计算机模拟在高温超导滤波器调谐中的应用

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1、第25卷增刊2003年10月计算机模拟在高温超导滤波器调谐中的应用'何山张晓平朱美红曹必松姚克贤高葆新#郭旭波何文俊尹哲胜清华大学物理系，北京1（X1084"淸华大学电子工程系，北京100084本文通过使用电磁模拟软件对滤波器的滤波特性和电磁场分布进行了研究，模拟结果显示通过插入介质钉可以在基本不影响滤波器带内特性的条件下实现中心频率可调.在研究了螺钉对谐振器和谐振器间耦合的影响后，我们对一5节前向耦合型带通超导滤波器的调谐特性进行了模拟计算，其中心频率为3030MHz,带宽220MHZ，中心频率可调范围+20MHz.对另一4节C形滤波器

2、调谐计算显示，其中心频率2190MHz,带宽55MHz,中心频率可调范围±4MHz.1引言由于高温超导滤波器性能优越，而又同时兼具体积小、重量轻的优点，它的实用化必将获得很大的市场.如美国的ST1公司，其滤波器子系统已经开发的相当完善,销售对象除美国外，还冇欧洲、日本和韩国，这些滤波器在移动通信基站的使用取得了很好的效果•然而当前朿缚高温超导滤波器实用化的一个重要因素,便是由于制作工艺的局限性而导致滤波器与设计结果相比产生了工作频带偏移和性能下降，特别是对于窄带滤波器这一矛盾更显得尤为突出，因此制作完成后的调谐过程也就变得越来越垂要.目前

3、较为常用的实现中心频率可调谐滤波器的方法主要有改变基片的介电常数、改变谐振器屮电容值、附加调谐介质"J和加入调谐螺钉撚而前三种方法或是影响了带内性能或是设备过于复杂，都不适于实用化•我们通过使用电磁模拟软件HESS对滤波器的电磁场分布进行了研究,并在此基础上进行了使用介质螺钉调谐微带线超导滤波器的理论研究，以期望为调谐螺钉的放置位置寻找一条理论依据.我们也对一些使用Sonnet软件结合最新的滤波器设计思路设计出的滤波器使用HFSS进行了模拟计算,模拟结果显示这种调谐方法可在基本上不影响滤波器带内的条件下实现中心频率可调.*国家自然科学基金

4、（项目编号：60071005,60171016）资助的课题.2谐振器和耦合谐振器调谐对于一段半波长微带线构成的谐振器而言,其电磁场分布总体来看一般满足：电场主要分布在微带线的两个开口端，磁场主要分布在中部，见图1.然而对于不同的微带谐振器形状,其电磁场分布会有或多或少的差别.甚至形状完全相同的两个谐振器，当其耦合方式不同时，电磁场分布也会有较大的变化.对于单个谐振器，可以把谐振器的开口端看作电容，屮间部分看作电感，谐振频率和介质的介电常数间满足关系(i)1_/d_■Tc*谐振频率与介电常数方根成反比，因为介质棒增加了有效介电常数从而降低了

5、谐振频率;从微带线方面讲，插入介质棒使其附近的电场变强，从而增加了微带线的电长度，如果把微带线上波长看为定值，由公式777THI少川©FT曲］［用［百微带谐振器在谐振频率下的电磁场分布我们使用IIFSS对一L形谐振器进行模拟，其结果如图2所示.可见不论在何处插入介质螺钉都会使谐振频率或多或少的向低端偏移，而偏移的人小跟介质棒的高度和位置有关.由于P=X忌E（3）所以电场越强介质内的极化强度越大,极化越剧烈使得外部的总电场增加的越多•因此将介质钉放在电场越强的谐振器开口端，谐振频率降低的也就越多.UP二密图2加螺钉前后谐振器模拟结果O84

6、图3加螺钉前后的耦合谐振器模拟结果oooQO0O-27V-8I00I2对于微带耦合谐振器，图3显示了介质螺钉在不同位置对L形滤波器对的影响，其结果见表1・表1加入介质棒前后的耦合谐振器模拟结果样式Sonnet结果HFSS结果HFSS拐弯处加螺钉HESS低开U端=加螺钉HESS高开口端加螺钉中心频率/MHz1886.91882.41862.71888.01889.0耦合系数0.012220.006010.025740.01165图4两节耦合谐振器的集总参数等效电路：(a)电耦合(b)磁耦合这是因为对于两个相互耦合的谐振器，我们可以用图中的集

7、总电路来研究它•其中图(a)对应着电耦合，即两个谐振器电场分布强的部分互札［耦合，图(b)对应着磁耦合.由此电路我们可以得出耦合的奇偶模参数•对于屯耦合其奇偶模角频率分别为2_*'S-厶C(1一Q./C)2_!叫一AC(1+C&/C)丿对于磁耦合为1-L/LkLCI+I。/1%LC当插入介质螺钉后，G会增大，则叫会增大，轴会减小•因为耦合系数和中心角频率为,叫一叫+轴/八k=/、co=z⑹所以如果插入介质钉的部分耦合以电耦合为主则叫-cu(｛和5+轴都会增大，耦合强度和中心频率会增大;以磁耦合为主则会减小•3带通滤波器调谐我们对一5节前向

8、耦合型⑷带通超导滤波器调谐进行了模拟计算，其中心频率为3030MHz,带宽220MH，见图5.在其中间谐振器的中部和一端加入介质螺钉，得到计算结果如图6.由此结果可以验证，在谐振器开口端的强电