移动通信GSM900系统用高温超导滤波器设计与测试

第25卷第2期低 温 物 理 学 报V ol.25,N o.2 2003年5月CHI NESE JOURNA L OF LOW TE MPERAT URE PHY SICS May,2003移动通信G S M900系统用高温超导滤波器设计与测试Ξ何文俊 曹必松 张晓平 魏　斌朱美红 张国勇 姚克闲 郜龙马郭旭波 何　山 尹哲胜 高葆新1清华大学物理系,清华大学材料科学与工程研究院,北京　100084　1清华大学电子工程系,北京　100084 本文研究设计了应用于移动通信中使用最广泛的G S M900系统的12节高温超导微带滤波器.由于采用新型谐振器结构,该滤波器具有结构紧凑、带边陡峭的优点.滤波器的中心频率为902.5MH z,带宽25MH z.在50K的测试温度下实验结果与设计结果较好地符合,通带内插入损耗小于0.25dB.基于测试结果,本文还详细讨论了基片的介电常数和测试温度对滤波器中心频率的影响.关键词:高温超导,微带带通滤波器,移动通信系统PACC:74.72.2h,84.30.Vn,84.40.Ua1引 言近年来我国移动通信迅猛发展,用户人数逐年急剧上升.目前采用的G S M移动通信网络系统由于容量有限,随着用户数目的增加,通话质量降低,掉线率增加等现象日益突出.新兴的数据通信业务例如无线上网、彩信等加重了现有网络系统的负担.如何增加现有G S M 网络系统的通话容量和提高服务质量成为各个电信运营商所面临的一个重要问题.解决这个问题最直接的方法是增加移动通信基站的数量.但由于新建基站的成本过高,因而提高单个基站的性能更加切实可行,高温超导滤波器系统就是途径之一[1].在移动通信的频率下,高温超导薄膜的表面电阻比常规金属低两个数量级以上,利用高温超导薄膜制备的微带滤波器与常规金属滤波器比较具有通带插损小,带边陡峭度高,带外抑制大等优点.将高温超导滤波器系统应用于移动通信基站接收机前端,可以大大改善基站接收信号的质量.高温超导滤波器的这些优点对于提高移动通信基站的性能是非常有效的.目前世界上有多个国家的科学家对此进行了广泛深入的研究[2～5].欧洲和日本分别对第三代移动通信系统WC D2 MA[2]和I MT22000[3]系统进行了高温超导滤波器的设计研究.美国则有包括STI、C onductus等Ξ国家自然科学基金资助项目(60071005&60171016).　收稿日期:2003202219;修回日期:2003203220几个公司专门从事该领域的研究并且在市场开拓方面走在了前面.本文所讨论的12节高温超导微带滤波器是专门针对我国目前使用最广泛的G S M移动通信系统进行设计的,滤波器通带890～915MH z也是目前主要的移动通信频段之一.所设计的滤波器由于采用了新型的谐振器结构,具有结构紧凑、带边陡峭等优点.2设 计滤波器的设计主要是通过E M模拟计算软件S onnet8.0完成的.本文所讨论的高温超导微带滤波器的通带是890～915MH z,相对带宽2.8%.我们采用的是介电常数为23.75的LaAlO3基片.由于它的介电常数较大,可以大大减小微带滤波器的尺寸,从而有效降低成本.采用C型结构的谐振器平行排列组成滤波器.采用这种谐振器的优点是使滤波器结构更加紧凑,有效的减小基片和薄膜的尺寸.此外由于使用新型的谐振器结构,在切比雪夫原型滤波器的基础上,在滤波器的低频端引入了陷波点,进一步提高了陡峭度,这种被称为准椭圆函数原型的滤波器传输特性近来被广泛使用.微带滤波器设计过程中要确定的参数包括馈线的位置L和相邻谐振器之间的距离S.以切比雪夫函数为原型,根据滤波器所要求的带宽,可以计算出原型电路各个元件的g参数[6].相邻谐振器之间耦合系数K以及外部Q值可以根据式(1)和式(2)代入g参数得到[6]M i,i+1=FBWg i g i+1(1)Q ex0=g1 FBWQ exn=g nFBW(2) 式中F BW表示滤波器的相对带宽,g i代表第i项g参数,M i,i+1表示第i个和第i+1个谐振器之间的耦合系数,Q ex0和Q exn分别代表输入和输出的外部Q值,通常这两者是一样的.超导滤波器不同的几何参数S和L分别对应不同的M和Q.在S onnet中模拟计算不同间距的耦合谐振器和不同位置的馈线,使S和L分别符合我们根据式(1)和(2)所计算得到的M和Q.计算公式如式(3)和式(4)所示[7]M i,i+1=f22-f21f22+f21(3)Q ex=f cΔf(4) 式中f1和f2表示相邻谐振器在一定的间距S时耦合产生的奇偶模的频率,f c和Δf分别为馈线耦合时的谐振器中心频率和谐振峰下降3dB所对应的频率宽度.通过上述步骤,我们可以确定微带滤波器的各项几何参数的初值.但是由于在滤波器中不仅存在谐振器之间的相邻耦合,也存在非相邻耦合.正是由于非相邻耦合的存在,使得滤波器的设计工作变得复杂.在确定初值的基础上需要进一步调节各个几何参数以得到最终符合要求的设计结果.我们使用S onnet8.0对设计的结果进行仿真计算[8],通过反复的参数601 低 温 物 理 学 报 25卷调节,得到符合设计要求的滤波器特性曲线.设计结果如图1所示.设计结果通带890～915MH z ,带内插入损耗和波纹均小于0.1dB ,S11大于16dB ,带边陡峭度分别达到高端12dB/MH z 和低端15dB/MH z ,带外抑制大于65dB.图2显示的是从400MH z 到1700MH z 宽频扫描的结果,从图中可以看出滤波器在通带的两侧都有陷波点,提高了带边陡峭度,并且在二倍频处出现一个寄生通带.图1　12节G S M900超导滤波器的设计结果 图2　12节G S M900超导滤波器的宽频扫描结果 图3　设计结果和测试结果的比较 图4　基片介电常数和滤波器中心频率的关系3实验结果与讨论超导滤波器的制备采用基片为LaAlO 3的双面Y BC O 超导膜,膜厚为700nm.基片的相对介电常数E r 为23.75,基片厚度为0.51mm.在基片正面的Y BC O 超导膜上采用光刻和Ar 离子刻蚀的方法刻出滤波器图形,基片和超导膜的大小为21mm ×32mm.滤波器被封装在无氧铜加工而成的屏蔽盒内.测试过程中使用斯特林制冷机(LEY BO LD ltd.,6W @77K )对超导滤波器制冷,并用Agi 2lent 8720ES 矢量网络分析仪测量.图3显示了设计结果和50K 温度下测量结果之间的比较.测得的滤波器中心频率为899MH z ,通带内的插入损耗和波纹分别小于0.25dB 和0.22dB ,反射损耗大于14dB.带边陡峭度高端和低端都达到11dB/MH z ,带外抑制大于60dB.从图上可以看到,除了中心频率略有偏移,测量结果和设计结果整体形状符合的比较好.频率的偏移原因主要来源于LaAlO 3基片介电常数的偏差.我们在设计过程中将不同的基片介电常数代7012期何文俊等:移动通信G S M900系统用高温超导滤波器设计与测试入程序进行计算,并将超导滤波器中心频率与基片介电常数的关系绘制成图4.基片介电常数减小时超导滤波器的中心频率上升.图5　测试温度和滤波器中心频率的关系在不同的测试温度下我们测量了超导滤波器的中心频率,结果发现温度也对频率的偏移产生影响.当温度降低的时候超导滤波器的中心频率也上升,图5显示的是测试温度和中心频率的关系,这与已发表的文章中提到的规律一致[9].4结 论我们设计并制作了应用于G S M900系统的12节高温超导微带滤波器.本文详细介绍了滤波器的设计思路和具体的测试结果.测试结果较好的符合了设计结果.本文还给出了基片的介电常数和测试温度对超导滤波器的中心频率的影响.[1]David G.Sm ith and Vinod K.Jain ,“Superconducting Filters for W ireless C ommunications :A Reappraisal ”,IEEE Trans.Appl.Supercon ,9(2)(1999),4010～4013.[2]Sergei K oles ov ,Bachtior Am inov ,Heinz Chaloupka ,Thomas K aiser ,etc.“Cry ogenic BTS receiver front end dem onstrator ”,230～232,P orc.30th European M icrowace C on ference ,2000.[3]Hattori W ,Y oshitake T ,T akahashi K.“An HTS 212pole m icrostrip filter for I MT 22000base stations with steep attenuation ”,IEEE Trans.Appl.Supercon ,11(3)(2001),4091～4094.[4]Hieng T iong Su ,Frederick Huang ,M ichael ncaster.“Highly M iniature HTS M icrowave Filters ”,IEEE Trans.Appl.Supercon ,11(1)(2001),349～352.[5]D ong 2Chul Chung ,By oung 2Sung Han.“HTS M icrostrip Filters using H 2T ype Res onators ”,IEEE Trans.Appl.Supercon ,11(1)(2001),388～391.[6]G eorge L.M atthaei ,Leo Y oung ,E.M.T.Jones ,“M icrowave Filters ,Im pedance 2M atching Netw orks ,And C oupling S truc 2tures ”,85～95,New Y ork ,M cRraw 2Hill ,1964.[7]Jia 2Sheng H ong ,M ichael ncaster.“Design of Highly Selective M icrostrip Bandpass Filters with a S ingle Pair of Attenua 2tion P oles at Finite Frequencies ”,IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,48(7)(2000),1098～1107.[8]E M User ′s M anual ,S onnet S oftware ,Inc.,Version 7,2001.[9]G uoy ong Zhang ,M eihong Zhu ,Bis ong Cao ,etc.“Design and Performance of a C om pactF orward 2C oupled HTS M icrostripFilter for a G S M System ”.IEEE Trans.Appl.Supercon ,12(4)(2002),1897～1901.801 低 温 物 理 学 报 25卷901 2期何文俊等:移动通信G S M900系统用高温超导滤波器设计与测试DESIGN AN D EXPERIMENT OF ANHTS FI LTER FOR G SM2900MH zMOBI LE BASE STATIONSΞH E W E N2J UN C AO B I2S ONG ZH ANG X IAO2P IN W EI B IN ZH U M EI2H ONGZH ANG G UO2Y ONG Y AO K E2X IAN G AO L ONG2M A G UO X U2B OH E SH AN Y IN ZH E2SH E N G AO B AO2X IN1Department o f Physics,School o f Materials Science and Engineering,Tsinghua Univer sity,Beijing　100084　1Department o f Electrical Engineering,Tsinghua Univer sity,Beijing　100084(Received19February,2003;revised manuscript received20M arch,2003) An HTS microstrip band2pass filter with central frequency902.5MH z and25MH z bandwidth was designed、fabricated and measured specially for G S M900MH z M obile Base Station System.New res onator structure is used to make the filter m ore com pact and selective.The experimental results had a g ood agreement with the simulation re2 sults.The passband insertion loss is less than0.25dB.Based on experimental results, the influences of the dielectric constant of substrates and the experimental tem perature on central frequency are presented.K eyw ord:HTS,microstrip bandpass filter,m obile communication systemPACC:74.72.2h,84.30.Vn,84.40.UaΞProject Supported by the National Natural F oundation of China(G rant N os.60071005and60171016)。