基本原理

高温超导（HTS）材料出现以来，高温超导微波电路就是一个首要应用领域。沉积在高介电常数的衬底上、具有极低微波表面电阻R_s的高温超导薄膜就是微波电路的理想媒介：在微波频率范围内，在相同条件下高温超导薄膜的微波表面电阻R_s仅为铜的1/10~1/1000。R_s数量级上的提高，意味着低插入损耗或高Q值；高介电常数则意味着体积小、重量轻，便于系统集成和连接。图4-36为超导滤波器特性曲线。

相对于常规金属滤波器和波导滤波器而言，高温超导滤波器有如下优点：

• 高温超导滤波器在通带内插入损耗很小。高性能的超导滤波器，带内最大插损可低于0.3dB，甚至低于0.1dB，而一般金属滤波器的插入损耗为2dB，这主要归功于超导体在微波频段极小的表面电阻R_s，其直接结果就是超导微波器件较小的插入损耗和高Q值。
• 高温超导滤波器具有陡峭的带边和优良的矩形系数。因此，我们可以制作级数很高、图形复杂的滤波器。
• 带外抑制好，可达-100dB以上，这也是得益于高温超导滤波器极高的级数。

设计与实现

超导滤波器实质上是一种微带滤波器，其设计方法与常规滤波器基本相同，主流设计方法为综合法。即根据设计指标要求，从边带陡度、插入损耗等入手，由滤波函数得到频率与响应的函数关系，进而综合得出低通原型滤波器，再经过频率变换得到具体的滤波器电路结构。

超导滤波器主要是微带线性式的滤波器。不同于传统微带滤波器，它的制作材料不是覆铜PCB，而是生长在单晶基片上的双面无损耗超导薄膜，单晶基片的厚度一般为0.5mm，介电常数主要有23.6（LaAlO₃）和9.8（MgO）两种，薄膜的厚度一般为600nm左右。双面超导薄膜的一面采用光刻工艺制作成1μm量级线宽精度的微带电路，另一面作为接地面，为便于封装焊接，上面的接地焊接处还需要制作金属电极，形成超导滤波器芯片，一般封装于特殊金属盒体中。超导薄膜截面示意图如图4-37所示。

参数设计的关键是滤波器拓扑结构的设计，其中高精度模型的建立为高频接收分系统的关键技术之一。在设计拓扑结构时，需关注以下几点：

一、可实现性。一是物理尺寸可实现，目前商用的超导薄膜直径为2in，对于VHF~UHF波段的超导滤波器，单个半波长谐振器的尺寸较大，级数较大的滤波器在物理尺寸上可能无法实现，需进行小型化设计；二是耦合间距的可实现性，宽带超导滤波器需要较大的耦合系数，这就要求谐振器之间的耦合间距极小，但设计实现性要求耦合间距不能接近光刻的精度。

二、寄生耦合的影响。由于超导滤波器芯片微带电路上谐振器的电磁场具有半开放性，非相邻谐振器之间会产生一定的寄生耦合，这些耦合在电路建模中是无法预计的。对于极窄带超导滤波器来说，相邻谐振器之间的主耦合较小，寄生耦合与之相比只差一个量级，往往会造成设计指标与实测指标偏差较大，左右边带不对称，因此，设计窄带滤波器拓扑结构时需消除寄生耦合的影响。

三、承载功率大小。由于超导薄膜具有临界电流密度J_c固有特性，当超导薄膜上承载的电流密度达到J_c时，超导薄膜将出现非线性，表现为电阻率急剧增加，出现交互调分量甚至失去超导电性无法工作。因此，对于有功率泄漏的场合，需关注超导滤波器的功率承载能力参数。

四、寄生通带问题。如果不加以特殊设计，超导滤波器在其通带的2次或3次谐波及以上会出现寄生通带，如果寄生通带正好落在其他敏感频段，往往对其应用造成影响，因此，需要关注寄生通带的问题。

突破的关键技术

功率承载设计技术

超导材料不同于普通导体的一个重要特性就是它存在一个临界电流密度参数。当高温超导器件中的最大电流密度J_max超过了该超导材料的临界电流密度J_c时，将会出现失超现象，此时超导材料的表面电阻R_s将急速增加，从而导致损耗增加，甚至超导电路崩溃。

因此，需要通过优化设计拓扑结构和合理选取超导材料以保证研制出的超导滤波器能承受3W以上的功率（即在阻带抑制3W功率干扰的同时通带能正常工作，且保持线性），同时要满足阻带隔离、回波损耗、通带低损耗的要求。

影响超导滤波器功率承载能力主要因素有：放电击穿、介质发热、超导体中电流聚集。

在相同的输入功率水平条件下，高Q值的高温超导滤波器电路要比低Q值的传统材料电路的电场要强，当滤波器的谐振器之间的距离很小时，达到某个电压水平就可能放电击穿。

3个主要因素中，超导材料中的电流聚集效应是限制功率承载能力的首要因素。因此，设计主要从如何降低该因素影响的角度来考虑。

高温超导滤波器的功率承载能力和最大电流密度及临界电流密度之间满足以下关系：

式中　P_max——滤波器能承载的功率最大值；

P_c——输入功率值；

J_c——超导薄膜的临界电流密度；

J_max——滤波器上的最大电流密度值。

分析可知，提高超导滤波器功率承载能力以抑制其非线性现象产生，主要有两种手段：

一种手段是在材料上选用高J_c的超导薄膜。目前国内国际上主要有TBCCO和YBCO以及DBCO（镝系）几种实用的超导薄膜，其中TBCCO薄膜具有J_c高和转变温度高的特点，因此，我们的技术方案之一是选取TBCCO薄膜作为超导滤波器的制作材料。

在输入功率水平下不同拓扑结构的超导滤波器的最大电流是不一样的，因此另二种提高功率承载能力的手段是在超导滤波器设计上选择合适的谐振器结构，使得电流密度的分布尽量均匀，以减小滤波器中的J_max。一般来说，滤波器的谐振器中电流纵向分布是不均匀的，由于微带式结构引起的电流密度边缘效应，使得谐振器中部的线条边缘上的电流密度最大，J_max一般出现在谐振器的中部。所以需要通过优化滤波器拓扑结构，来分散电流密度，使得电流密度的均匀分布。目前的主要方法为增加谐振器的宽度。一般来说谐振器越宽，它的最大电流密度会越小，因此功率承载能力越大，但是由于超导薄膜面积有限，谐振器过宽，滤波器无法实现。

超导滤波器的大功率与非线性研究是当今国内外研究的热点，其研究几乎都是基于大功率信号位于超导滤波器的通带内的情况。本项目的一个难点在于大功率信号主要位于发阻滤波器的阻带上而非通带内，无法完全借鉴国外的研究成果。

通过仿真软件Sonnet来研究大功率信号分别位于阻带和通带时滤波器上的电流分布情况，结果表明，在通带内滤波器的电流分布于各个谐振器上；而在阻带内，电流主要集中在第一个谐振器和端口引线上，且电流大小要比通带内高8倍。这主要是因为在阻带对应的频率点，谐振器都处于失谐状态，信号传输到第一个谐振器即被反射回来，并在其上和端口引线上形成驻波。

由于大功率的阻带干扰信号主要经由第一个谐振器反射。因此可采用的另一种技术方案就是在设计超导滤波器时只增加第一个谐振器微带线的宽度，这样既可提高功率承载能力，同时也能满足小型化的要求。

超导滤波器及组件的谐波抑制技术

DSF1对各次谐波功率的要求如表4-10所示，并要求超导滤波器以及滤波放大组件在承受表4-10中给出的各次谐波功率的同时，不会出现饱和等非线性现象。除LC结构以外的其他形式带通和低通滤波器都会出现谐波现象，研制的难点在于要同时抑制多次谐波，陷波器只适合对单次谐波的抑制。

解决措施主要有2个：

1）超导滤波器慢波结构设计。通过慢波结构设计，使得超导滤波器的各次谐波偏离发频段的整数部，达到抑制自身谐波的功能（X发射功率泄漏信号对S系统的干扰通过陷波器来解决）。S频段超导滤波器的频谱特性如图4-38所示。

2）尽量缩小放大器的带宽。在放大器的研制中，在匹配电路上引用一定的滤波网络，使得放大器的增益带宽尽可能的小，在各次谐波处的增益尽量的小。

高性能超导滤波器、陷波器的研制及集成技术

为满足深空探测对超导滤波器提出的极低插入损耗、高带外抑制、低驻波比以及承受W级带外功率的要求，需要设计具有复杂拓扑结构的超导滤波器，为提高可靠性，需突破免调谐等工程难题。

超导滤波器、陷波器及组件的可靠性、稳定性保障技术

超导电子技术尽管在国外已经有近15年的工程应用实践，但是在我国还是首次工程化应用，因此，如何保障超导器件的可靠性、稳定性在整个研制工程中占很大的工作量，需要进行大量的方案实验，寻找稳定的工艺技术。主要从以下三个方面进行研制开发：

1）超导器件的可靠封装技术。超导薄膜基片是陶瓷材质（MgO或蓝宝石），而屏蔽盒为金属材质，两者在常温下封装后，冷却至20K，由于线膨胀系数的差异，会造成很大的应力，容易撕裂超导薄膜或造成接头焊点脱落。

2）超导器件的可靠焊接技术。超导材料的超导电性是由其层状结构位于Cu-O面之间的库伯电子对形成的，常规的焊料，如锡，易扩散到超导薄膜内脱氧破坏Cu-O面使得焊点失超（变成绝缘体）。超导器件的可靠性焊接是超导滤波器可靠性的关键。

3）超导器件超导电性慢退化控制技术。酸性、碱性溶液甚至水蒸气以及薄膜内的杂质都容易造成超导薄膜失去超导电性，为保证超导器件的可靠性，须研究超导器件超导电性的慢退化控制技术和工艺。

可靠的封装主要是要选择合适的材料实现与超导基片在低温下同样的收缩率，即线膨胀系数在整个温度区间的积分值相同。通过反复实验，最终选择Ti来制作屏蔽盒用于封装，可消除应力的影响，表4-11给出两种材料在不同温度下的膨胀系数。

为实现可靠性焊接，采取如下措施：

• 采用与超导薄膜不发生反应的导电银胶等焊料施焊；
• 在电极上蒸镀一层金属镍，阻挡焊料中的金属杂质扩散到超导薄膜中；
• 控制整个装配、加工过程，要求湿度小于30%，且需要对每块超导薄膜进行裂纹检查；
• 级联方案。

受希尔伯特关系的约束，滤波器的带外抑制（频率选择性）与群时延的抛物线型失真是相矛盾的，频率选择性越好，群时延失真越大，反之亦然。如果低温接收组件对群时延波动指标要求小于2ns/±1.5MHz，这个指标在靠近滤波器边带处很难满足。唯一可行的办法是扩宽滤波器的带宽，保证2.2~2.3GHz频段的群时延指标。但是S频段发射和接收频段的过渡带是定值，仅为80MHz，滤波器带宽增加后要求其陡峭度显著提高，才能保证发射频段处125dB的抑制度。

理论计算滤波器带宽放宽到150MHz，18级左右的滤波器才能同时满足抑制度和群时延的指标，理想曲线如图4-39所示。实际上制作的滤波器其指标都要比理论计算值略差一些，在设计时需要留一定的裕量。所以在设计时，前级后级滤波器的总级数按照20左右计算才能保证指标要求。由于目前国内的实用超导薄膜面积有限，且超导滤波器有承载功率的要求，谐振器线条不可能做得很细，因此，前级超导滤波器的级数不可能做得很高，一般为12级左右，因此要求后级的滤波器在7级左右。接收机前端组成结构图如图4-40所示。

目前除波导滤波器以外，10级常规滤波器还不具备较高的Q值以满足上述频率选择性、插入损耗和带内起伏的要求，因此，后级滤波器仍需要采用超导滤波器。