Ein supraleitender Doppelpassbandfilter basierend auf einer neuen D-CRLH-Resonatorstruktur

Zusammenfassung: Basierend auf der neuen Dual-Mode-Dual-Composite-Linkshänder-Resonatorstruktur (D-CRLH) wird ein Hochtemperatur-Supraleiterfilter mit Doppelpassband vierter Ordnung entworfen. Der Filter besteht aus gleichmäßigen, spiralförmig gekoppelten Mikrostreifenleitungen mit halber Wellenlänge . Dieser Filter ermöglicht eine unabhängige Steuerbarkeit der Mittenfrequenz und des Kopplungskoeffizienten der beiden Durchlassbänder und erhöht so den Freiheitsgrad des Filterdesigns. Der physikalische Schaltkreis des gesamten Filters ist auf einem supraleitenden Film DyBa2Cu3O7 (Dysprosium-Barium-Kupferoxid) auf einem 0,5 mm dicken MgO-Substrat (Magnesiumoxid) ausgelegt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Filter gute Inband-Eigenschaften mit Mittenfrequenzen von 1221 MHz und 1588 MHz und relativen Durchlassbandbreiten von 1,06 % bzw. 2,64 % aufweist.

1. Einleitung

Der Oberflächenwiderstand supraleitender Materialien ist im Hochfrequenz-/Mikrowellenfrequenzband etwa zwei bis drei Größenordnungen niedriger als bei herkömmlichen Metallmaterialien, und der Verlust bei Hochfrequenzen beträgt nahezu Null. Da der entworfene Hochtemperatur-Supraleiterfilter die Vorteile einer hohen Flankensteilheit, einer guten Außerbandunterdrückung und einer geringen Einfügungsdämpfung aufweist, weisen Filter, die unter Verwendung von Hochtemperatur-Supraleitermaterialien entwickelt wurden, Vorteile bei der Mikrowellenleistung auf, die herkömmliche Geräte nicht erreichen können [1] .

Es gibt viele Entwurfsmethoden für Doppelpassbandfilter: Im Jahr 2010 entwarfen Yong Heng et al. einen Doppelpassbandfilter auf einem hochtemperatursupraleitenden YBCO-Film (Yttrium-Barium-Kupferoxid) mithilfe einer Bandpass-Bandstopp-Kaskade. [2] Im Jahr 2022 entwickelten Qin Chu und andere einen Doppelpassbandfilter unter Verwendung einer Bandsperre-Tiefpass-Kaskade. Obwohl diese Methode in der Designtheorie relativ einfach ist, erhöht sie die Größe des Filters, was der Miniaturisierung nicht förderlich ist, und der zusätzliche Verlust, der durch die Anpassung der beiden Filter entsteht, muss ebenfalls berücksichtigt werden [3]. Im Jahr 2018 entwickelten Pengyu Ma und andere einen Dual-Passband-Filter unter Verwendung einer neuen Kopplungsmatrixtechnologie. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die Logik klar ist, die Kopplungsmatrix jedoch oft komplex und schwer zu implementieren ist [4]. Im Jahr 2013 schlugen Li Gao et al. einen Doppelpassbandfilter vor, der auf einem Stub-Loaded-Viermoden-Resonator basiert [5]. Im Jahr 2018 entwarfen Zhang Yunxia und andere einen Doppelpassbandfilter, der auf einem neuen Typ eines T-förmigen, verzweigtgeladenen Ringresonators mit offenem/Kurzschluss basiert. Obwohl diese Methode die Größe des Filters reduziert, kann sie die Bandbreite jedes Durchlassbands nicht unabhängig steuern [6].

In diesem Artikel wird ein supraleitender Hochtemperaturfilter mit zwei Passbändern vierter Ordnung vorgestellt. Die Mittenfrequenzen der beiden Durchlassbänder dieses Filters betragen 1221 MHz bzw. 1588 MHz und die Durchlassbandbreiten betragen 13 MHz bzw. 42 MHz. Um die Designanforderungen zu erfüllen, wird zunächst eine linksseitige Dual-Mode-Dual-Composite-Resonatorstruktur vorgeschlagen, die Resonanzeigenschaften der Resonatorstruktur analysiert und dann die Kopplung zwischen den Resonatoren und die Kopplung zwischen der Einspeisung und dem Resonator analysiert und schließlich der physikalische Gesamtaufbau und die Simulation von Schaltungen.

2Resonatordesign und -analyse

Diese Arbeit erfordert, dass die Mittenfrequenzen der beiden Durchlassbänder des Filters 1221 MHz bzw. 1588 MHz betragen. Um die Anforderungen zu erfüllen, wird in diesem Artikel die Prototypimplementierung des Tschebyscheff-Filters im Tiefpassdesign übernommen. Gemäß der umfassenden Theorie der verallgemeinerten Kopplungsmatrix [7–9] können der Kopplungskoeffizient und der externe Qualitätsfaktor wie in Abbildung 1 dargestellt erhalten werden.

Tabelle 1 Kopplungskoeffizient und externer Qualitätsfaktor des Doppelpassbandfilters

Passband	K1,2=K2,1	K2,3=K3,2	Qe
1	0,0155	0,0106	9.871
2	0,022	0,0182	14.891

Entsprechend den Designanforderungen schlägt dieses Papier eine neue D-CRLH-Resonatorstruktur vor, wie in Abbildung 1 dargestellt. Der Resonator besteht aus zwei Teilen, die den orangen und gelben Teilen in der Abbildung entsprechen. Beide Teile sind durch gleichmäßige spiralförmige Mikrostreifenleitungen mit halber Wellenlänge miteinander gekoppelt. Diese Resonatorstruktur kann zwei Resonanzfrequenzen anregen, die als f1 bzw. f2 aufgezeichnet sind. Der orangefarbene Teil der Resonatorstruktur regt eine Resonanzfrequenz an, die f1 ist, und der orangefarbene Teil kann unabhängig eine Resonanzfrequenz anregen. Anschließend wird unterhalb des orangefarbenen Teils eine gleichmäßige, spiralförmig gekoppelte Mikrostreifenleitung mit halber Wellenlänge derselben Struktur angeschlossen, die dem gelben Teil in der Abbildung entspricht. Der gelbe Teil kann auch unabhängig eine Resonanzfrequenz anregen, die f2 ist.

Abbildung 1 Schematische Darstellung eines Dual-Mode-Resonators

Aus dem simulierten Stromverteilungsdiagramm in Abbildung 2(a)(b) lässt sich auch schließen, dass sich der Strom bei einer Resonanzfrequenz von f1 hauptsächlich im orangefarbenen Teil des Resonators verteilt. Bei einer Resonanzfrequenz von f2 beträgt der Strom ist hauptsächlich im Resonator verteilt. Der gelbe Teil stimmt mit den obigen Analyseergebnissen überein. Wie in Abbildung 3 dargestellt, wirkt sich eine Änderung der physischen Größe von L1 auf den Wert von f1 aus, und eine Änderung der physischen Größe von L2 wirkt sich auf den Wert von f2 aus. Durch unabhängige Anpassung der physikalischen Abmessungen der orangefarbenen und gelben Teile dieses Resonators können daher die entsprechenden Resonanzfrequenzen der beiden Durchlassbänder unabhängig voneinander abgestimmt werden, um die Designanforderungen dieser Arbeit zu erfüllen.

Abbildung 2(a) Simuliertes Stromverteilungsdiagramm bei f1. (b) Simuliertes Stromverteilungsdiagramm bei f2.

(A)

 (B)

Abbildung 3(a) Beziehung zwischen f1 und L1. (b) Die Beziehung zwischen f2 und L2.

Der Doppelpassbandfilter muss auf einem 2 Zoll großen supraleitenden DyBa2Cu3O7-Film auf einem 0,5 mm dicken MgO-Substrat entworfen werden. Die Dielektrizitätskonstante des MgO-Substrats beträgt 9,68. Die Berechnung der Längenparameter der Mikrostreifenleitung basiert hauptsächlich auf Formel (1):

                       (1)

Dabei ist f0 die Mittenfrequenz des Filters, c die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im freien Raum und εeff das effektive Medium des supraleitenden Mikrostreifen-Schaltkreissubstrats.

elektrische Konstante. Gemäß den Indexparametern dieser Arbeit wird die erforderliche Mikrostreifenleitungslänge durch Gleichung (1) berechnet und dann durch Softwaresimulation zur elektromagnetischen Vollwellensimulation die Frequenzgangkurve eines einzelnen Resonators unter schwacher Kopplung erhalten, wie in gezeigt Figur 4.

 

Abbildung 4 Frequenzgangkurve eines einzelnen Resonators

3-Filter-Design

3.1 Kopplung zwischen Resonatoren

Es gibt zwei Kopplungspfade zwischen den beiden Resonatoren, nämlich die Kopplung über S1 und die Kopplung über S2, wie in Abbildung 5(a) dargestellt. Die Kopplungsfrequenzgangkurve und die Phasenkurve der beiden Resonatoren sind in Abbildung 5(b) dargestellt. Jeder Resonator regt zwei Resonanzfrequenzen an, nämlich f1,1, f2,1, f1,2 und f2,2, und die Phasen in in der Mitte des Resonanzpeaks sind alle positiv, was darauf hinweist, dass es sich bei der Kopplung zwischen den beiden Resonatoren um eine magnetische Kopplung handelt. Aus dem simulierten Stromdichteverteilungsdiagramm in Abbildung 2 lässt sich auch schließen, dass bei einer Resonanzfrequenz von f1 oder f2 der Strom hauptsächlich um die Peripherie der spiralgekoppelten Mikrostreifenleitung des Resonators verteilt ist, während die Stromverteilung am geringsten ist in der Mitte des Resonators. Daher kann auch nachgewiesen werden, dass die Kopplung zwischen den beiden Resonatoren eine magnetische Kopplung ist. Der Kopplungskoeffizient zwischen benachbarten Resonatoren basiert auf den Formeln (2) (3):

        (2)

        (3)

(A) 

 

(B)

Abbildung 5(a) Dual-Mode-Resonator-Kopplungslayout. (b) Frequenzgangkurve und Phasenkurve des gekoppelten Resonators

Abbildung 6(a)(b) zeigt die Simulationsergebnisse des Kopplungskoeffizienten und des Resonatorabstands zweier benachbarter Resonatoren im Durchlassband. Aus Abbildung 6 ist ersichtlich, dass mit zunehmendem S1 der Kopplungskoeffizient des ersten Durchlassbands kleiner wird, während der Kopplungskoeffizient des zweiten Durchlassbands im Wesentlichen unverändert bleibt. Mit steigendem S2 wird der Kopplungskoeffizient des zweiten Durchlassbandes kleiner, während der Kopplungskoeffizient des ersten Durchlassbandes grundsätzlich unverändert bleibt. Dies steht im Einklang mit der vorherigen Ergebnisanalyse. Die Größen von S1 und S2 können unabhängig voneinander angepasst werden, um die Designanforderungen des Filterkopplungskoeffizienten zu erfüllen, was den Freiheitsgrad des Filterdesigns erhöht.

(A)

(B)

Abbildung 6 (a) Beziehung zwischen Kopplungskoeffizient und S1 (b) Beziehung zwischen Kopplungskoeffizient und S2

3.2 Externer Qualitätsfaktor

Aus der obigen Analyse können die physikalische Größe und der Kopplungskoeffizient der Filterstruktur bestimmt werden. Als nächstes müssen der externe Qualitätsfaktor und die entsprechende Feeder-Position bestimmt werden. Die Frequenzgangkurve des externen Qe-Werts ist in Abbildung 7 dargestellt, und die Berechnung des Qe-Werts wird durch Gleichung (4) bestimmt.

             (4)

Abbildung 7: Frequenzgangkurve des externen Qe-Werts des Filters

Dabei repräsentiert f0 die Mittenfrequenz des Durchlassbands und ∇f3dB die Bandbreite bei -3 dB. Der Filter verwendet die externe Kopplungsmethode der gebogenen Hahnzuführung, wie in Abbildung 8 dargestellt. Die externen Qualitätsfaktoren Qe1 und Qe2 der beiden Durchlassbänder hängen hauptsächlich mit h zusammen, und ihre Beziehung ist in Abbildung 9 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die externen Qe-Werte des ersten Durchlassbands und des zweiten Durchlassbands gleichzeitig mit zunehmendem h-Wert zunehmen. Daher wird beim Entwurf eines Filters der entsprechende h-Wert basierend auf der Bandbreite des Filters bestimmt.

Abbildung 8 Externes Kopplungslayout

Abbildung 9 Die Beziehung zwischen Qe und h

3.3 Simulationsergebnisse und Analyse filtern

Auf einem doppelseitigen hochtemperatursupraleitenden DyBCO/Magnesiumoxid/DyBCO-Substrat mit einer Dicke von 0,5 mm und einer Dielektrizitätskonstante von 9,68 befinden sich die Dual-Mode-Resonatorstruktur basierend auf Abbildung 1 und die Bent-Tap-Feeder-Struktur in Abbildung 8 Wird zum Entwurf eines Hochtemperatur-Supraleiter-Doppelpassbandfilters vierter Ordnung verwendet, wie in Abbildung 10 dargestellt. Die Gesamtgröße des Filters beträgt 22,61 x 6,21 mm2. Die Abmessungen des endgültigen optimierten Filters sind: B=0,48, h=2,43, L1=3,28, L2=2,93, W1=0,15, D1=0,35, D2=0,45, D3=0,47, D4=0,53 (Einheit: mm).

Abbildung 10 Layoutdiagramm eines supraleitenden Hochtemperaturfilters mit Doppelpassband

Die Schaltung wird mit einer elektromagnetischen Vollwellen-Simulationssoftware simuliert. Die Ergebnisse sind in Abbildung 11 dargestellt. Die Mittenfrequenzen der beiden Durchlassbänder betragen 1221 MHz bzw. 1558 MHz und die entsprechenden relativen Bandbreiten betragen 1,06 % bzw. 2,64 %. Die Einfügungsverluste betragen beide weniger als 0,15 dB und die Außerbandunterdrückung ist höher als 45 dB.

Abbildung 11 S-Parameter-Antwortkurve

4. Fazit

Es wird ein Hochtemperatur-Supraleiterfilter mit Doppelpassband vierter Ordnung entwickelt, der auf einer Dual-Mode-Dual-Composite-Resonatorstruktur für die linke Seite basiert. Der Dual-Mode-Resonator besteht aus Ober- und Unterteil, die jeweils durch eine Mikrostreifenleitung halber Wellenlänge miteinander gekoppelt sind. Durch Anpassen der entsprechenden physikalischen Parameter der Resonatorstruktur wird die unabhängige Gestaltung der Mittenfrequenz und Bandbreite der beiden Durchlassbänder des Filters mit einem hohen Maß an Gestaltungsfreiheit vervollständigt.