高温超导滤波器及高温超导单片集成下变频器的研制

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本论文主要介绍了高温超导微波器件(包括超导无源器件和超导有源器件)的研制。高性能的高温超导无源器件已经在无线通信等领域得到了很好的发展和应用。然而,高温超导有源器件,由于制造困难,其发展尚处于初级阶段,其性能还不够完善。目前,高度集成化的高温超导微波系统主要是采用高温超导无源器件和半导体有源器件的混合电路形式。为了充分发掘高温超导器件的潜能,本论文还研制了一款兼具无源器件和有源器件的高温超导单片集成电路下变频器。  论文首先介绍了三款高温超导无源器件的研制,包括一款应用于接收端的小型化滤波器、一款双工器及其子系统以及一款应用于发射端的大功率滤波器。应用于接收端的滤波器是采用阶跃阻抗谐振器实现的,其结构非常紧凑,并制作在单面YBa2Cu3O7-x高温超导薄膜上,这使得它非常适合与其他高温超导有源器件集成在同一个芯片上;另外,滤波器还具有插入损耗低、带外抑制高和带边陡度好等优点,这为实现高性能的单片集成器件提供了可能。另一款双工器是采用线性匹配网络形式实现的,它由两个通道滤波器和一个两通道分支线组成,具有插入损耗小、通道滤波器选择性高、通道间隔离度好及结构紧凑等特点。用于发射端的大功率滤波器的设计中,着重优化了其输入输出馈线结构及谐振器间耦合结构,这使得高温超导滤波器在获得极好的频率响应特性(带边陡度好、带外抑制高)的同时又可以承受较高强度的输入功率。  论文接着介绍了基于约瑟夫森台阶结的高温超导混频器的特性研究。混频器作为下变频器,在本振(LO)信号作用下将6-10 GHz的射频(RF)信号转化为1-2 GHz的中频(IF)信号。本论文对混频器的电流-电压特性、偏置条件、变频增益、线性动态范围及温度依赖关系等特性进行了实验表征并给出了测试结果。  论文最后介绍了高温超导单片集成下变频器的研制。该下变频器由一个RF输入端的10-12 GHz带通滤波器、一个IF输出端的低通滤波器、一个LO端的8GHz微带线谐振器和一个外本振约瑟夫森混频器构成。所有的无源器件和有源器件都集成在一片10 mm×20 mm的MgO衬底YBa2Cu3O7-x薄膜上。我们对单片集成下变频器的直流特性和混频性能进行了测试,在20 K温度下其变频效率接近0 dB(即变频损耗为0),这是目前相关文献报道中最好的结果。
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