；
微波滤波器，是一个高温超导微带滤波器，用于接收信号的特性选择，包含群时延特性的选择；群时延均衡器，包括一个3dB混合耦合器，两个单端口反射滤波器；
其特点在于：3dB混合耦合器，是二分支耦合型，用于级联接收机前端的高温超导滤波器和反射滤波器的电路网络匹配，把经过滤波器的接收信号传递给反射滤波器；并将信号传递到输出端；单端口反射滤波器，都是由多个微带谐振器组成的谐振器阵列构成，用于调整信号的群时延特性。
本发明的有益效果：(1)能够最大程度的实现滤波器的群时延均衡。均衡的程度与单端口反射滤波器的阶数有关，阶数越高，则均衡的效果越好。(2)设计和调整独立于所要均衡的滤波器。在设计均衡器时，只需要根据所要均衡的滤波器的群时延特性对单端口反射滤波器进行调整，最终实现滤波器的均衡。(3)在相同的衬底基片上，当3dB混合耦合器采取弯折臂结构，会使均衡器进一步的小型化，从而能够方便的与所要均衡的滤波器集成在同一介质基片上，可以利用高温超导薄膜一次性加工制作，这样比利用两个器件(滤波器与均衡器)进行级联具有更小的***损耗，并且性能更加稳定。
附图说明
图1：一个21阶高温超导滤波器的群时延特性
图2：本发明高温超导微波滤波群时延均衡器的结构原理框图
图3：几种具有基本相同特性的3dB混合耦合器版图结构
图3(a)为传统的二分支3dB混合耦合器版图结构
图3(b)为上下弯折臂3dB混合耦合器的版图结构
图3(c)为左右弯折臂3dB混合耦合器版图结构
图3(d)为四周弯折臂3dB混合耦合器版图结构
图4：本发明提出的高温超导微波滤波群时延均衡器的版图结构之一
图5：群时延特性
其中：1.滤波器 2.3dB混合耦合器 3.单端口反射滤波器 4.单端口反射滤波器 5.群时延均衡器
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
这种高温超导微波滤波群时延均衡器，它包括一个微波滤波器、一个均衡器；
微波滤波器1，是一个高温超导微带滤波器，用于接收信号的特性选择，包含群时延特性的选择；群时延均衡器5，包括一个3dB混合耦合器2，两个单端口反射滤波器3、4；
其特点在于：3dB混合耦合器，是二分支耦合型，用于级联接收机前端的高温超导滤波器和反射滤波器的电路网络匹配，把经过滤波器的接收信号传递给反射滤波器；并将信号传递到输出端；单端口反射滤波器3、4，都是由多个微带谐振器组成的谐振器阵列构成，用于调整信号的群时延特性。
3dB混合耦合器和单端口反射滤波器是高温超导平面微带结构。
3dB混合耦合器采用传统的四臂二分支耦合结构，也可以采用弯折臂结构和环形器结构。
所说的群时延均衡器，它可以单独制作在一块介质基片上，形成独立的高温超导微波元件，也可以与高温超导微带结构的滤波器集成在同一块介质基片上。
所说的群时延均衡器，它可以利用金属薄膜制作成普通的微带电路。
所说的群时延均衡器，它可以与高温超导微带滤波器级联使用，能够均衡微波信号的群时延特性。
在一定的频带范围内，该均衡器实质上是一个二端口全通网络。可以通过调整单端口反射滤波器中谐振器的几何尺寸来改变它的群时延特性。均衡器的带宽受到它内部3dB混合耦合器带宽的限制。将该均衡器与所要均衡的窄带滤波器级联之后，整体微波网络的幅频特性仍为窄带滤波器的幅频特性，它的相频特性为窄带滤波器与均衡器相频特性的线性叠加。
由于高温超导薄膜制备的尺寸有一定的限度，所以高温超导平面电路的小型化也是一个重要的课题。本发明可以采用传统的3dB混合耦合器，如图3(a)所示，也可以采用弯折臂结构，以减小面积，如图3(b)上下臂弯折型、图3(c)左右臂弯折型、图3(d)四臂弯折型，它们的特性基本相同。图5中的点划线为8阶切比雪夫滤波器群时延特性，点线为均衡器中单端口反射滤波器S11群时延特性，实线为此8阶滤波器经过均衡后的群时延特性。
实施例
下面用一个带有4阶单端口反射滤波器的均衡器来均衡一个8阶切比雪夫滤波器，以此作为例子加以说明。
8阶切比雪夫滤波器的群时延特性如图5中的点划线所示。均衡器中3dB混合耦合器采取上下臂弯折型结构。单端口反射滤波器中的谐振器采取传统的折线结构，它为半波长谐振器。均衡器的版图如图4所示，通过调整单端口反射滤波器中半波长谐振器的间距，使其具有如图5中点线所示的群时延特性。
将此均衡器与8阶切比雪夫滤波器级联后，由于相位的线性叠加，最终实现了滤波器群时延均衡。均衡后的群时延特性如图5中实线所示。从图中可见，8阶切比雪夫滤波器在未均衡之前通带内群时延波动为10ns的带宽只占通带带宽的30％左右，经过群时延均衡后，通带内群时延波动为10ns的带宽达到了通带带宽的80％。显然，采用本发明，经均衡后群时延特性得到明显改善。均衡的程度与单端口反射滤波器的阶数有关，阶数越高，则均衡的效果越好。
本发明所提出的高温超导微波滤波群时延均衡器具有平面微带结构，可以利用光刻和离子刻蚀技术在高温超导薄膜上一次性加工完成。同样也适用金属薄膜进行制作普通的微带电路。
Claims (6)
1.一种高温超导微波滤波群时延均衡器，它包括一个微波滤波器、一个群时延均衡器；
微波滤波器(1)，是一个高温超导微带滤波器，用于接收信号的特性选择，包含群时延特性的选择；
群时延均衡器(5)，包括一个3dB混合耦合器(2)，两个单端口反射滤波器(3、4)；
其特征在于：3dB混合耦合器，是二分支耦合型，用于级联接收机前端的高温超导滤波器和反射滤波器的电路网络匹配，把经过滤波器的接收信号传递给反射滤波器；并将信号传递到输出端；
单端口反射滤波器(3)(4)，都是由多个微带谐振器组成的谐振器阵列构成，用于调整信号的群时延特性。
2.根据权利要求1所说的群时延均衡器，其特征在于：3dB混合耦合器和单端口反射滤波器是高温超导平面微带结构。
3.根据权利要求1所说的群时延均衡器，其特征在于：3dB混合耦合器采用传统的四臂二分支耦合结构、弯折臂结构或环形器结构。
4.根据权利要求1所说的群时延均衡器，其特征在于：它单独制作在一块介质基片上，形成独立的高温超导微波元件，或与高温超导微带结构的滤波器集成在同一块介质基片上。
5.根据权利要求1所说的群时延均衡器，其特征在于：它是利用金属薄膜制作成普通的微带电路。
6.根据权利要求1所说的群时延均衡器，其特征在于：它与高温超导微带滤波器级联使用，能够均衡微波信号的群时延特性。
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2005
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