高溫超導濾波器在電磁抗干擾中的技術和應用

劉天康,劉海文

(1.國家無線電監測中心 烏魯木齊監測站,烏魯木齊 830000;2.西安交通大學 信息與通信工程學院,西安 710000)

0 引言

超導材料的發現,是現代物理學最偉大的發現之一。超導體的零電阻特性在電磁波傳輸控制方面發揮著極其重要的作用,特別是在高靈敏度微波濾波器件設計與應用方面,基本滿足了軍事、航空航天、射電天文、深空探測等應用場景[1-3],但隨著電磁環境的不斷惡化,對微波濾波器件的性能要求更加嚴苛。

射電天文科學觀測是人類認識宇宙的基本途徑,其完全基于接收源于宇宙的無線電波,從而對宇宙起源等科學問題開展研究。但無線電頻譜是非常重要的戰略資源,根據無線電國際主管組織國際電信聯盟發布的全球無線電頻率劃分情況[4],目前未被人類使用的頻率越來越少,并正在研究將未分配利用的275GHz以上的頻譜資源進行分配使用。使用最活躍的地面公眾移動通信頻率已經從數百MHz的分米波跨越到了數十GHz的毫米波,目前正在研究數百GHz的太赫茲頻段應用到未來的地面公眾移動通信中。中國已在2023年6月最新的無線電頻率劃分規定中,在全球率先將6GHz頻段劃分給國際移動通信(international mobile telecommunications,IMT)使用[5]。隨著5G、6G、低軌衛星星座等大量工作于新頻段的無線電通信系統的應用,射電天文和深空探測等領域受干擾的情況將愈發嚴重,根據長期無線電環境監測顯示,衛星導航頻率和地面移動通信頻率是射電望遠鏡最大的干擾源,如圖1所示[6-7]。

圖1 某射電天文望遠鏡1GHz～2GHz電磁環境頻譜圖Fig.1 Electromagnetic environment spectrogram in 1GHz-2GHz for the radio astronomy telescope

由于大量無線電信號的干擾造成可觀測頻譜資源的日益減少,射電天文望遠鏡對于電磁抗干擾的需求越來越迫切,而采用高溫超導材料設計的陷波濾波器既能滿足射電信號高靈敏度的接收要求,也能滿足電磁抗干擾的需求,是射電天文望遠鏡保持甚至是提升性能最佳的技術方案之一,在射電天文觀測和深空探測方面具備極大的電磁抗干擾和高性能特性的應用潛力。因此,很多寬帶或窄帶陷波濾波器被設計出來以滿足不同領域的抗干擾需求[8-11],文獻[8]在饋線端采用交趾耦合線的技術抑制UWB頻段內250MHz的寬帶信號[8],文獻[9]在主諧振器內部嵌入兩個短路環形諧振器抑制UWB頻段內600MHz的寬帶信號[9],文獻[10]在主諧振器上耦合一對四分之波長諧振器來產生陷波[10],文獻[11]通過在低通濾波器中添加4組叉指電容環路諧振器實現了500MHz的寬帶陷波[11],然而以上工作的設計技術并不太適用于射電天文這類需要對窄帶干擾信號進行抑制的應用場景,同時打孔接地結構也不適用于超導濾波器的設計和制造。而公開發表的采用高溫超導技術設計的陷波濾波器則非常少,文獻[12]利用高溫超導技術采用4個復合左右手零階電路產生陷波,但實測響應的頻率漂移現象較嚴重,達到了設計帶寬的20%[12]。LIU H W等基于十余年高溫超導濾波器領域的研究和設計成果[13-15],在電磁抗干擾方面做了一些工作,用于滿足射電天文、深空探測等場景對高性能、抗干擾微波濾波器的迫切需求,取得了一些研究成果[2-3,16]。

本文選取本團隊的部分工作,介紹高溫超導濾波器在電磁抗干擾方面的研究情況,主要有基于多模諧振結構的高溫超導單/雙陷波寬帶濾波器和基于雙階躍阻抗雙模諧振結構的高溫超導單陷波多通帶濾波器的研究和設計。本團隊研究工作的創新點在于,一是在L波段應用高溫超導陷波濾波器技術服務于射電天文望遠鏡的抗干擾和觀測性能提升場景,二是提出兩款新型多模諧振電路用于寬帶和多通帶的設計,三是設計的濾波器的仿真和實測結果吻合度較高。

1 陷波濾波器設計原理

本文研究和介紹的高溫超導陷波濾波器均為二端口微波器件,可以采用二端口微波網絡的散射參數分析方法進行綜合分析進而指導設計工作。對于諧振器可以采用經典的傳輸線理論和奇偶模分析方法對諧振模式開展分析工作,具體分析方法在后續諧振器分析中進行詳細介紹。

濾波器的頻率響應特性在通帶內表現為傳輸而在阻帶內表現為衰減,可以由散射參數中的S21來表示,如式(1)所列:其中,ε為波紋系數,Fn(Ω)為特征函數,Ω表示頻率。

(1)

而濾波器在阻帶內的衰減特性可以表示為式(2)所列:

(2)

公式(1)和公式(2)在濾波器設計中極為重要。設計陷波濾波器時,可將陷波作為衰減特性來設計。陷波濾波器的理想散射矩陣與帶通濾波器的理想散射矩陣一致,如式(3)所列。

(3)

在設計濾波器時,根據設計指標,結合理論計算得到濾波器階數、極點、零點和耦合矩陣,使用電磁仿真軟件對設計的電路進行仿真,根據濾波器的理論響應來優化設計的電路版圖。其中,要對濾波器的耦合系數和外部品質因子進行計算,以高效的得到符合設計要求的電路版圖。諧振器間的間距由耦合系數來確定,饋線的布局由外部品質因子來確定。耦合系數Mij和外部品質因子Qex的計算公式分別為式(4)和式(5)。其中,fp1和fp2是兩個諧振器在弱耦合下的耦合低頻率和高頻率,f0為S11響應的峰值頻率,Δf±90°是S11相位曲線正負90度對應的頻差。根據計算的Mij和Qex可以對濾波器的優化提供理論指導。

(4)

(5)

下面以傳輸線理論對陷波的形成開展分析。陷波單元諧振時會與多模諧振器的通帶產生耦合作用,而與多模諧振器及其饋電網絡組成新的濾波器系統。當陷波單元處于非諧振狀態時,不參與濾波器的傳輸響應。仿真和實測結果也表明,陷波單元的加入對濾波器通帶響應的影響并不明顯。因此,為理解陷波單元的工作原理,將陷波單元視作帶通濾波器的負載來分析,如圖2所示。

圖2 陷波單元作為帶通濾波器負載的拓撲圖Fig.2 The diagram of notched resonator is regarded as load for bandpass filter

根據傳輸線理論可以得到輸入阻抗Zin為式(6)所列:

(6)

式(6)中,Z0為帶通濾波器傳輸響應時的特征阻抗,Zl為陷波單元的特征阻抗,θ表示頻率的電長度。

當處于通帶響應時,負載不參與濾波器傳輸響應,此時等效于沒有負載,輸入阻抗Zin為式(7)所列:

Zin=jZ0tanθ

(7)

當處于陷波響應時,負載為諧振狀態,即Zl=∞,此時輸入阻抗Zin為式(8)所列:

(8)

無論是陷波響應還是通帶響應,多模諧振器均表征為諧振狀態,對式(7-8)進行化簡,即有式(9):

(9)

因此,只要將一個具備帶內諧振特性的負載以一定的耦合關系加載到一個帶通濾波器上,就可以在通帶內產生陷波響應,這為陷波濾波器的設計提供了理論指導。本文介紹的高溫超導陷波濾波器均是在該理論指導下開展的研究和設計。

2 多模諧振器設計與分析

高溫超導濾波器工作環境對低溫的要求非?？量?為了降低制造和維護成本,要求高溫超導微波無源器件進行小型化設計以節約空間,其中采用多模諧振器是設計小型化濾波器的一種有效方法。本文介紹兩款團隊提出的多模諧振器,并對其諧振特性進行分析。

2.1 非對稱雙T型加載的多模諧振器

為了滿足寬帶和小型化需求,團隊提出了非對稱雙T型枝節加載的多模諧振器,并采用經典的奇偶模分析方法對諧振器諧振特性進行分析,如圖3所示,為了便于分析,將其中心對稱線分別設置為電壁和磁壁,就分別得到了奇模電路和偶模電路,如圖3(b)和圖3(c)所示,其中W是寬度;L是長度。

圖3 非對稱雙T型加載的多模諧振器和奇偶模電路Fig.3 Proposed multi-mode resonator loaded asymmetric double T-shaped stubs and equivalent circuit models

根據傳輸線理論,可得到奇模的輸入導納為:

Yin_odd=-jY1cotθ1

(10)

奇模在輸入導納為零時產生諧振,可以得到奇模諧振條件為式(11)所列:

cotθ1=0

(11)

根據式(11),奇模諧振頻率完全由枝節L1進行控制。對于圖3(c)所示的偶模,輸入導納為式(12)所列:

(12)

通過化簡,并假設Y1=Y2,得到偶模諧振條件為式(13)所列:

tanθ1+tan(θ2+θ3)+tan(θ4+θ5)=0

(13)

根據式(11)和式(13),可設計具備三模特性的多模諧振器,諧振特性和電流分布如圖4所示。諧振器偶模由加載枝節L3和L5控制,如圖5所示。

圖4 多模諧振器的諧振模式和電流分布Fig.4 Resonant frequencies of the proposed multi-mode resonator and current distributions at resonant frequencies

圖5 頻率與枝節長度的關系Fig.5 Resonant frequencies with varied stub lengths

2.2 雙階躍阻抗多模諧振器

團隊在經典發卡諧振器的基礎上,通過不均勻阻抗分布技術和去耦合技術,提出了雙階躍阻抗雙模諧振器[16]如圖6所示,諧振模式電流分布圖見圖7。由于該諧振器為對稱結構,為便于分析,將其中心對稱線分別設置為電壁和磁壁,如圖6(b)所示,就分別得到了奇模諧振電路和偶模諧振電路,如圖6(c)和(e)所示。在奇模諧振電路中,根據諧振原理,(Z3,θ3)傳輸線對奇模諧振無影響,因此奇模諧振電路可化簡為圖6(d)。

圖6 團隊提出的雙階躍阻抗諧振器Fig.6 Proposed double stepped-impedance resonator

圖7 諧振模式電流圖Fig.7 Current distributions at resonant frequencies

根據傳輸線理論和奇偶模理論,可以計算出諧振電路的奇模輸入導納Yin-odd和偶模輸入導納Yin-even分別為式(14)與式(15)所列:

(14)

(15)

根據諧振時的輸入導納為零的原則,并通過簡化和計算,可以得到奇模諧振頻率fin_odd和偶模諧振頻率fin_even分別為式(16)與式(17)所列:

(16)

(17)

其中,εe1、εe2和εe3分別是(Z1,θ1),(Z2,θ2)和(Z3,θ3)傳輸線的有效介電常數。從式(16-17)可得偶模諧振頻率可通過電長度θ3進行獨立調控,而不改變奇模諧振頻率。

3 高溫超導陷波濾波器設計

新疆天文臺的25米射電天文望遠鏡工作波段之一為L波段,但在該波段受到GPS信號和地面移動通信信號的嚴重干擾,影響了其性能和相關科學工作的開展?？紤]到寬帶特性、低溫空間的小體積以及干擾信號的抑制,恢復已被干擾的射電天文望遠鏡的探測能力,團隊基于寬帶特性和小型化需求,提出一款新型非對稱雙T型枝節加載的多模諧振器,并在陷波形成的理論指導下,設計了兩款高溫超導單陷波寬帶濾波器和一款高溫超導雙陷波寬帶濾波器。設計的高溫超導陷波寬帶濾波器采用的介質基板均為氧化鎂(MgO),介電常數為9.78,基板厚度為0.5mm,電路加工后均在77K低溫條件下進行測試。團隊設計的單陷波寬帶濾波器在新疆天文臺25米射電天文望遠鏡的干擾場景中進行了試用,結果顯示,設計的陷波濾波器具備明顯的電磁抗干擾能力。

本部分內容介紹的前兩款濾波器均采用非對稱雙T型枝節加載的多模諧振器設計,合適的耦合產生了優異帶內波紋的寬帶響應,內嵌彎折陷波單元實現了窄帶陷波響應,源負載耦合方式獲得了零點響應以提高通帶選擇性。最后一款濾波器采用雙階躍阻抗諧振器設計,借助階躍阻抗諧振器特性產生了寬阻帶的響應,下面具體介紹。

3.1 單陷波寬帶濾波器

該濾波器拓撲圖和實物圖見圖8,尺寸大小為0.318λg×0.247λg。仿真和實測結果見圖9,帶寬為1GHz～2GHz,相對帶寬為66.7%,插損優于0.2dB,回波損耗優于19dB。彎折饋線和耦合產生了一對傳輸零點提高了通帶選擇性,阻帶抑制度為20dB。陷波位于1.805GHz,相對帶寬為0.56%,抑制度為25dB[2]。團隊將圖8所示的濾波器進行了拓撲結構的改變,進而開展了尺寸小型化和稍寬陷波帶寬的設計工作[3],此工作本文不再贅述。

圖8 單陷波高溫超導濾波器拓撲圖和實物圖Fig.8 Layout and photograph of the proposed wideband HTS filter with a narrow notched-band

圖9 單陷波高溫超導濾波器仿真與實測S參數響應Fig.9 Simulated and measured S-parameters responses of the fabricated wideband HTS BPF with a narrow notched-band

3.2 雙陷波寬帶濾波器

為了抑制L波段內的GPS L1頻段和1.8GHz地面移動通信頻段的干擾,團隊在上述工作[2-3]的基礎上開展了高溫超導雙陷波寬帶濾波器的研究和設計。該濾波器拓撲圖和實物圖如圖10所示,陷波頻率可由枝節L15和L17分別調控。仿真和實測結果見圖11,帶寬范圍為1GHz～2GHz,插損優于0.47dB,由于加工誤差,仿真結果為22dB的回波損耗實測為14dB。由彎折饋線和耦合產生了五個傳輸零點(transmission zero,TZ),將阻帶抑制度改善到20dB以上,通帶矩形系數(BW-40dB/BW-3dB)為1.2,具備很好的通帶選擇性。陷波位于1.575GHz和1.82GHz,相對帶寬為0.56%和0.54%,抑制度均達到了30dB,可以很好地對干擾信號進行抑制。

圖10 提出的雙陷波高溫超導寬帶濾波器拓撲圖和實物圖,Fig.10 The fabricated wideband HTS filter with two notched-band

圖11 雙陷波高溫超導濾波器的仿真和實測S參數Fig.11 Simulated and measured S-parameters responses of the fabricated wideband HTS BPF with two narrow notched-band

3.3 單陷波多通帶濾波器

為滿足射電天文望遠鏡同時對多個射電源信號的獨立接收需求,并對通帶內的1.8GHz地面移動通信信號干擾的抑制,團隊基于雙階躍阻抗雙模諧振器開展了高溫超導單陷波多通帶濾波器的研究和設計。

陷波單元的耦合強度可以調控陷波相對帶寬,其電長度可以調控陷波頻率。整個陷波濾波器的拓撲結構和S參數響應如圖12和圖13所示。

圖12 高溫超導單陷波多通帶濾波器拓撲圖Fig.12 Layout of the HTS filter with a narrow notched-band and multi-bandpass

圖13 S參數響應Fig.13 S-parameters responses

陷波單元與主諧振器間的耦合關系產生了一對傳輸零點,獲得了很好的陷波特性。同時,兩個通帶因耦合關系各產生了一個傳輸極點,這一特性不僅增強了陷波的衰減特性,同時增強了通帶的選擇特性。陷波濾波器三個通帶的中心頻率分別為1.775GHz、1.89GHz和2.45GHz,通帶相對帶寬分別為3.49%、3.09%和3.47%。陷波的中心頻率為1.83GHz,相對帶寬為3.06%,陷波抑制度達到27dB,阻帶倍頻程以抑制度為23dB延展至3.94fodd[16]。其寬阻帶產生的機理為:階躍阻抗諧振器由于其阻抗分布的不均勻性產生了有效介電常數改變的結果,根據諧振原理,進而其諧振器本身具備將高次諧波推高至離基模更遠的頻率處的能力,同時該濾波器設計的饋電方式對諧振器高次諧波的激勵較弱,特別是偶模的二次和三次諧波沒有被有效激勵,使得設計的濾波器阻帶較寬,可以延展至近4倍頻處,獲得了較好的寬阻帶效果。

4 結論

本文介紹了研究團隊近年在具備電磁抗干擾能力的高溫超導陷波濾波器和射電天文應用方面的研究工作,介紹了基于非對稱雙T型枝節加載和雙階躍阻抗的多模諧振結構在寬頻帶和多頻帶小型化的陷波濾波器中的研究和設計。相較于普通材料,高溫超導材料能夠有效地減少插入損耗,進而提高射頻前端的靈敏度,增強接收系統對微弱電磁信號的探測。同時,陷波的設計能夠很好地抑制接收頻段內的電磁干擾,提升系統的抗干擾能力。因此,本文的研究工作在電磁環境復雜惡化的現代和未來射電天文以及深空探測的電磁抗干擾和高靈敏度系統中具有一定的應用前景。下一步,隨著科學研究需求和無線電通信系統的增多,基于寬帶單/雙陷波和多頻帶單陷波的工作,將開展多頻帶多陷波技術的研究和應用,以適應不斷復雜變化的電磁環境和應用需求。