UHF频段高温超导接收机前端子系统分析

中 文 摘 要 . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … I A b S t r a C t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … n 目 录 … … ‘ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … I n 第 一 章 引 言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 1 第 二 章 超 导 基 本 理 论 及 高 温 超 导 接 收 机 发 展 现 状 . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . … … 3 2 . 1 超 导 起 源 及 发 展 年 史 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 3 2 . 1 . 1 超 导 体 的 起 源 . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， … … 3 2 . 1 . 2 超 导 发 展 年 史 . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 3 2 . 2 超 导 基 本 理 论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 4 2 . 2 . 1 迈 斯 纳 效 应 和 伦 敦 方 程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 4 2 . 2 . 2 超 导 电 性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 6 2 . 2 . 3 临 界 温 度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 6 2 . 2 . 4 临 界 磁 场 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 7 2 . 2 . 5 临 界 电 流 密 度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 7 2 . 3 高 温 超 导 接 收 机 发 展 状 况 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 7 第 三 章 高 温 超 导 接 收 机 前 端 基 本 理 论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 1 0 3 . 1 接 收 机 主 要 技 术 参 数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， 二 1 0 3 . 1 . 1 灵 敏 度 与 噪 声 系 数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 1 0 3 . 1 . 2 选 择 性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 1 0 3 . 1 . 3 抗 干 扰 能 力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 1 0 3 . 1 . 4 动 态 范 围 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … n 3 . 2 高 温 超 导 接 收 机 前 端 的 基 本 组 成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … n 3 . 2 . 1 传 统 超 外 差 式 接 收 机 前 端 基 本 组 成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 1 1 3 . 2 . 2 高 温 超 导 接 收 机 前 端 基 本 结 构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 1 2 3 . 3 滤 波 器 基 本 理 论 二 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 1 3 3 . 3 . 1 几 种 低 通 原 型 滤 波 器 的 比 较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 1 3 目 录 3 . 3 . 2 频 率 变 换 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · · … … 巧 3 . 3 . 3 藕 合 谐 振 电 路 基 本 理 论 . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 1 6 3 . 4 低 噪 声 放 大 器 基 本 理 论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 2 3 3 . 4 . 1 晶 体 管 噪 声 理 论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · … … 2 3 3 . 4 . 2 反 射 系 数 与 驻 波 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 2 6 3 . 4 . 3 放 大 器 功 率 增 益 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · … … 2 6 3 . 4 . 4 放 大 器 的 稳 定 性 . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 2 7 第 四 章 高 温 超 导 滤 波 器 研 制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 3 0 4 . 1 高 温 超 导 滤 波 器 与 常 规 微 带 滤 波 器 性 能 比 较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 3 0 4 . 2 超 导 薄 膜 及 介 质 衬 底 选 择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 3 0 4 . 2 . 1 高 温 超 导 薄 膜 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · … … 3 0 4 . 2 . 2 高 温 超 导 衬 底 材 料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 3 1 4 . 3 藕 合 矩 阵 及 外 部 品 质 因 素 获 得 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 3 1 4 . 4 谐 振 频 率 及 士 9 0 度 相 位 带 宽 值 确 定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 犯 4 . 5 电 路 拓 扑 结 构 生 成 . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · … … 3 4 4 . 6 小 型 化 谐 振 器 及 抽 头 位 置 确 定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 3 5 4 . 7 滤 波 器 全 局 电 磁 仿 真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 3 6 4 . 8 实 际 加 工 制 作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · … … 3 8 第 五 章 低 温 低 噪 声 放 大 器 设 计 与 调 试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 3 9 5 . 1 概 述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 3 9 5 . 2 晶 体 管 选 择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 39 5 . 3 电 路 拓 扑 结 构 确 定 . . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · · . . … … 4 1 5 . 4 负 反 馈 设 计 及 增 强 电 路 稳 定 性 措 施 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 4 2 5 ， 4 . 1 负 反 馈 电 路 设 计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · · . · · · · · · · · · · · · · · · · · · … … 4 2 5 . 4 . 2 阻 性 负 载 增 强 电 路 稳 定 性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 4 4 5 . 5 直 流 偏 置 电 路 设 计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · . · . . . . . . · … … 4 5 5 . 6 匹 配 电 路 设 计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · . · · · · . . · · · · · · · · … … 45 5 . 7 软 件 优 化 及 联 合 仿 真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · … … 4 8 5 . 8 实 际 制 作 与 调 试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · . . . · . · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · … … 5 0 5 . 8 . 1 电 路 P C B 版 图 设 计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 5 0 目 录 5 . 8 . 2 屏 蔽 盒 设 计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · · · · . . · · · · · · … … 5 1 5 . 8 . 3 放 大 器 装 配 及 调 试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 5 1 第 六 章 高 温 超 导 接 收 机 前 端 子 系 统 测 试 与 结 果 分 析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 5 2 6 . 1 低 温 测 试 系 统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · … … 5 2 6 . 2 高 温 超 导 滤 波 器 测 试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · · · · · · · · · · … … 5 3 6 . 3 低 温 低 噪 声 放 大 器 测 试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 5 4 6 . 4 子 系 统 测 试 . . . . . . . … … ， ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · · . · · · · · . . · · · · · 一 5 6 6 . 5 结 果 分 析 . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 5 7 第 七 章 总 结 与 展 望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · · . · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · … … 5 9 7 . 1 本 论 文 研 究 总 结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · · . . . . . · · · · · · · · · · · · … … 5 9 7 . 2 前 景 展 望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . … 6 0 致 谢 . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … ， . . . . . . . . . . . . … … 6 2 参 考 文 献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 6 3 攻 读 硕 士 学 位 期 间 的 研 究 成 果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … 6 6 反 第 一 章 引 言 第 一 章 引 言 近 年 来 随 着 无 线 通 信 、 卫 星 通 信 、 全 球 定 位 系 统 及 雷 达 系 统 迅 速 发 展 ， 要 求 接 收 的 灵 敏 度 越 来 越 高 ，尤 其 对 于 高 性 能 军 用 雷 达 系 统 接 收 机 而 言 ， 要 求 其 同 时 具 有 高 灵 敏 度 和 强 抗 干 扰 能 力 ， 这 对 常 规 接 收 机 系 统 提 出 了 新 的 挑 战 ， 高 温 超 导 接 收 机 正 是 为 了 适 应 这 种 新 的 发 展 需 求 而 产 生 和 发 展 起 来 的 。 高 温 超 导 技 术 现 已 成 为 当 今 世 界 高 科 技 竞 争 的 热 点 之 一 ， 因 其 具 有 巨 大 的 应 用 潜 力 而 倍 受 各 国 重 视 ， 与 常 规 材 料 相 比 高 温 超 导 薄 膜 材 料 的 微 波 表 面 电 阻 极 低 ， 因 此 具 有 远 优 于 常 规 材 料 的 性 能 。 目 前 ， 高 温 超 导 器 件 的 发 展 趋 势 为 系 列 化 小 型 化 ， 实 用 化 和 商 品 化 ， 并 开 始 了 同 液 氮 温 区 工 作 的 常 规 电 路 进 行 混 合 集 成 高 温 超 导 微 波 电 路 与 系 统 的 研 究 【 ‘ ] 。 其 在 民 用 移 动 通 信 系 统 ， 雷 达 接 收 机 ， 卫 星 空 间 通 信 等 系 统 中 的 应 用 ， 使 这 些 设 备 的 性 能 得 到 了 飞 跃 的 发 展 并 带 来 了 巨 大 的 经 济 和 社 会 效 益 。 从 民 用 角 度 看 ， 现 代 移 动 通 信 系 统 日 益 要 求 基 站 改 进 其 灵 敏 度 和 选 择 性 ，用 以 扩 大 基 站 覆 盖 能 力 ， 增 加 移 动 通 讯 容 量 ， 压 制 临 近 通 带 干 扰 ， 改 善 通 话 质 量 ， 满 足 日 益 增 长 的 移 动 用 户 数 量 等 多 种 要 求 。 高 温 超 导 接 收 机 具 有 其 极 高 的 灵 敏 度 和 选 择 性 ， 是 满 足 这 一 需 求 的 理 想 选 择 。 现 在 美 国 己 经 有 近 千 套 的 高 温 超 导 子 系 统 在 移 动 通 信 基 站 做 商 业 试 运 行 ， S T I 公 司 已 获 得 北 美 移 动 通 信 运 营 商 数 千 套 的 高 温 超 导 接 收 机 前 端 系 统 的 定 单 。 从 军 用 角 度 看 ， 现 代 战 争 已 从 机 械 化 向 信 息 化 转 变 。在 未 来 战 争 中 ， 要 求 雷 达 、 军 用 通 信 设 备 、 电 子 战 设 备 、 导 弹 制 导 等 尖 端 武 器 装 备 不 仅 要 有 极 高 的 灵 敏 度 ， 而 且 要 有 极 高 的 选 择 性 。 高 灵 敏 度 可 以 提 高 探 测 距 离 ， 提 前 发 现 敌 方 ， 但 不 易 被 敌 方 发 现 ; 高 选 择 性 可 以 在 战 场 上 强 大 的 电磁 干 扰 中探 测 到 极 其 微 弱 的 信 号 ， 提 高 雷 达 、 导 弹 等 的 精 确 度 等 。 雷 达 、 军 事 通 信 等 装 备 的 接 收 机 前 端 的 滤 波 器 是 决 定 其 灵 敏 度 和 选 择 性 的 关 键 部 件 。 滤 波 器 的 带 边 陡 峭 度 越 高 ( 或 矩 形 系 数 越 好 ) ， 则 接 收 机 的 选 择 性 越 好 ， 若 滤 波 器 的 插 入 损 耗 越 小 且 放 大 器 噪 声 系 数 越 低 ， 则 接 收 机 的 灵 敏 度 越 高 。 高 灵 敏 度 接 收 机 系 统 在 雷 达 、 电 子 对 抗 和 军 事 通 讯 中 有 着 举 足 轻 重 的 地 位 。 高 温 超 导 接 收 机 正 在 逐 渐 成 为 该 领 域 最 理 想 的 选 择 。 一 方 面 新 型 超 导 材 料 的 临 界 温 度 已 远 远 超 过 了 液 氮 温 度 ( 7 7 K ) ， 且 小 型 化 制 冷 机 系 统 已 经 相 当 成 熟 ， 这 使 得 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 小 型 化 超 导 接 收 机 系 统 成 为 可 能 ; 另 外 一 方 面 随 着 半 导 体 技 术 的 发 展 ， 一 些 新 型 的 固 态 器 件 ， 如 H E M T 器 件 不 仅 可 以 在 低 温 下 工 作 ， 而 且 还 可 以 在 低 温 条 件 下 得 到 更 加 优 异 的 噪 声 和 增 益 性 能 ， 因 此 将 高 温 超 导 微 波 电 路 和 液 氮 温 区 工 作 的 常 规 固 体 电 路 的 混 合 集 成 一 体 化 ， 将 大 大 提 高 雷 达 等 接 收 机 系 统 的 整 体 性 能 ， 拓 展 了 高 温 超 导 材 料 的 应 用 范 围 ， 促 进 了 高 温 超 导 器 件 的 实 用 化 进 程 。 目 前 国 际 上 在 高 温 超 导 材 料 的 应 用 方 面 ， 以 微 波 领 域 的 应 用 发 展 最 快 ， 高 温 超 导 微 波 器 件 正 逐 渐 实 现 小 型 化 、 实 用 化 和 商 品 化 ， 正 在 进 行 由 高 温 超 导 器 件 、 半 导 体 器 件 及 高 温 超 导 传 输 线 构 成 混 合 集 成 微 波 电 路 及 子 系 统 的 研 制 。 在 高 灵 敏 度 高 温 超 导 微 波 接 收 机 研 制 方 面 ， 目 前 聚 焦 于 将 高 性 能 高 温 超 导 微 波 滤 波 器 和 低 温 低 噪 声 放 大 器 集 成 一 体 化 的 结 构 设 计 。 高 温 超 导 材 料 的 成 功 应 用 ， 可 望 在 微 波 等 领 域 再 次 取 得 重 大 的 突 破 ， 为 此 以 美 国 为 代 表 的 西 方 国 家 投 巨 资 大 力 开 展 该 领 域 的 研 究 。 在 雷 达 应 用 方 面 ， 美 国 N R L 目 前 正 在 进 行 将 舰 载 多 普 勒 雷 达 中 引 进 高 性 能 的 高 温 超 导 带 通 滤 波 器 和 液 氮 温 区 工 作 的 低 噪 声 放 大 器 ， 用 以 改 进 在 海 洋 杂 波 群 中 识 别 小 目 标 的 能 力 ， 对 海 面 突 防 导 弹 进 行 检 测 ; 在 超 视 距 的 舰 载 地 波 雷 达 接 收 机 中 亦 引 入 高 性 能 的 高 温 超 导 带 通 滤 波 器 和 液 氮 温 区 工 作 的 低 噪 声 放 大 器 ， 使 之 满 足 超 视 距 雷 达 对 灵 敏 度 、 抗 干 扰 能 力 的 极 高 要 求 ， 其 工 作 频 率 在 1 5 一 3 5 M H Z 范 围 内 。 在 卫 星 空 间 通 讯 方 面 美 国 进 行 了 H T S S 一 H ( 第 二 阶 段 高 温 超 导 空 间 试 验 ) 。 国 内 电 子 科 技 大 学 、 清 华 大 学 、 中 科 院 电 子 所 、 电 子 部 1 6 所 、 5 5 所 等 都 分 别 开 展 了 高 温 超 导 微 波 毫 米 波 无 源 器 件 的 研 究 。 以 往 的 研 究 工 作 主 要 集 中 在 L 、 S 和 X 波 段 ， 对 于 U H F 频 段 的 高 温 超 导 接 收 系 统 研 究 工 作 国 际 鲜 见 报 道 ， 只 有 少 数 关 于 U H F 频 段 高 温 超 导 滤 波 器 设 计 的 报 道 ， 而 美 国 这 方 面 的 研 究 工 作 已 经 相 对 成 熟 ， 并 开 始 在 军 事 雷 达 系 统 及 天 文 观 测 系 统 中 使 用 ， 而 国 内 这 方 面 的 研 究 工 作 则 刚 刚 起 步 。 由 于 广 播 电 视 信 号 的 严 重 干 扰 ， U H F 频 段 已 经 相 当 拥 挤 ， 这 就 对 军 事 通 讯 和 天 文 观 测 接 收 机 系 统 提 出 了 更 加 严 格 的 要 求 ， 尤 其 对 作 为 预 选 频 器 件 的 滤 波 器 的 陡度 提 出 了 更 高 的 要 求 。 基 于 此 本 课 题 致 力 于 利 用 先 进 高 温 超 导 材 料 改 善 U H F 频 段 接 收 系 统 的 性 能 指 标 ， 为 国 防 建 设 、 天 文 观 测 和 民 用 先 进 通 信 系 统 提 供 物 理 保 证 。 第 二 章 超 导 基 本 理 论 及 高 温 超 导 接 收 机 发 展 现 状 第 二 章 超 导 基 本 理 论 及 高 温 超 导 接 收 机 发 展 现 状 2 . 1 超 导 起 源 及 发 展 年 史 2 . 1 . 1 超 导 体 的 起 源 超 导 体 的 电 性 是 由 荷 兰 物 理 学 家 H e i k e K a m e r l i n g h o n n e s 在 1 9 n 年 发 现 的 ， 他 将 提 纯 的 汞 冷 却 到 绝 对 温 度 4 . 2 K 时 ， 意 外 发 现 水 银 的 电 阻 突 然 完 全 消 失 了 ， 这 种 现 象 称 为 超 导 电 性 。 后 来 他 又 发 现 许 多 金 属 和 合 金 都 具 有 与 上 述 汞 相 类 似 的 低 温 下 失 去 电 阻 的 特 性 ， 由 于 其 特 殊 导 电 性 能 ， H e i k e K a m e r l i n g h o n n e s 称 之 为 超 导 态 ， 之 后 人 们 又 把 处 于 超 导 状 态 的 导 体 称 之 为 “ 超 导 体 ” 。超 导 被 发 现 后 许 多 科 学 家 试 图 建 立 解 释 这 一 现 象 的 理 论 ， 这 种 努 力 延 续 了 大 半 个 世 纪 ， 直 到 1 9 5 7 年 J . B a r d e e n ， L . N . C 。 o P e r 和 J . L . S c h r i e f f e r 发 表 了 大 家 熟 知 的 B C S 理 论 ， 从 而 很 好 的 解 释 了 低 T C 金 属 和 合 金 的 超 导 行 为 。 2 . 1 . 2 超 导 发 展 年 史 1 9 1 1 年 发 现 超 导 体 后 ， 经 过 不 懈 努 力 ， 到 1 9 8 6 年 已经 发 现 了 上 千 种 超 导 材 料 ， 然 而 其 临 界 转 变 温 度 T c 最 高 的妮 三 锗 ( N b 3 G e ) 也 才 2 3 . 2 K 。 这 些 传 统 的 超 导 体 须 在 极 低 的 液 氦 温 区 才 能 工 作 ， 故 称 为 低 温 超 导 ， 因 其 工 作 条 件 苛 刻 、 成 本 较 高 ， 虽 然 性 能 优 异 ， 但 并 没 有 广 阔 的 应 用 前 景 。 相 对 于 传 统 低 温 超 导 而 言 ， 高 温 超 导 是 指 能 在 液 氮 温 区 工 作 的 超 导 体 。 高 温 超 导 体 的 发 现 对 于 超 导 技 术 而 言 是 一 种 历 史 性 的 突 破 。 1 9 8 6 年 1 月 美 国 工 B M 公 司 设 在 瑞 士 苏 黎 士 研 究 所 的 德 国 科 学 家 缪 勒 和 瑞 士 的 科 学 家 柏 诺 兹 首 先 发 现 斓 钡 铜 氧 化 物 ( L a 一 B a 一 C u 一 0 ) 陶 瓷 材 料 存 在 3 5 K 的 超 导 转 变 ; 随 后 中 国 科 学 院 物 理 研 究 所 、 美 国 休 斯 敦 大 学 和 日 本 东 京 大 学 的 科 学 家 重 复 了 缪 勒 的 结 果 ， 并 用 惚 置 换 钡 ， 将 T c 提 高 到 4 0 一 5 0 K 。 1 9 8 7 年 2 月 中 国 科 学 院 物 理 研 究 所 的 研 究 组 和 美 国 休 斯 敦 大 学 的 研 究 组 几 乎 同 时 获 得 了忆 钡 铜 氧 化 物 ( Y 一 B a 一 C u 一 0 ) 材 料 的 T c 提 高 到 了 9 0 K 左 右 [ z l ， 从 而 实 现 了 转 变 温 度 在 液 氮 温 区 的 突 破 ， 1 9 8 8 年 日 本 的 马 以 达 等 人 在 米 歇 尔 和 哈 沃 工 作 的 基 础 上 将 C a 掺 到 B i 一 S r 一 C u 一 O 中 ， 看 到 了 8 0 K 和 1 1 0 K 两 个 温 度 上 的 超 导 转 变 ，使 得 B i 系 这 种 无 稀 土 元 素 超 导 体 的 转 变 温 度 高 于 液 氮 温 度 。此 后 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 若 干 种 新 超 导 体 先 后 被 发 现 ， 其 临 界 温 度 更 高 ， 诸 如 铭 的 化 合 物 最 高 临 界 温 度 T ( : 可 达 1 2 5 K [ 3 ] ， 汞 的 化 合 物 最 高 临 界 温 度 T C 已 达 1 5 o K [ 4 ] 。 高 温 超 导 发 展 史 简 图 如 下 2 一 1 所 示 : 在 在 1 0 5 的 大 气压 强 下 。 沙 沙 之 C o C 以 口 口 1 5 0 一 一 T T I T B a 以 日 C 习 u B D D D 众 C C D D 尸 C 舒 c “ c “ 口 口 B B } C B 。 名 广 C u D D D D D 芝 卜 。 曰 ︵ ︺ 门 ︸ 一 一 液 氮 ( 7 7 K ) 丫 助 C u 。 : : : : : m 少 m m 少 『 1 仁 . 1 … … 「 娜 - - - - 一 一 . 1 1 1 1 9 1 0 1 9 3 0 1 9 5 0 1 9 7 0 1 9 9 0 2 0 1 0 发 现 年 份 图 2 高 超 导 体 的 T c 发 现 史 简 图 高 温 超 导 体 最 重 要 的 特 点 是 临 界 温 度 超 过 液 氮 温 度 ， 这 一 突 破 极 大 推 动 了 超 导 应 用 研 究 的 快 速 发 展 ， 使 得 超 导 的 实 用 化 成 为 可 能 : 一 方 面 液 氮 冷 却 效 率 高 、 成 本 低 且 使 用 十 分 安 全 ，采 用 液 氮 冷 却 超 导 体 是 完 全 可 行 的 ; 另 一 方 面 随 着 制 冷 技 术 的 迅 速 发 展 ， 长 寿 命 小 型 化 高 性 能 制 冷 系 统 的 出 现 为 高 温 超 导 的 实 用 化 提 供 了 重 要 保 障 。 2 . 2 超 导 基 本 理 论 自 1 9 8 6 年 发 现 高 温 超 导 材 料 后 ， 有 许 多 科 学 家 致 力 于 高 温 超 导 理 论 研 究 ， 但 目 前 为 止 还 没 有 被 普 遍 接 受 的 理 论 。 幸 好 对 于 微 波 电 路 设 计 来 说 并 不 要 求 理 解 高 温 超 导 体 电 性 微 观 理 论 ， 因 此 本 文 仅 介 绍 基 于 伦 敦 方 程 的 简 明 理 论 。 2 . 2 . 1 迈 斯 纳 效 应 和 伦 敦 方 程 超 导 体 的 完 全 抗 磁 性 ， 现 在 一 般 称 为 迈 斯 纳 效 应 ， 是 由 W . M e i s s n e r 和 第 二 章 超 导 基 本 理 论 及 高 温 超 导 接 收 机 发 展 现 状 R . o c h s e n f e l d 在 1 9 3 3 年 发 现 的 。 他 们 发 现 了 两 个 现 象 : 首 先 ， 他 们 发 现 当 磁 场 作 用 到 超 导 体 上 时 ， 磁 场 不 能 穿 透 进 入 超 导 体 中 。 换 言 之 ， 超 导 体 排 斥 磁 场 。 其 次 ， 他 们 还 发 现 即 使 在 常 态 下 ( T > T c ) 超 导 体 内 部 存 在 磁 场 ， 当 它 冷 却 到 T C 以 下 时 ， 磁 场 也 会 被 排 斥 在 超 导 体 之 外 。 第 一 个 现 象 可 以 将 经 典 电 磁 理 论 应 用 于 零 电 阻 的 “ 理 想 ” 导 体 而 得 到 解 释 。 但 第 二 个 现 象 却 不 能 用 经 典 的 电 磁 理 论 来 解 释 ， 因 为 根 据 电 磁 理 论 在 这 样 的 情 形 下 磁 通 将 被 超 导 体 捕 获 ， 迈 斯 纳 效 应 是 超 导 体 所 特 有 的 一 个 现 象 。 解 释 迈 斯 纳 效 应 的 一 个 简 单 理 论 是 从 牛 顿 定 理 应 用 于 超 导 载 流 子 上 开 始 的 : d v 二 m s 二 ， 丁 = q s 乃 ( 2 一 1 ) U 石 式 中 m s 、 q : 和 v 分 别 是 载 流 子 的 有 效 质 量 、 电 荷 和 速 度 ; E 是 电 场 强 度 。 超 导 电 流 密 度 为 : J s 一 n : q s v ( 2 一 2 ) 其 中 n : 为 超 导 载 流 子 密 度 ， 将 式 ( 2 一 2 ) 代 入 式 ( 2 一 l ) 推 得 : A 业 d t 一 E 一 。 ( 2 一 3 ) 这 里 A 称 为 伦 敦 常 数 ， 定 义 为 A 一 业 刀 s q ， 上 式 是 由 F . L o n d o n 和 H . L o n d o n 导 出 的 ， 故 又 称 之 为 伦 敦 方 程 [ s ] 。 对 式 ( 2 一 3 ) _ 网 端 、 ， ， . 取 _ 旋 、 ， _ 度 _ 开 、 ， 利 一 ， 用 ~ 法 、 ， 拉 ， 、 弟 一 足 一 佯 ， 二 r O 比 _ 二 一 丁 韶 _ 口 J 得 ， 口 ， 到 . L r l l ‘ l ’ : 口 t d ‘ _ 、 1 _ d f _ 1 _ ) 一 考 r o t J 升 一 一 r o 亿 = 一 弓 r o t j s + 一 万 卜 ( 2 一 4 ) d r 、 Z A d t L A 」 再 利 用 矢 量 恒 等 式 : r o t ( r o t B ) 三 g r a d ( d i v B ) 一 v Z B ( 2 一 5 ) 以 及 麦 克 斯 韦 方 程 : 上 : 。 t B = J s + 鲤 ( 2 一 6 ) 刀 日 t 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 右 一 忍 ~ _ 峪 、 贡 一 兄 一 劫 ~ 韦 一 一 力 程 一 七 一 边 、 . ~ 阴 — 阳 坝 一 ， 则 可 以推 出 : 次 蒯 内 v ， : 一 粤 才 : l 一 。 ( 2 一 7 ) 其 中 伦 敦 穿 透 深 度 人 定 义 为 ( 2 一 8 、 一 俪 · 了 外 n s ‘ 式 ( 2 一 7 ) 可 以 解 释 第 一 迈 斯 纳 现 象 ， 但 却 无 法 解 释 第 二 迈 斯 纳 现 象 。 为 了 进 一 步 解 释 迈 斯 纳 效 应 ， 伦 敦 兄 弟 假 定 在 时 间 导 数 为 零 的 方 程 中 ， 还 要 加 入 括 号 内 的 量 也 等 于 零 的 条 件 ， 则 由 式 ( 2 一 4 ) 和 式 ( 2 一 7 ) 推 得 : A r o t j s + B = O ( 2 一 9 ) 俨 : 一 粤 才 B 一 。 ( 2 一 1 0 ) 方 程 ( 2 一 9 ) 称 为 ” 第 二 伦 敦 方 程 ” . 对 于 一 维 情 形 ( 仅 有 x 方 向 ) ， 式 ( 2 一 1 0 ) 的 解 为 L 。 ， 又 了 人 _ 、 少 _ 一 刀 D ‘ 戈 n U 、 少 匕 _ 呱 ( 2 一 1 1 ) 上 式 表 明 : 在 超 导 体 内 部 ， 磁 场 从 超 导 体 表 面 向 内 按 指 数 衰 减 ， 衰 减 长 度 等 于 伦 敦 穿 透 深 度 人 ， 除 了 表 面 厚 度 约 为 人 的 薄 层 以 外 ， 在 整 个 超 导 体 内 部 B : = o 。 这 样 ， 就 同 时 解 释 了 第 一 迈 斯 纳 现 象 和 第 二 迈 斯 纳 现 象 。 2 . 2 . 2 超 导 电 ， I 生 迈 斯 纳 效 应 的 发 现 揭 示 了 超 导 态 的 一 个 本 质 ， 即 超 导 体 内 部 的 磁 感 应 强 度 必 须 为 零 。 因 此 ， 超 导 态 必 须 同 时 具 备 p 二 o 和 B = o 两 个 条 件 ， 对 不 同 的 物 质 从 超 导 态 转 变 到 正 常 态 都 有 各 自 的 特 征 参 数 : 临 界 温 度 T c 、 临 界 磁 场 H 。 以 及 临 界 电 流 密 度 J 。 ， 这 三 者 统 称 为 超 导 电 性 。 2 . 2 . 3 临 界 温 度 某 些 元 素 的 化 合 物 在 特 定 的 温 度 下 电 阻 突 然 消 失 ， 这 个 电 阻 突 然 消 失 的 温 度 第 二 章 超 导 基 本 理 论 及 高 温 超 导 接 收 机 发 展 现 状 就 称 为 临 界 温 度 T c ， 但 是 由 正 常 态 到超 导 态 的 过 渡 ， 也 就 是 电 阻 下 降 为 零 的 过 程 是 在 有 限 的 温 度 间 隔 内 完 成 的 ， 这 个 温 度 间 隔 就 简 称 为 转 变 温 度 八 T c ， △ T c 的 大 小 取 决 于 材 料 的 纯 度 、 晶 体 的 完 整 性 和 样 品 内 部 的应 力 状 态 等 因 素 。 通 常 把 样 品 的 电 阻 降 至 凡 习 2 的 温 度 定 义 为 它 的 T c ， R n 是 正 常 一 超 导 转 变 发 生 之 前 样 品 的 正 常 态 电 阻 ， 对 高 温 超 导 临 界 温 度 一 般 指 零 电 阻 温 度 T c 。 2 . 2 . 4 临 界 磁 场 假 如 把 磁 场 平 行 加 到 一 根 细 长 的 超 导 棒 上 ， 在 一 定 磁 场 强 度 下 棒 的 电 阻 突 然 恢 复 ， 使 这 个 电 阻 恢 复 的磁 场 值 称 之 为 临 界 磁 场 H c 。 临 界 磁 场 是 超 导 体 很 重 要 的 特 征 ， 由 实 验 可 拟 合 出 H c 和 T 的 关 系 很 好 的 遵 循 抛 物 线 近 似 理 论 关 系 。 2 . 2 . 5 临 界 电 流 密 度 当 对 超 导 线 通 以 电 流 时 ， 无 阻 的 超 导 态 要 受 到 电 流 大 小 的 限 制 ， 当 电流 达 到 某 一 临 界 值 后 ， 超 导 体 将 恢 复 到 正 常 态 。 对 大 多 数 的超 导 金 属 元 素 正 常 态 的 恢 复 是 突 变 的 ， 这 个 电 流 值 即 为 临 界 电 流 I c . ， 此 时 的 电 流 密 度 就 称 临 界 电 流 密 度 j 。 。 2 . 3 高 温 超 导 接 收 机 发 展 状 况 超 导 技 术 是 当 今 世 界 高 科 技 竞 争 热 点 之 一 ， 而 高 温 超 导 微 波 应 用 更 是 一 个 十 分 活 跃 的 领 域 。 在 射 频 微 波 通 信 系 统 上 ，超 导 技 术 能 使 微 波 器 件 和 微 波 电 路 性 能 达 到 更 高 、 更 新 的 水 平 。 国 际 上 一 批 著 名 射 频 微 波 专 家 ， 相 继 投 入 其 间 的研 究 ; 工 E E E T r a n S . M T T 1 9 9 1 年 第 九 期 刊 出 了 超 导 应 用 专 集 ; 美 国 海 军 研 究 所 ( N R L ) 分 别 于 上 世 纪 九 十 年 代 初 实 施 了 高 温 超 导 空 间 试 验 计 划 ( H T s s E I 和 H T s S E l l ) [ 6 1 ， 参 与 其 中 的 包 括 A T & T B e n 实 验 室 、 H u g h e s 研 究 所 、 J P L 、 M T T 林 肯 实 验 室 、 N A S A L e w i s 、 G E 、 T R w 及 N R L 在 内 的 1 0 余 家 著 名 公 司 、 科 研 单 位 。 在 微 波 通 信 方 面 ， 一 个 典 型 的 微 波 接 收 机 前 端 包 括 天 线 、 滤 波 器 、低 噪 声 放 大 器 、 振 荡 器 及 混 频 器 等 ， 这 些 器 件 除 低 噪 声 放 大 器 外 其 余 均 可 用 高 温 超 导 材 料 来 实 现 ， 虽 然 目 前 难 以 用 超 导 材 料 直 接 实 现 低 噪 声 放 大 器 ， 但 采 用 H E M T 器 件 研 制 的低 噪 声 放 大 器 仍 可 在 低 温 环 境 工 作 并 得 到 更 加 优 异 的 噪 声 和 增 益 性 能 ， 因此 将 可 制 冷 低 噪 声 放 大 器 与 高 温 超 导 滤 波 器 等 超 导 器 件 集 成 一 体 化 置 于 低 温 下 工 作 将 大 大 提 高 高 温 超 导 接 收 机 的 性 育 旨 。 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 目 前 美 国 、 欧 洲 等 地 高 温 超 导 接 收 机 技 术 已 经 广 泛 地 运 用 于 无 线 基 站 系 统 中 ， 据 初 步 统 计 ， 国 外 己 有 数 千 台 的 高 温 超 导 接 收 机 子 系 统 在 移 动 通 信 基 站 实 际 运 行 ， 并 展 现 出 优 异 的 性 能 。 在 美 国 现 已 有 包 括 s 即 e r c o n d u e t o r T e c h n o l o g i e s I n c . ( S T I ) : I l l i n o i s S 即 e r e o n d u c t o r C o 印 . ( I L S C ) 、 C o n d u e t u s h i e . 和 D u p o n t ( 杜 邦 ) 公 司 在 内 的 数 家 著 名 超 导 子 系 统 上 市 公 司 。 其 中 一 个 最 生 动 的 例 子 是 C o n c u c t u S 公 司 ， 该 公 司 曾 是 世 界 最 有 名 的 生 产 超 导 量 子 干 涉 仪 ( s Q u I D ) 的 专 业 公 司 ， 面 对 移 动 通 信 迅 猛 发 展 的 背 景 ， 该 公 司 断 然 终 止 S Q U I D 的 所 有 研 究 工 作 ， 将 精 力 全 部 集 中 到 高 温 超 导 移 动 通 信 子 系 统 的 研 究 开 发 工 作 上 ; 另 外 ， 杜 邦 公 司 凭 借 其 在 超 导 薄 膜 、 微 波 设 计 方 面 的 优 势 和 雄 厚 的 资 金 从 众 多 新 老 公 司 中 脱 颖 而 出 ， 研 制 出 超 小 型 高 温 超 导 基 站 子 系 统 商 用 样 机 。 受 美 国 开 发 高 温 超 导 子 系 统 研 究 的 影 响 以 及 移 动 通 信 展 现 出 的 巨 大 经 济 效 益 ， 1 9 9 6 年 欧 盟 提 出 了 S U C O M 高 温 超 导 移 动 通 信 系 统 研 究 计 划 [ v ] ， 该 计 划 明 确 提 出 以 欧 洲 第 三 代 移 动 通 信 系 统 ( 采 用 u M T s 技 术 ) 作 为 应 用 背 景 ， 以 研 制 新 型 高 温 超 导 移 动 通 信 子 系 统 为 目 标 ， 整 个 计 划 分 为 三 个 阶 段 : 第 一 阶 段 的 任 务 是 研 制 基 站 接 收 机 前 端 子 系 统 ， 提 高 基 站 接 收 机 的 灵 敏 度 和 选 择 性 ; 第 二 阶 段 的 重 点 将 向下 变 频 延 伸 ， 拟 采 用 高 温 超 导 混 频 器 和 超 导 低 相 位 噪 声 振 荡 器 ， 以 进 一 步 提 高 系 统 的 抗 干 扰 能 力 ; 第 三 阶 段 的 目 标 是 将 高 温 超 导 器 件 推 广 到 整 个 收 发 机 系 统 ， 特 别 是 发 射 机 系 统 ，力 求 在 保 持 同样 覆 盖 面 积 情 况 下 ， 将 功 率 损 耗 减 小 一 个 数 量 级 。 目 前 ， 该 计 划 的 第 一 阶 段 任 务 己 经 完 成 ， 所 研 制 的 超 导 子 系 统 性 能 远 优 于 用 常 规 材 料 制 成 接 收 机 子 系 统 。 我 国 的 高 温 超 导 研 究 工 作 是 与 发 达 国 家 几 乎 同 时 起 步 ， 近 几 年 来 ， 由 于 经 费 支 持 不 足 和 认 识 不 统 一 ， 国 内 的 超 导 微 波 应 用 研 究 与 国外 开 始 呈 现 差 距 ， 尽 管 如 此 ， 高 温 超 导 在 移 动 通 讯 领 域 仍 然 有 一 定 的 进 展 : 2 0 0 0 年 与 英 国 伯 明 翰 大 学 国 际 合 作 研 制 成 功 我 国 第 一 个 用 于 移 动 通 信 基 站 的超 导 滤 波 器 ， 2 0 0 1 年 又 研 制 成 功 我 国 第 一 台 高 温 超 导 移 动 通 信 基 站 子 系 统 原 理 性 样 机 [ 8 1 ， 2 0 0 4 年 我 国首 台 移 动 通 信 用 高 温 超 导 滤 波 器 系 统 在 中 国 联 通 C D M A 移 动 通 信 基 站 现 场 通 信 试 验 成 功 。 相 对 于 民 用 移 动 通 信 而 言 ， 高 温 超 导 接 收 机 在 卫 星 空 间 通 讯 以 及 军 用 通 讯 领 域 具 有 更 大 的 应 用 潜 力 。 因 为 无 论 是 卫 星 通 讯 还 是 在 军 事 通 讯 ， 其 对 性 能 的 需 求 远 远 胜 过 对 价 格 的 敏 感 ， 为 此 以 美 国 为 代 表 的 西 方 国 家 投 巨 资 大 力 开 展 该 领 域 的 研 究 。 在 雷 达 应 用 方 面 ， 美 国 N R L 已 进 行 在 舰 载 多 普 勒 雷 达 中 引 进 高 性 能 的 高 温 超 导 带 通 滤 波 器 和 液 氮 温 区 工 作 的 低 噪 声 放 大 器 ， 用 以 改 进 在 海 洋 杂 波 群 中 识 别 小 目 标 的 能 力 ， 对 掠 海 面 突 防 导 弹 进 行 检 测 ; 在 超 视 距 的 舰 载 地 波 雷 达 接 收 机 中 亦 引 入 高 性 能 的 高 温 超 导 带 通 滤 波 器 和 液 氮 温 区 工 作 的 低 噪 声 放 大 器 ， 使 之 满 足 第 二 章 超 导 基 本 理 论 及 高 温 超 导 接 收 机 发 展 现 状 超 视 距 雷 达 对 灵 敏 度 、 抗 干 扰 能 力 的 极 高 要 求 ; 另 外 ， 在 军 用 领 域 ， 美 国 已 将 高 温 超 导 高 性 能 滤 波 器 成 功 应 用 于 预 警 机 以 及 “ 宙 斯 盾 ” 等 系 统 中 。 在 卫 星 空 间 通 讯 方 面 美 国进 行 了 H T S S 一 H ( 第 二 阶 段 高 温 超 导 空 间 试 验 ) 。 国 内 电子 科 技 大 学 、 清 华 大 学 、 中 科 院 电 子 所 、 电子 部 1 6 所 、 5 5 所 等 都 分 别 开 展 了 高 温 超 导 微 波 、 毫 米 波 无 源 器 件 的 研 究 。 其 中 ， 电 子 科 技 大 学 于 2 0 0 0 年 底 成 功 研 制 出 国 内第 一 台 高 温 超 导 高 性 能 接 收 机 前 端 ， 于 2 0 0 1 年 初 参 加 8 6 3 十 五 周 年 成 果 展 ; 十 五 期 间 电子 科 技 大 学 研 制 出 具 有 自 主 知 识 产 权 的 “ X 波 段 高 温 超 导 高 性 能 接 收 机 前 端 系 统 ” ， 可 用 于 军 用 雷 达 系 统 中 并 具 有 优 异 的 性 能 。 以 前 研 究 工 作 主 要 集 中 在 L 、 S 和 X 波 段 ， 但 对 于 V H F 频 段 和 U H F 频 段 的 高 温 超 导 接 收 系 统 研 究 工 作 国 际 鲜 见 报 道 。 由 于 广 播 电视 信 号 的 严 重 干 扰 ， U H F 频 段 已 经 相 当 拥 挤 ， 这 就 对 军 事 通 讯 和 天 文 观 测 接 收 机 系 统 提 出 了 更 加 严 格 的 要 求 ， 尤 其 对 作 为 预 选 频 器 件 的 滤 波 器 的 陡 度 提 出 了更 高 的 要 求 。 基 于 此 本 课 题 研 究 工 作 致 力 于 利 用 先 进 高 温 超 导 材 料 改 善 U H F 频 段 接 收 系 统 的 性 能 指 标 ， 为 国 防 建 设 、 天 文 观 测 和 民 用 先 进 通 信 系 统 提 供 物 理 保 证 。 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 第 三 章 高 温 超 导 接 收 机 前 端 基 本 理 论 3 . 1 接 收 机 主 要 技 术 参 数 为 了 衡 量 接 收 机 性 能 的 优 劣 ，人 们 确 定 了 许 多 技 术 参 数 作 为 接 收 机 在 电 性 能 方 面 的 指 标 ， 下 面 介 绍 几 个 主 要 的 技 术 参 数 。 3 . 1 . 1 灵 敏 度 与 噪 声 系 数 灵 敏 度 表 示 了 接 收 机 接 收 微 弱 信 号 的 能 力 ， 接 收 机 接 收 微 弱 信 号 能 力 越 强 ， 则 灵 敏 度 越 高 ， 接 收 机 灵 敏 度 s m i 。 大 小 由 下 式 决 定 : s m i 。 = k 几 风 厂 巩 了 ( 3 一 1 ) 上 式 中 k 为 波 耳 兹 曼 常 数 ， 兀 = 2 9 0 K ， 凡 为 系 统 噪 声 带 宽 ， M 为 识 别 系 数 ， 一 般 情 况 下 可 假 设 M = 1 ， 因 此 灵 敏 度 计 算 公 式 可 以 转 变 为 : s m i 。 = 一 1 7 4 + I O l g B n + F ( 3 一 2 ) 由 上 式 可 以 看 出 ， 在 噪 声 带 宽 确 定 情 况 下 ， 接 收 机 灵 敏 度 主 要 取 决 于 噪 声 系 数 。 3 . 1 . 2 选 择 ， } 生 选 择 性 表 示 接 收 机 选 择 所 需 信 号 而 抑 制 邻 频 干 扰 的 能 力 ， 通 常 用 “ 矩 形 系 数 ’ ， 来 衡 量 接 收 机 的 选 择 性 。 “ 矩 形 系 数 ” 表 示 了 接 收 机 的 谐 振 曲 线 接 近 矩 形 的 程 度 ， 若 接 收 机 高 、 中 频 部 分 的 通 频 带 越 窄 或 谐 振 曲 线 越 趋 于 矩 形 ， 则 在 接 收 有 用 信 号 的 同 时 所 收 到 的 邻 频 干 扰 越 小 ， 选 择 性 就 越 好 。 3 . 1 . 3 抗 干 扰 能 力 抗 干 扰 性 表 征 了 接 收 机 抗 干 扰 的 能 力 ， 这 一 点 对 于 军 用 的 接 收 机 系 统 而 言 尤 为 重 要 。 因 为 在 现 代 战 争 中 ， 敌 我 双 方 进 行 的 电 子 对 抗 十 分 激 烈 ， 如 果 抗 干 扰 能 力 差 ， 则 雷 达 正 常 工 作 将 会 遭 到 破 坏 而 失 去 作 用 ， 因 此 要 求 雷 达 接 收 机 系 统 具 备 良 好 的 抗 干 扰 能 力 。 第 三 章 高 温 超 导 接 收 机 前 端 基 本 理 论 3 . 1 . 4 动 态 范 围 接 收 机 的 输 入 信 号 大 到 一 定 程 度 后 ， 其 输 出 信 号 不 再 随 输 入 信 号 的 增 加 而 线 性 变 化 ， 严 重 时 接 收 机 甚 至 会 停 止 工 作 。 这 是 由 于 强 信 号 使 放 大 器 饱 和 ， 这 种 现 象 称 为 “ 过 载 ” 。 当 接 收 机 刚 发 生 过 载 时 ， 输 入 信 号 与 最 小 可 辩 信 号 的 比 值 称 为 接 收 机 的 “ 动 态 范 围 ” 。 对 于 雷 达 系 统 而 言 ， 要 求 接 收 机 的 动 态 范 围 足 够 大 ， 因 此 为 了 获 得 大 的 动 态 范 围 ， 有 些 接 收 机 中 还 采 用 了 一 些 抗 过 载 的 措 施 。 3 . 2 高 温 超 导 接 收 机 前 端 的 基 本 组 成 3 . 2 . 1 传 统 超 外 差 式 接 收 机 前 端 基 本 组 成 根 据 前 一 节 的 阐 述 ， 我 们 知 道 对 于 接 收 机 而 言 灵 敏 度 是 其 最 重 要 的 指 标 之 一 ， 因 为 它 在 很 大 程 度 上 决 定 了 雷 达 所 能 探 测 的 距 离 ( 视 距 ) ， 因 此 常 规 的 接 收 机 前 端 为 了 得 到 更 高 的 灵 敏 度 往 往 采 用 如 下 图 3 一 1 的 结 构 : 尘 i L N A 妹 ‘ } B P F } ” 二 目 D 0 1 坦 1 一 C 0 1 T 刀 e r t e r 刀 · 砸 . 弓 峥 阵 : t 1 l 百 . . L o c a l 0 8 e i l l a 士 o r } { 1 J 图 3 一 1 常 规 超 外 差 式 接 收 机 前 端 框 图 从 上 图 可 知 对 于 常 规 接 收 机 系 统 为 了 提 高 其 灵 敏 度 往 往 将 低 噪 声 放 大 器 置 于 滤 波 器 之 前 ， 由 噪 声 级 联 公 式 可 知 ， 如 果 低 噪 声 放 大 器 增 益 足 够 高 ， 则 整 个 接 收 机 的 噪 声 就 约 为 低 噪 声 放 大 器 的 噪 声 。 随 着 固 态 器 件 的 发 展 现 在 低 噪 声 放 大 器 的 噪 声 系 数 已 经 可 以 做 得 很 小 ， 因 此 该 结 构 可 以 使 接 收 机 灵 敏 度 做 得 很 好 。 上 述 结 构 虽 然 可 以 使 接 收 机 灵 敏 度 得 到 很 大 改 善 ， 但 却 带 来 了 另 外 一 个 问 题 : 即 接 收 机 的 抗 干 扰 能 力 和 动 态 范 围 可 能 因 此 大 打 折 扣 。 因 为 低 噪 声 放 大 器 将 直 接 放 大 天 线 接 收 到 的 所 有 信 号 : 一 方 面 带 外 过 强 信 号 会 使 放 大 器 饱 和 或 阻 塞 ， 另 一 方 面 带 内 过 强 信 号 易 使 放 大 器 烧 毁 。 随 着 雷 达 技 术 的 进 一 步 发 展 ， 对 军 用 雷 达 接 收 机 的 抗 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 干 扰 能 力 和 动 态 范 围 的 要 求 也 越 来 越 高 ， 上 述 结 构 显 然 己 经 不 能 满 足 这 种 需 求 。 为 了 提 高 雷 达 的 抗 干 扰 能 力 ， 人 们 往 往 将 带 通 滤 波 器 置 于 低 噪 声 放 大 器 之 前 ， 但 这 是 以 增 加 接 收 机 的 噪 声 系 数 为 代 价 的 ， 因 为 这 时 滤 波 器 的 插 入 损 耗 将 直 接 带 来 噪 声 ， 而 常 规 平 面 或 腔 体 滤 波 器 在 窄 带 且 级 数 多 的 情 况 下 差 损 往 往 较 大 ， 从 而 导 致 接 收 机 的 噪 声 恶 化 。 高 温 超 导 接 收 机 正 是 为 了 解 决 上 述 矛 盾 而 产 生 和 发 展 起 来 的 。 3 . 2 . 2 高 温 超 导 接 收 机 前 端 基 本 结 构 超 导 薄 膜 具 有 极 低 表 面 电 阻 ， 在 射 频 微 波 波 段 较 常 规 金 属 电 阻 低 3 一 5 个 数 量 级 ， 低 的 微 波 表 面 电 阻 损 耗 意 味 着 高 的 Q 值 ， 采 用 高 温 超 导 材 料 制 成 的 滤 波 器 在 级 数 多 和 带 宽 窄 的 情 况 下 仍 然 具 有 极 低 插 入 损 耗 。 因 此 高 温 超 导 接 收 机 可 以 将 超 导 滤 波 器 前 置 于 低 噪 声 放 大 器 且 不 引 入 过 多 的 噪 声 ， 这 对 低 噪 声 放 大 器 起 到 了 相 应 的 保 护 作 用 ， 从 而 也 提 高 了 接 收 机 的 抗 干 扰 能 力 。 高 温 超 导 接 收 机 前 端 的 基 本 结 构 框 图 如 下 图 3 一 2 所 示 [ 9 ] : 七 几 ; 净 二 1 1 1 1 1 1 ! t I : 1 . 1 . H T S B P F 林 4 1 L I A I . 以 击 1 D o l 汀 亡 c o 1 T 护 e r t e r · { ! 俨 } 呼 止 { . l ! l l L o e a l o s e i l l a t o 了 … … l J 图 3 一 2 高 温 超 导 接 收 机 前 端 框 图 图 3 一 2 中 的 虚 线 方 框 内 即 为 高 温 超 导 接 收 机 前 端 的 基 本 结 构 ， 其 中 除 了 L N A 以 外 其 余 器 件 目 前 均 已 有 可 能 采 用 高 温 超 导 材 料 来 实 现 ， 虽 然 目 前 难 以 用 超 导 材 料 直 接 实 现 低 噪 声 放 大 器 ， 但 采 用 H E M T 器 件 研 制 的 低 噪 声 放 大 器 仍 可 在 低 温 环 境 工 作 并 得 到 更 加 优 异 的 噪 声 和 增 益 性 能 ， 因 此 将 可 制 冷 低 噪 声 放 大 器 与 高 温 超 导 滤 波 器 等 超 导 器 件 集 成 一 体 化 置 于 低 温 下 工 作 将 大 大 提 高 高 温 超 导 接 收 机 的 性 能 并 已 成 为 一 种 趋 势 。 另 外 ， 接 收 机 前 的 天 线 也 有 望 采 用 高 温 超 导 材 料 来 实 现 。 虽 然 包 括 滤 波 器 、 天 线 、 本 振 及 延 迟 线 等 器 件 都 有 望 采 用 高 温 超 导 材 料 实 现 ， 但 就 目 前 而 言 高 温 超 导 滤 波 器 发 展 比 较 成 熟 。 第 三 章 高 温 超 导 接 收 机 前 端 基 本 理 论 对 于 军 用 雷 达 接 收 机 而 言 ， 为 了 增 强 抗 干 扰 能 力 ， 往 往 在 滤 波 器 之 前 还 加 入 了 起 保 护 作 用 的 限 幅 器 ， 对 常 规 接 收 机 而 言 限 幅 器 的 引 入 无 疑 将 带 来 附 加 的 噪 声 ， 但 超 导 接 收 机 却 可 以 充 分 利 用 超 导 材 料 的 特 殊 性 能 集 超 导 滤 波 器 和 限 幅 器 于 一 体 ， 换 句 话 说 ， 超 导 滤 波 器 本 身 就 是 一 个 限 幅 器 。 因 此 高 温 超 导 接 收 机 在 灵 敏 度 和 抗 干 扰 能 力 方 面 具 有 常 规 接 收 机 不 可 比 拟 的 优 越 性 。 由 于 高 温 超 导 技 术 在 军 用 雷 达 上 的 应 用 还 处 于 刚 刚 起 步 阶 段 ， 其 许 多 技 术 和 工 艺 还 在 实 验 室 摸 索 阶 段 ， 要 在 短 期 内 将 高 温 超 导 材 料 应 用 于 超 导 接 收 机 前 端 所 有 器 件 是 不 现 实 的 ， 故 本 课 题 致 力 于 高 温 超 导 前 端 关 键 子 系 统 的 研 究 ， 包 括 前 置 高 温 超 导 滤 波 器 以 及 低 温 低 噪 声 放 大 器 。 以 下 两 节 将 分 别 对 滤 波 器 和 低 噪 声 放 大 器 基 本 理 论 进 行 阐 述 。 3 . 3 滤 波 器 基 本 理 论 3 . 3 . 1 几 种 低 通 原 型 滤 波 器 的 比 较 由 于 其 他 原 型 滤 波 器 均 可 由 低 通 原 型 滤 波 器 通 过 频 率 变 换 得 到 ， 故 在 此 仅 简 要 介 绍 几 种 低 通 滤 波 器 原 型 【 ‘ 0 ] 。 3 . 3 . 1 . 1 最 平 坦 响 应 低 通 原 型 滤 波 器 最 平 坦 响 应 滤 波 器 的 特 点 是 具 有 一 个 靠 近 零 频 率 ( 直 流 ) 处 的 最 平 通 带 ， 趋 向 阻 带 时 ，衰 减 单 调 增 大 ， 在 。 = c o 上 出 现 无 限 大 值 。 其 响 应 的 数 学 表 达 式 为 ( 3 一 3 ) L ， 、 ， ) 一 ， 。 1 9 「 L ， + : { 又 典 a ， ‘ ) / 2 ” 1 」 、 分 贝 ) 式 中 f 生 ) 一 1 ￡ = 1 0 、 1 0 由 于 式 ( 3 一 3 ) 中 括 号 内 的 量 ， 在 口 = O 时 ， 具 有 最 大 可 能 数 目 的 零 导 数 ， 故 有 “ 最 平 坦 ” 之 称 。 3 . 3 . 1 . 2 切 比 雪 夫 响 应 低 通 原 型 滤 波 器 切 比 雪 夫 滤 波 器 的 特 点 是 : 在 通 带 内 ， 衰 减 在 零 值 和 所 规 定 的 上 限值 之 间 作 等 起 伏 变 化 ; 在 阻 带 内 ， 衰 减 单 调 增 大 ， 在 。 二 。 上 出 现 无 限 大 值 。 其 衰 减 特 性 的 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 数 学 表 达 式 为 : 五 · 恤 ” 一 ‘ 0 ‘ g { 1 一 卜 一 : 昌 ) ] } 。 、 。 ; ( 3 一 4 ) 五 · 恤 ‘ ， 一 ‘ 。 1 9 { 1 一 [ 一 : 备 ! … } 。 : 。 ; 若 n 为 偶 数 ， 则 通 带 内 L A = O 的 频 率 有 川 3 个 ; 若 n 为 奇 数 ， 则 通 带 内 L A = O 的 朔 . ~ 单 一 一 伺 — n + 1 / 人 } 、 。 遇 、 ， 市 ~ 山 网 一 阴 扳 、 山 玖 ， 二 起 一 认 ， ， 、 越 一 步 、 ， 阻 带 衰 减 曲 线 越 陡 ， 即 选 择 性 越 好 。 对 2 于 给 定 的 通 带 衰 减 L A r 和 电 抗 元 件 数 目 n ， 切 比雪 夫 滤 波 器 的 阻 带 衰 减 斜 率 比最 平 坦 滤 波 器 陡 得 多 。 3 . 3 . 1 . 3 椭 圆 函 数 响 应 低 通 原 型 滤 波 器 椭 圆 函 数 滤 波 器 的 特 点 是 : 衰 减 在 通 带 和 阻 带 内 都 呈 现 等 起 伏 变 化 ， 在 通 带 中 不 超 过 规 定 的 上 限 值 ， 在 阻 带 中 不 低 于 规 定 的 下 限 值 ， 其 参 量 必 须 用 椭 圆 函 数 进 行 计 算 ， 故 称 为 “ 椭 圆 函 数 滤 波 器 ” ， 也 称 为 “ 考 尔 滤 波 器 ” 。 该 滤 波 器 的 阻 带 衰 减 极 点 不 全 在 无 限 大 频 率 处 ， 因 而 用 这 种 滤 波 器 可 以 得 到 很 好 的 选 择 性 。 其 阻 带 最 小 衰 减 可 近 似 表 示 为 : : ， : 一 1 0 巨 g ( l o 乙 一 ‘ ’ “ 一 1 ) 一 n l : 、 ( 、 ) 一 1 . 2 」 ( 3 一 5 ) ( 3 一 6 ) 、 ( k ) 一 其 ‘ 。 { L ， 、 2 } 沪 约 / ’ 、 ， 5 } 沪 期 夕 ‘ 、 ， 5 0 { 铃 约 夕 6 、 … … 」 1 式 中 。 是 滤 波 器 网 络 的 支 路数 目 ， k 一 上 _ 几 : 游 是 计 算 这 种 滤 波 器 参 数 的 椭 圆 函 数 的 模 数 。 由 式 ( 3 一 5 ) 可 知 ， 其 中 有 三 个 自 变 量 L A r 、 n 、 k 和 一 个 因 变 量 玩 s ， 已 知 三 个 ， 就 可 求 得 另 外 一 个 。 故 可 由 通 带 最 大 衰 减 L A r 和 阻 带 最 小 衰 减 L A 。 以 及 选 择 性 因 素 几 ， 来 确 定 支 路 数 目 n o 椭 圆 函 数 低 通 滤 波 器 电 路 与 切 比 雪 夫 函 数 低 通 滤 波 器 电 路 不 同 ， 它 不 是 全 部 由 单 个 电 抗 元 件 的 支 路 组 成 ， 在 它 的 某 些 支 路 中 具 有 并 联 或 串联 的 L C 谐 振 回 路 ， 从 而 能 在 有 限 频 率 上 产 生 衰 减 极 点 ， 每 个 并 联 谐 振 电路 提 供 一 个 无 限 衰 减 极 点 ( 不 包 括 无 限 远 点 ) 。 以上 三 种 基 本 低 通 原 型 滤 波 器 响 应 曲 线 的 比 较 曲 线 如 下 图 3 一 3 所 示 : 第 三 章 高 温 超 导 接 收 机 前 端 基 本 理 论 认 以 以 ; 叭 { ~ . 丫 _ … / . . … _ 更 \ / - 以 ‘ 杯 ‘ 一 一 一 ‘ 一 ~ J 艺 一 。 z 确 书 ‘ 一 叮 ~ 二 。 } 户 / : 比 } 二 二 。 一 了 以 l ~ 0 琪 典 典 ( a ) 最 平 坦 型 彻 切 比 雪 夫 型 @ 椭 圆 函 数 型 图 3 一 3 三 种 低 通 原 型 滤 波 器 响 应 3 . 3 . 2 频 率 变 换 由 于 实 际 使 用 滤 波 器 以 低 通 或 带 通 滤 波 器 居 多 ， 且 本 课 题 研 究 的 是 带 通 滤 波 器 ， 故 在 此 只 给 出 了 由 低 通 到 带 通 的 变 换 式 ， 其 余 变 换 可 依 此 类 推 。 设 低 通 原 型 滤 波 器 频 率 变 量 为 。 ‘ ， 带 通 滤 波 器 频 率 变 量 为 。 ， 其 频 率 变 化 过 程 如 下 图 3 一 4 所 示 : 广 丫 一 。 诚 万 O 。 粉 。 口 必 ( 句 低 通 的 带 通 图 3 一 4 低 通 到 带 通 的 频 率 转 变 过 程 示 意 图 由 于 。 ‘ = 0 的 点 ， 变 换 成 。 = 。 。 的 点 ; 而 。 ‘ 二 。 的 点 变 换 成 。 = O 和 。 = 。 的 点 ， 故 由 低 通 到 带 通 的 变 换 式 是 了 、 r 。 了 1 ‘ 1 。 。 。 切 、 . ( 3 一 7 ) 叨 = 不 百 丁 ! 一 一 一 } 伴 、 毋 八 田 ) \ U / 式 中 砰 一 望 互 二 里 工 是 带 通 滤 波 器 的 相 对 带 宽 ， 。 。 一 了 石 画 奋 是 通 带 中 心 频 率 ， 。 2 是 上 勿 o 带 边 频 率 ， 。 ， 是 下 带 边 频 率 。 低 通 原 型 滤 波 器 中 电 感 元 件 刀 的 感 抗 经 过 式 ( 3 一 7 ) 变 换 后 可 得 : 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ‘ 。 。 八 、 _ ， _ 1 。 ， L ’ _ 皿 } 一 - 一 } L ‘ = 叭 一 下 ( 3 一 8 ) \ 毋 八 田 ] 田 七 _ \ U / J 式 中 必 : L ‘ L 。 = 一 ( 3 一 9 ) 阿 田 。 不 ( 3 一 1 0 ) 必 ; 。 。 L 由 此 可 见 ， 低 通 原 型 的 电 感 元 件 变 换 到 带 通 滤 波 器 中 为 电 感 L ， 和 电 容 C ， 相 串 联 ， 元 件 数 值 间 关 系 由式 ( 3 一 9 ) 和 式 ( 3 一 1 0 ) 来 确 定 。 至 于 低 通 原 型 中 的 电容 己 ， 其 容 纳 变 换 到 带 通 滤 波 器 中 为 乙 、 ‘ ， I _ ’ 口 ， _ 。 : 1 ‘ . 。 。 。 U 丫 . 1 ” ， _ z 、 l _ ， z ( 3 一 1 1 ) 毋 灿 一 下 丁 丁 } — 一 — } 七 ‘ 毋 七 。 一 一 丁 一 伴 气 毋 。 田 ] ‘ 改 刀 J \ u / P 式 中 几 吼 一 一 一 一 。 ; C ‘ ( 3 一 1 2 ) 砰 由 。 平 ( 3 一 1 3 ) 必 ; 。 。 C 由 此 可 见 ， 低 通 原 型 的 电 容 元 件 变 换 到 带 通 滤 波 器 中 为 电 感 环 和 电 容 C p 相 并 联 ， 元 件 数 值 间 关 系 由 式 ( 3 一 1 2 ) 和 式 ( 3 一 1 3 ) 来 确 定 。 3 . 3 . 3 藕 合 谐 振 电 路 基 本 理 论 祸 合 谐 振 电 路 在 射 频 微 波 滤 波 器 设 计 中 具 有 至 关 重 要 的 作 用 ， 对 于 窄 带 带 通 滤 波 器 而 言 更 是 如 此 。 因 为 不 论 是 波 导 滤 波 器 、 介 质 滤 波 器 还 是 平 面 滤 波 器 ， 只 要 知 道 滤 波 器 的 藕 合 系 数 矩 阵 及 外 部 品 质 因 素 就 可 以 设 计 出 所 需 要 的 滤 波 器 ， 并 且 根 据 藕 合 谐 振 电 路 理 论 设 计 的 滤 波 器 在 谐 振 器 选 择 上 具 有 相 当 的 灵 活 性 ， 由 此 构 成 的 滤 波 器 在 形 式 上 具 有 多 样 性 但 性 能 上 却 有 一 致 性 ， 因 此 从 藕 合 矩 阵 出 发 设 计 带 通 滤 波 器 已 成 为 较 为 通 用 有 效 的 方 法 [ 川 。 下 一 小 节 将 着 重 阐 述 祸 合 矩 阵 理 论 。 3 . 3 . 3 . 1 祸 合 矩 阵 滤 波 器 的 藕 合 矩 阵 和 阻 抗 矩 阵 密 切 相 关 ， 为 了 更 好 解 释 藕 合 矩 阵 ， 首 先 需 知 道 阻 抗 矩 阵 的 由 来 ， 为 此 下 面 给 出 了 滤 波 器 等 效 电 路 图 : 第 三 章 高 温 超 导 接 收 机 前 端 基 本 理 论 C 1 C n 只 | 尺 n 了 1 / - 、 了 匕 L 。 一 1 e 5 L 。 叮 ( i l ) 滤 波 器 的 谐 振 等 效 电 路 T T T T T T T w o 一 P o r t n 一 c o u P l e d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d V V V 1 1 1 r e s o n a t o r f i l t e r r r V 己 . . . R n 孟 孟 山 ) 滤 波 器 等 效 网 络 图 3 一 5 滤 波 器 的 谐 振 等 效 电 路 及 等 效 网 络 示 意 图 由 基 尔 霍 夫 电 压 定 律 得 : ‘ _ _ 1 、 _ { “ 1 + 了 叭 + 面 { ‘ 1 一 了 必 “ 2 ‘ 2 “ ‘ 一 了 田 气 ‘ 一 气 ‘ _ 1 、 ( 3 一 1 4 ) 一 j 毋 共 1 1 ， + } j 功 气 + 二 一 丁 不 } 气 · 一 J 必 共 n 气 二 U 又 j 毋 七 2 少 r _ _ 1 、 . 一 j 勿 人 l l ’ l 一 j 口 汽 2 1 2 . 二 + I 戈 + 了 田 气 + 下 兀 万 } l n = U 又 了 毋 七 二 夕 转 化 成 矩 阵 形 式 有 : R ， + j 毋 L ， + — 一 j 口 气 一 j 山 L j 口 C : 一 j 山 气 j 山 人 + — 一 j 口 L ( 3 一 1 5 ) j 毋 C 一 j 口 气 一 j 山 气 R 。 + j 必 L 。 上 述 矩 阵 可 简 化 为 : 1 7 护 电子科技大学硕士学位论文 [Z]'[i]=[ ε] 式中的 [Z] 即为睦揣在阵。 假设滤波器是同步的，则阻抗矩阵可进一步变成: [Z]= {OoL，PB 芹 [ZJ 其中 PBW 为相对带宽， [可是归一化阻扰矩阵，可表示为: 。L 1 (3-16) (3-17 ) -;-一-.-一一­ ω L FBW [ZJ =1-; m，L 再 P ωL 1 一;-一一-一一­ mL FBW (3 -18) 岱L 1 -;一一一· mL FBW R 一一一-一 +p mL.FBW 上式中 1 ({O (O^ 1 ，..， '.1 ^ R. 1 p=j-Li- -i i ，另外令----，-=一，则当 PBV亨 \ωEω) . {OoL Qei i=l ，时才QeI fO Q，因为输入输 L. .... m 出谱振器外部品质因素。定义糯合系数 M..= 一旦，在窄带情况下二三址，于是有: lJ L 岱Q [ZJ= 一一 +p qel -Jm2l 一Jm12 一Jmln P -Jm2n (3-19 ) -Jmnl 一Jmn -一一 +p qen 这里 qel 和也为相对外部品景因素，其值 ι-=gei-FBW i=1乒 图 3-5 中的(b)是伪的等效网络，根据网络参数推得传输与反射表达式为: ‘ . .("f 2禹王 r-;:;l-l μ2lqL-FBFFr LJ (3-20) S" =1- 2RI rZ T1 UωBL-FBW L i 将上面提到的梧对井部品质因素代入以上两式可进一步得到: (3-21 ) - 18 - .. 第 三 章 高 温 超 导 接 收 机 前 端 基 本 理 论 _ _ 1 厂 二 ， 一 1 ( 3 一 2 2 ) ‘ 一 z 骊 忑 L 艺 如 ( 3 一 2 3 ) s l ， 一 ， 一 与 q e 一 ‘ 可 以 上 关 系 式 说 明 滤 波 器 的 传 输 和 反 射 特 性 可 以 由 归 一 化 阻 抗 矩 阵 完 全 决 定 。 由 于 滤 波 器 的 阻 抗 矩 阵 与 祸 合 系 数 及 外 部 品 质 因 素 密 切 相 关 ， 下 面 将 进 一 步 讨 论 阻 抗 矩 阵 、 藕 合 矩 阵 以 及 外 部 品 质 因 素 间 的 关 系 。 归 一 化 阻 抗 矩 阵 主 要 由 祸 合 系 数 m 。 · 外 部 品 质 因 素 q e ， 以 及 频 率 变 换 式 p 三 个 部 分 组 成 ， 因 此 矩 阵 可 分 解 成 : [ 牙 」 一 [ 、 1 + : [ U ] 一 j [ m l ( 3 一 2 4 ) 其 中 【 U l 为 n x n 单 位 矩 阵 ; l 。 1 也 是 n x n 矩 阵 ， 且 除 、 l ; 一 1 / 。 。 ， 和 。 。 。 一 l / 、 。 : 外 其 余 值 均 为 o ; l m l 为 滤 波 器 的 祸 合 矩 阵 ， 它 是 一 个 互 易 网 络 ， 故 可 以 表 示 为 : ! 、 e 厂 t e e l a e e s e s e s s e o w e e s r s s e e ﹁ l e e e l e s l e l e s e s l s s e s e s s e e s m m m 0 l l l … m l z o 飞 m l s 伙 m m 3 l o … m 一 一 m 2 3 ( 3 一 2 5 ) m Z n m 3 n 以 上 阐 述 的 滤 波 器 均 为 同 步 滤 波 器 ， 若 滤 波 器 不 是 同 步 的 ， 则 藕 合 矩 阵 的 对 角 元 素 值 不 为 0 ， 故 藕 合 矩 阵 应 为 : 月 广 e e e o t s e s e l s s ﹂ . s m m m m l l l l … m 伙 伙 l … m m l 伙 3 … 气 m m m n n n 3 n l … m 一 一 ﹁ 1 l e e s e s … s . . . . ( 3 一 2 6 ) m Z n m 3 n 根 据 以 上 阐 述 ， 为 了 得 到 指 定 凡 ， ( 川 和 S ， ， ( 月 的 滤 波 特 性 ， 只 要 确 定 其 祸 合 矩 阵 和 外 部 品 质 因 素 即 可 ， 因 此 祸 合 矩 阵 和 外 部 品 质 因 素 的 综 合 就 成 为 祸 合 谐 振 带 通 滤 波 器 设 计 关 键 。 下 面 就 对 藕 合 矩 阵 的 藕 合 系 数 做 进 一 步 分 析 。 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 . 3 . 3 ， 2 藕 合 系 数 分 析 藕 合 系 数 作 为 祸 合 矩 阵 的 基 本 元 素 ， 在 滤 波 器 设 计 中 起 到 至 关 重 要 的 作 用 ， 通 过 对 两 个 具 有 特 定 位 置 关 系 的 谐 振 器 进 行 仿 真 ， 发 现 在 频 率 响 应 曲 线 上 会 得 到 两 个 分 开 的 谐 振 频 率 ， 且 这 两 个 分 开 的 谐 振 模 式 正 好 与 藕 合 系 数 直 接 关 联 〔 ‘ 2 〕 ，这 也 就 是 人 们 常 用 祸 合 系 数 来 设 计 滤 波 器 的 原 因 。本 小 节 将 以 电 磁 藕 合 为 例 详 细 说 明藕 合 系 数 与 谐 振 频 率 的 关 系 。 二 认 气 井 丫 二 l l l l l l l ! ! ! l l l l l l l ! ! ! l l l l l l l l l l l l l l l l l . . . 【 ; ; 【 ; ; ; l l l l l l l l l l d . 臼 臼 l l l l l l l 一 J J J . . . . . . . l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l 石 _ 丫 。 ! 矛 l 、 诊 ‘ - · - - - - 一 ， 几 戮 几 J 锄 C . ( a ) 电 场 祸 合 等 效 电 路 的 电 场 祸 合 等 效 电 路 变 换 形 式 图 3 一 6 电 场 藕 合 等 效 电 路 及 其 变 换 形 式 图 3 一 6 ( a ) 给 出 了 电 场 藕 合 等 效 电 路 模 型 ， 其 中 L 为 自 电 感 ， c 为 自电容 ， c 。 为 互 电 容 。 对 于 单 谐 振 器 而 言 ， 其 角 频 率 。 一 l / 了 茄 。 如 果 以 兀 一 兀 ’ 和 兀 一 九 为 参 考 面 的 话 ， 那 么 中 间 部 分 可 以 视 为 一 个 二 端 口 网 络 。然 后 再 根 据 网 络 理 论 〔 ’ 3 ] 就 可 以 得 到 如 图 3 一 6 ( b ) 所 示 的 等 效 电 路 变 换 形 式 ， 这 仍 是 一 个 二 端 口 网 络 ， 但 是 极 大 地 方 便 了 讨 论 。 如 果 将 图 3 一 6 伪 ) 中 的 对 称 平 面 T 一 厂 用 电 壁 或 者 短 路 面 来 代 替 ， 那 么 此 时 电 路 的 谐 振 频 率 为 : f e = ( 3 一 2 7 ) 2 二 了 : ( e + 吼 ) 该 谐 振 频 率 略 低 于 祸 合 前 单 个 谐 振 器 的 谐 振 频 率 ， 物 理 上 的 解 释 是 : 引 入 短 路 面 后 ， 藕 合 效 应 增 强 了 单 个 谐 振 器 的 存 储 能 力 ， 故 谐 振 频 率 降 低 。 类 似 的 ， 若 用 开 路 面 代 替 对 称 平 面 ， 由 于 藕 合 效 应 减 弱 了 单 个 谐 振 器 的 存 储 能 力 ， 此 时 电路 的 谐 振 频 率 将 会 升 高 ， 其 值 为 : 几 = 万 一 - 不 一 二 二 ， 一 了 ， ( 3 一 2 8 ) z 汀 V L ( C 一 c m ) 第 三 章 高 温 超 导 接 收 机 前 端 基 本 理 论 利 用 以 上 两 式 可 以 求 得 电 藕 合 系 数 为 : 刀 一 f e z c 。 K E = ( 3 一 2 9 ) 刀 十 f e z c 对 于 磁 场 藕 合 以 及 电 磁 场 混 合 祸 合 ， 采 用 类 似 的 方 法 可 以 求 得 谐 振 频 率 及 谐 振 频 率 和 藕 合 系 数 的 关 系 ， 限 于 篇 幅 在 此 仅 给 出 结 论 。 磁 场 祸 合 的 谐 振 频 率 及 祸 合 系 数 为 : 关 味 淤而 ( 3 一 3 0 ) 几 不 扁 布 刀 一 刀 瓜 = f e z + 方 _ 几 L : 电 磁 场 混 合 祸 合 的 谐 振 频 率 及 祸 合 系 数 为 : ( 3 一 3 1 ) 刃 一 刀 凡 = f e z + 刀 _ L 呱 C + 十 几 L 嗽 嗽 假 设 式 : c 从 < < L C ， 此 时 凤 洲 _ 万 ‘ — 几 叫 . r 一 吼 = 虱 + 瓦 ， 说 明 在 这 种 情 况 下 混 合 祸 合 就 是 电 场 祸 合 和 磁 场 藕 合 的 叠 加 。 3 ， 3 . 3 . 3 外 部 品 质 因 素 推 导 对 于 藕 合 滤 波 器 而 言 ， 输 入 输 出 祸 合 线 或 抽 头 设 计 至 关 重 要 ， 而 输 入 输 出 抽 头 的 位 置 或 祸 合 量 的 多 少 又 直 接 决 定 于 外 部 品 质 因 素 Q e ， 故 本 小 节 对 Q e 的 由 来 做 了 一 个 简 单 的 推 导 。 因 单 加 载 谐 振 器 Q e 在 滤 波 器 设 计 中 应 用 较 多 且 推 导 相 对 简 单 ， 故 以 加 载 谐 振 器 为 例 说 明 Q e 的 作 用 ， 下 图 是 滤 波 器 输 入 或 输 出 单 加 载 谐 振 器 及 等 效 电 路 : 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 3 一 7 单 加 载 谐 振 器 及 等 效 电 路 由 等 效 电 路 可 知 激 励 端 口 反 射 应 为 : G 一 几 1 一 Y / G 筑 l = ( 3 一 3 2 : ) G + 珠 1 + 珠 / G 上 式 中 的 蛛 为 谐 振 器 的 输 入 导 纳 ，其 值 为 1 1 ， = J 山 七 _ 份 甲 1 下 = J . 勿 声 _ 厂 } 一 。 一 一 畴 、 } ( 3 一 3 3 ) 了 毋 L 又 叽 口 少 令 Q e = 。 。 C / G 且 。 二 鸟 + △ 。 ， 则 结 合 以 上 两 式 可 推 出 : 1 一 j Q e · ( 2 △ 树 % ) O 曰 = — ( 3 一 3 4 ) 1 + j Q e · ( 2 △ 毋 / 叭 ) 若 谐 振 器 的 损 耗 很 小 ， 则 反 射 s l ， 的 幅 度 近 似 为 但 相 位 随 频 率 变 化 ， 下 图 示 出 了 凡 l 的 相 位 随 频 率 变 化 曲 线 : 1 1 巧 叨 3 5 8 0 分 忍 鱿 沙 J 二 d o 。 姚 . 八 叫 。 一 4 5 一 9 0 一 1 3 5 一 1 8 0 图 3 一 8 5 1 ， 相 位 随 频 率 变 化 曲 线 第 三 章 高 温 超 导 接 收 机 前 端 基 本 理 论 由 戈 ， 的 关 系 式 可 知 ， 当 相 位 变 化 为 士 9 0 度 时 有 如 下 关 系 式 : △ 勿 _ Z Q e 一 = 荆 ( 3 一 3 5 ) 田 。 勿 n 故 有 △ 叭 9 。 = △ 叭 一 △ 田 一 = 廿 ( 3 一 3 6 ) 从 因 此 得 到 外 部 品 质 因 素 的 表 达 式 为 鸟 Q e = ( 3 一 3 7 ) △ 叭 9 0 外 部 品 质 因 素 除 了 用 上 式 表 达 外 ， 还 可 以 用 s 1 ， 的 群 时 延 来 表 示 ， 采 用 类 似 的 方 法 可 推 出 : Q e = 鸟 · 几 ( 叭 ) ( 3 一 3 8 ) 4 从 以 上 两 个 式 子 可 知 ， 若 知 道 滤 波 器 的 Q e ， 则 可 以 根 据 S ， 1 的 相 位 或 群 时 延 与 频 率 的 关 系 确 定 滤 波 器 输 入 输 出 抽 头 位 置 或 藕 合 线 的 祸 合 量 。 需 要 注 意 的 是 ， 有 些 情 况 下 况 1 的 相 位 在 谐 振 频 率 处 并 不 为 o ， 而 是 有 一 定 偏 移 ， 在 设 计 的 时 候 应 该 以 这 个 偏 移 点 为 基 准 来 确 定 △ 叭 9 。 ， 同 样 的 ， 采 用 群 时 延 方 法 来 设 计 时 也 有 同 样 的 问 题 。 3 . 4 低 噪 声 放 大 器 基 本 理 论 对 于 低 噪 声 放 大 器 而 言 ， 噪 声 系 数 、 反 射 系 数 、 功 率 增 益 以 及 稳 定 性 等 都 是 重 要 的 性 能 参 数 ， 因 此 下 面 将 针 对 这 些 方 面 分 开 讨 论 。 3 . 4 . 1 晶 体 管 噪 声 理 论 3 . 4 . 1 . 1 晶 体 管 的 噪 声 来 源 本 征 场 效 应 管 的 噪 声 来 源 主 要 有 两 个 : 一 是 热 噪 声 ; 二 是 感 应 栅 极 噪 声 ， 其 噪 声 等 效 电 路 如 图 3 一 9 所 示 [ I 4 ] : 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 「 一 辱 丽 硒 夏 矛 香 - 一 只 “ 占 、 今 犷 万 / _ 孔 ， 厂 \ / r 。 闷 愿 L _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ J 图 3 一 9 本 征 场 效 应 晶 体 管 噪 声 等 效 电 路 热 噪 声 : 沟 道 中 导 电 部 分 的 电 阻 产 生 的 噪 声 是 由 载 流 子 通 过 沟 道 不 规 则 热 运 动 而 引 起 的 ， 故 称 为 沟 道 热 噪 声 ， 噪 声 电 流 均 方 值 表 示 为 : 偏 = 4 k T 蟾 。 尸 ( 3 一 3 9 式 中 P 是 与 直 流 偏 压 及 内 部 结 构 有 关 的 因 子 。 . 栅 极 与 源 极 间 的 感 应 栅 极 噪 声 : 由于 沟 道 热 噪 声 电压 使 栅 极 与 沟 道 直 角 的 耗 尽 层 宽 度 起 伏 变 化 ， 通 过 C g s 在 栅 极 上 感 应 产 生 噪 声 电压 ， 用 噪 声 电 流 源 魄 表 示 。 i n g 与 i n u 都 和 沟 道 电 阻 有 关 ， 而 感 应 电 压 又 与 频 率 有 关 ， 因 而 : 二 以 C 子 _ 偏 = 4 k T 鲜 ’ 一 尺 ( 3 一 4 0 ) g 功 。 式 中 R I 是 与 直 流 偏 置 和 器 件 的 几 何 尺 寸 都 有 关 的 因 子 。 . 高 场 扩 散 噪 声 和 谷 标 散 射 噪 声 。 4 . 1 . 2 晶 体 管 的 噪 声 系 数 在 室 温 下 ( 2 9 0 K ) 微 波 器 件 的 噪 声 系 数 F 时 的 定 义 如 下 : ( 3 一 4 1 ) 式 中 F 为 噪 声 系 数 ， 殊 和 刀 厉 分 别 为 微 波 器 件 输 入 端 信 号 功 率 和 噪 声 功 率 ， s o 二 和 凡 u T 分 别 为 微 波 器 件 输 出 端 信 号 功 率 和 噪 声 功 率 。 从 式 ( 3 一 4 1 ) 可 以 看 出 ， 噪 声 系 数 的 物 理 含 义 是 : 信 号 通 过 放 大 器 之 后 ， 由 于 第 三 章 高 温 超 导 接 收 机 前 端 基 本 理 论 放 大 器 产 生 噪 声 ， 使 信 噪 比 变 坏 ， 信 噪 比 下 降 的 倍 数 就 是 噪 声 系 数 。 理 论 和 实 践 证 明 晶 体 管 噪 声 系 数 可 表 示 成 下 式 : _ _ R 户 ’ 一 户 。 1 1 、 饭 南 ’ 长 一 凡 ! 诬 ! ( 3 一 4 2 ) 一 凡 i 二 含 [ ( 叹 一 叽 ! ) ’ · ( 典 一 “ 叩 ‘ ) ’ 」 式 中 凡 i n 是 晶 体 管 最 小 噪 声 系 数 ， 凡 代 表 网 络 噪 声 电 压 大 小 的 等 效 电 阻 ; 叹 和 典 是 信 号 源 的 电 导 和 电 纳 ; G o P ， 和 B o p ， 是 最 佳 源 电 导 和 电 纳 ， 它 可 以 经 过 直 接 测 量 或 应 用 下 式 近 似 计 算 得 到 [ ‘ 5 】 : ( 3 一 4 3 ) 、 ‘ 一 … 。 { 套 一 人 ， 一 : { ! 一 ‘ 尹 \ / | | | | l 、 / 、 、 J l e s e s e s B 一 一 玉 f c s s ( 3 一 4 4 ) ‘ 砂 尸 从 另 一 个 角 度 说 ， 器 件 输 入 端 噪 声 功 率 可 以 等 效 于 信 号 源 阻 抗 在 T 0 时 产 生 的 热 噪 声 ， 那 么 放 大 器 自 身 的 噪 声 也 可 看 成 一 个 兀 的 物 体 产 生 的 热 噪 声 ， 若 把 T e 理 解 为 放 大 器 的 等 效 噪 声 温 度 ， 这 时 放 大 器 的 输 出 端 噪 声 功 率 为 : N o : ‘ ， = k ( T 0 + T e ) 八 水 了 ( 3 一 4 5 ) 通 过 计 算 可 得 到 放 大 器 噪 声 温 度 孔 和 噪 声 系 数 的 关 系 为 : T e 一 T 0 ( 价 一 l ) ( 3 一 4 6 ) 利 用 上 式 可 得 到 噪 声 系 数 和 噪 声 温 度 的 对 应 关 系 汇 ‘ “ ] 。 实 际 电 路 设 计 中 为 了 得 到 足 够 的 增 益 往 往 采 用 多 级 放 大 的 电 路 形 式 ， 级 联 后 的 等 效 噪 声 级 联 公 式 如 下 所 示 : F = 月 + 里 卫 + 二 卫 十 … + 一 竺 匕 k 一 ( 3 一 4 7 ) q q q q 吼 … G n 一 ， 式 中 F 是 多 级 放 大 器 的 总 噪 声 系 数 ， 只 和 q ( i = 1 ， 2 ， … … ， 。 一 l ) 分 别 为 单 级 噪 声 系 数 和 功 率 增 益 。 可 见 前 置 放 大 器 噪 声 系 数 对 放 大 器 总 噪 声 系 数 影 响 最 大 ， 若 前 级 放 大 器 增 益 够 大 ， 则 后 置 放 大 器 对 总 噪 声 系 数 影 响 很 小 。 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 . 4 . 2 反 射 系 数 与 驻 波 晶 体 管 工 作 的 二 端 口 网 络 可 如 下 图 所 示 ， 图 中 的 微 波 晶 体 管 可 以 是 双 极 型 晶 体 管 也 可 以 是 场 效 应 管 。 1 一 谁 爵 裔 Z s 做 做 波 晶 体 管 管 管 管 a S 咬 芝 — 5 5 5 5 5 5 5 1 1 5 1 2 2 2 二 二 5 5 5 5 5 2 1 5 2 2 2 2 2 2 丫 霎 Z o u t P i n r o u t 图 3 一 1 0 晶 体 管 二 端 口 网 络 示 意 图 由 上 图 可 推 得 该 二 端 口 网 络 的 反 射 系 数 为 : 凡 2 又 ， F : r 、 一 互 一 5 1 1 + 1 一 又 Z r : ( 3 一 4 8 F ， ， 一 互 一 况 ， 、 互 盛 二 1 一 S l ， r : 式 中 r i 。 和 r o u 犷 分 别 是 输 入 反 射 系 数 和 输 出 反 射 系 数 。 若 满 足 条 件 r 落 = r * 及 r l = r o u 。 ， 可 实 现 二 端 口 网 络 功 率 匹 配 ; 若 上 述 条 件 不 满 足 ， 则 存 在 一 定 失 配 ， 此 时 对 输 入 端 口 而 言 ， 从 电 源 出 来 的 能 量 不 再 全 部 传 输 出 去 ， 而 是 部 分 反 射 回 来 ， 从 网 络 参 数 角 度 说 就 是 输 入 端 反 射 系 数 不 再 为 0 。 反 射 系 数 是 判 断 电 路 匹 配 好 坏 的 重 要 参 数 ， 有 时 为 了 方 便 也 采 用 驻 波 系 数 来 表 示 ， 驻 波 系 数 定 义 为 : 1 + } F } 乡 几 罗 不 厂 尺 = 户 昌 ( 3 一 4 9 1 一 … r ] 上 式 中 V S 硼 就 是 驻 波 系 数 ， 从 公 式 可 以 看 出 ， 当 } r l 一 0 时 ， V s 瑕 取 得 最 小 值 1 ， 表 示 此 时 匹 配 良 好 ; 反 之 ， V S 环 天 越 大 意 味 着 电 路 失 配 越 严 重 。 3 . 4 . 3 放 大 器 功 率 增 益 功 率 增 益 是 放 大 器 的 重 要 指 标 之 一 ，微 波 晶 体 管 放 大 器 的 功 率 增 益 是 管 子 S 第 三 章 高 温 超 导 接 收 机 前 端 基 本 理 论 参 量 、 源 阻 抗 和 负 载 阻 抗 的 函 数 。 但 是 根 据 不 同 的 目 的 和 要 求 ， 采 用 源 阻 抗 和 负 载 阻 抗 不 同 ， 所 得 到 的 功 率 增 益 是 不 同 的 。 通 常 有 三 种 功 率 增 益 方 式 : 分 别 是 转 换 功 率 增 益 味 、 实 际 功 率 增 益 味 和 资 用 功 率 增 益 气 ， 其 定 义 如 下 式 所 示 : 气 乓 味 一 一 一 一 一 一 立 立 恤 端 气 瑞 ( 3 一 5 0 ) 上 式 中 尺 为 输 送 到 负 载 的 功 率 ， 只 二 为 来 自 信 号 源 的 可 用 功 率 ， 只 。 为 来 自 网 络 的 可 用 功 率 。 由 上 面 定 义 及 二 端 口 网 络 理 论 ， 可 以 推 出 乓 、 味 以 及 吼 表 达 式 如 下 【 ‘ 7 ] : 、 一 乎 ， : 1 ， 2 … 丁 缎 寿 ( 3 一 5 1 ) : · 肯 ， : 1 广 奇 二 一 h a ， : 1 厂 公 S ， 2 又 I F : 式 中 : F J N = S ， ， 十 1 一 凡 Z r : ; 孺 二 一 民 ， 十 l 凡 一 遇 戈 工 ; l ’ : 呈 。 在 这 三 种 功 率 增 益 中 : 吼 只 与 输 出 端 匹 配 程 度 有 关 ， 而 与 输 入 匹 配 程 度 无 关 ; 吼 只 与 输 入 端 有 关 而 与 输 出 端 无 关 ， 只 有 转 换 功 率 增 益 乓 同 时 与 输 入 输 出 都 有 关 。 因 此 用 乓 表 示 放 大 器 增 益 比 较 全 面 ， 它 表 示 了 插 入 放 大 器 后 ， 无 源 负 载 上 所 得 到 的 功 率 比 无 放 大 器 时 所 能 得 到 的 最 大 功 率 增 加 的 倍 数 。 3 . 4 . 4 放 大 器 的 稳 定 性 稳 定 性 对 于 放 大 器 而 言 至 关 重 要 ， 它 是 放 大 器 性 能 指 标 得 以 实 现 的 前 提 条 件 。 放 大 器 的 稳 定 性 可 分 为 两 大 类 : 一 类 称 为 无 条 件 稳 定 或 绝 对 稳 定 ; 另 一 类 称 为 有 条 件 稳 定 或 潜 在 不 稳 定 。 所 谓 无 条 件 稳 定 是 指 不 存 在 可 以 引 起 振 荡 的 负 载 ， 也 就 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 是 在 r ， 和 F Z 负 载 平 面 上 单 位 圆 内 任 意 点 上 ， 网 络 都 是 稳 定 的 。 有 条 件 稳 定 是 指 在 F ， 和 F Z 负 载 平 面 上 单 位 圆 内 的 某 些 区 域 ， 网 络 的 输 入 或 输 出 阻 抗 呈 现 负 阻 ， 网 络 在 一 定 条 件 下 能 稳 定 工 作 ， 如 果 适 合 改 变 负 载 ， 它 就 可 能 振 荡 起 来 ， 因 此 也 称 这 . 种 网 络 为 潜 在 不 稳 定 。 求 稳 定 条 件 可 以 从 网 络 输 入 阻 抗 是 否 为 负 阻 着 手 ，输 出 端 接 任 意 负 载 Z 。 时 的 输 入 反 射 系 数 : 占 _ ; . t = 二 b ， = 占 _ 1 ， 十 一 s ， ， 及 I F ， = 凡 : 一 r l △ ( 3 一 5 2 a l ‘ ’ l 一 l ’ 2 凡 2 1 一 r ; 筑 ， △ = 况 l 凡 : 一 况 2 凡 ， ( 3 一 5 3 : ) 若 … 拭 l } > ‘ ， 贝 。 输 入 阻 抗 为 负 阻 性 质 ， 网 络 是 潜 在 不 稳 定 的 ; 若 I s i ， 卜 ‘ ， 即 输 入 阻 抗 是 有 损 耗 的 正 阻 性 质 ， 网 络 绝 对 稳 定 。 故 划 分 稳 定 与 不 稳 定 的 分 界 线 是 } 拭 1 { 一 ‘ 。 { 况 ， 一 r ， △ { _ _ ， _ _ _ . 、 _ _ ， ， ， . _ 、 _ _ 学 百 ， ， : I 二 2 2 下 ， 户 e s l = l ， 叫 得 贝 载 半 回 上 的 一 个 圆 万 程 : 1 1 一 1 2 百 2 2 1 几 二 … 了 万 华 警 辱 」 上 不 … ( 半 径 ) 1 1 } 姚 2 { 一 l △ } 一 { 1 ( 3 一 5 4 ) ( 又 2 一 △ s l ， ) ’ 凡 = ( 圆 心 ) } 凡 2 } ’ 一 { 八 { ’ 此 即 为 稳 定 判 别 圆 ， 由 于 r Z 平 面 上 原 点 r Z = 0 ， 要 求 这 一 点 稳 定 必 须 } 拭 ， 卜 ‘ 。 因 此 保 证 r Z 平 面 原 点 的 稳 定 条 件 是 1 瓦 1 卜 ‘ 。 在 原 点 是 稳 定 的 前 提 下 ， 如 果 稳 定 圆 包 含 原 点 ， 则 圆 内 区 域 是 稳 定 的 ; 反 之 圆 外 区 域 是 稳 定 的 。 对 于 绝 对 稳 定 ， 要 求 F Z 平 面 上 整 个 单 位 圆 内 } r Z } : 1 都 在 稳 定 区 内 ， 由 此 可 得 绝 对 稳 定 条 件 : l 一 { 凡 l } ， 一 { 凡 2 { ， + } △ } ， > 2 { 5 1 2 5 2 1 } ( 3 一 5 5 ) 定 义 稳 定 系 数 : K 二 到 叮 2 { } 业 戈 2 到 凡 ; 二 } 坐 二 ( 3 一 5 6 ) 第 三 章 高 温 超 导 接 收 机 前 端 基 本 理 论 对 信 源 平 面 可 作 类 似 的 处 理 ， 故 有 源 线 性 双 口 网 络 绝 对 稳 定 条 件 为 : { 5 1 1 1 < 1 } 1 又 2 } < 1 ( 3 一 5 7 ) K > 1 如 果 晶 体 管 参 量 在 一 段 频 率 范 围 内 符 合 上 式 ， 则 晶 体 管 在 此 频 段 内 是 绝 对 稳 定 的 。 也 就 是 说 在 这 个 频 率 范 围 内 晶 体 管 的 输 入 输 出 端 接 任 意 无 源 负 载 都 不 会 引 起 振 荡 。 若 不 满 足 上 式 ， 则 晶 体 管 是 潜 在 不 稳 定 的 。 在 某 个 负 载 区 域 内 ， 它 可 能 发 生 振 荡 。 这 时 候 要 使 放 大 器 能 够 稳 定 工 作 ， 必 须 避 开 不 稳 定 区 域 或 以 很 重 的 正 电 阻 负 载 去 压 倒 负 阻 。 对 于 这 两 种 情 况 放 大 器 的 设 计 方 法 是 不 同 的 。 上 面 得 到 的 稳 定 条 件 是 保 证 整 个 单 位 圆 内 稳 定 的 条 件 。 有 时 网 络 两 端 的 负 载 不 是 任 意 的 ， 而 是 预 先 有 个 规 定 的 范 围 。 此 时 的 稳 定 条 件 可 以放 宽 ， 它 是 网 络 连 同 两 端 负 载 一 起 的 总 稳 定 条 件 。 对 于 潜 在 不 稳 定 的 晶 体 管 ， 若 在 设 计 放 大 器 时 很 难 避 开 不 稳 定 的 区 域 ， 使 得 频 带 内 晶 体 管 处 于 非 稳 定 状 态 ， 则 应 当 采 取 适 当 措 施 使 晶 体 管 进 入 稳 定 状 态 。 通 过 外 加 电 阻 性 负 载 或 合 适 的 反 馈 网 络 可 以 使 不 稳 定 性 得 到 极 大 的 改 善 。 关 于 这 一 点 ， 在 低 噪 声 放 大 器 具 体 设 计 时 还 会 专 门 论 述 。 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 第 四 章 高 温 超 导 滤 波 器 研 制 4 . 1 高 温 超 导 滤 波 器 与 常 规 微 带 滤 波 器 性 能 比 较 高 温 超 导 薄 膜 具 有 极 低 微 波 表 面 电 阻 ， 在 U H F 频 段 比 常 规 金 属 材 料 的 表 面 电 阻 小 近 5 个 数 量 级 ， 因 此 采 用 超 导 材 料 制 成 的 滤 波 器 具 有 良 好 的 带 边 陡 度 和 极 低 的 插 入 损 耗 ， 更 接 近 于 一 个 理 想 的 滤 波 器 。下 图 4 一 1 示 出 了 相 同 带 宽 下 超 导 滤 波 器 和 常 规 微 带 滤 波 器 的 幅 频 特 性 。 P l 瞥 是 t 身 。 l l l ︶ ︵ 一 是 二 ， 身 粤 ︶ 召 工 F x · e q l 一 e n e y 仍 任 回 F I . e ( l [ 1 。 1 ( y 仍 任 I z ) ( a ) 超 导 滤 波 器 幅 频 曲 线 ( b ) 常 规 微 带 滤 波 器 幅 频 曲 线 图 4 一 1 超 导 滤 波 器 和 常 规 微 带 滤 波 器 的 幅 频 特 性 上 图 是 一 组 准 椭 圆 函 数 滤 波 器 理 论 计 算 曲 线 ， 从 图 中 可 以 看 出 : 在 相 对 带 宽 较 窄 情 况 下 ， 超 导 滤 波 器 的 性 能 远 远 优 于 常 规 微 带 滤 波 器 。 高 温 超 导 滤 波 器 优 异 的 性 能 是 得 益 于 超 导 材 料 优 越 的 微 波 性 能 ， 下 一 小 节 将 对 本 次 设 计 所 用 超 导 薄 膜 及 介 质 衬 底 做 相 应 介 绍 。 4 . 2 超 导 薄 膜 及 介 质 衬 底 选 择 4 . 2 . 1 高 温 超 导 薄 膜 自 1 9 8 6 年 以 来 己 发 现 并 研 制 成 了 多 种 高 温 超 导 材 料 ， 然 而 在 所 有 高 温 超 导 体 中 发 展 得 最 好 并 获 得 成 功 应 用 的 是 铭 系 和 馆 系 外 延 薄 膜 。 从 发 表 的 研 究 成 果 来 看 ， 第 四章 高 温 超 导 滤 波 器 研 制 使 用 最 多 的 是 Y B C O 薄 膜 。 原 因 之 一 是 Y B C O 的 T 。 为 9 2 K ， 离 液 氮 温 度 7 7 K 较 远 ， 这 使 它 可 在 此 温 度 下 正 常 工 作 。 B i 系 超 导 体 的 T 。 虽 高 于 Y B C O ， 但 是 它 的 高 温 相 不 易 形 成 ，增 加 了 制 备 难 度 。 T l 系 超 导 体 的 T 。 更 高 些 ， 但 制 备 过 程 中 有 剧 毒 物 质 存 在 ， 需 要 采 取 防 护 措 施 。 T l 和 T 1 2 0 3 都 是 易 挥 发 物 ， 在 制 备 过 程 中 容 易 损 失 T 1 原 子 ， 使 成 分 控 制 难 度 增 大 。 与 B i 系 和 T 1 系 高 温 超 导 体 相 比 ， Y 系 薄 膜 的 制 备 要 容 易 一 些 ， 其 应 用 也 更 为 广 泛 。 本 论 文 所 采 用 的 就 是 电 子 科 技 大 学 微 电 子 与 固 体 电 子 学 院 所 制 备 的 Y B C O / L a A 1 0 3 / Y B C O 双 面 薄 膜 。 4 . 2 . 2 高 温 超 导 衬 底 材 料 超 导 薄 膜 的 最 佳 性 能 要 求 是 外 延 的 “ 单 晶 ” 结 构 ， 表 面 光 滑 无 颗 粒 ， C 轴 垂 直 于 超 导 膜 面 。 衬 底 是 生 长 超 导 薄 膜 的 模 板 ， 因 此 它 的 选 择 极 为 重 要 ， 要 求 衬 底 与 超 导 薄 膜 的 晶 格 常 数 相 匹 配 ， 具 有 足 够 的 机 械 强 度 和 化 学 稳 定 性 ， 以 及 良 好 的 微 波 性 能 。 白 宝 石 y 一 A 1 2 O 3 衬 底 的 微 波 性 能 最 为 理 想 ， 但 作 为 H T S 薄 膜 的 衬 底 材 料 需 要 在 其 制 备 一 薄 层 C e 0 2 阻 挡 层 ， 防 止 铝 向 H T S 薄 膜 层 扩 散 形 成 过 度 层 ， 损 害 超 导 薄 膜 的超 导 特 性 。第 二 种 微 波 性 能 良 好 的 衬 底 是 氧 化 镁 ( M g O ) ， 它 的 单 晶 材 料 价 格 很 便 宜 ， 但 氧 化 镁 在 空 气 中 容 易 潮 解 ， 并 且 和 H T S 的 晶 格 常 数 相 差 比较 大 。 目 前 ， 在 H T S 微 波 器 件 中 较 常 用 的 衬 底 L a A I O 3 ， 其 微 波 性 能 居 中 。 高 温 超 导 滤 波 器 所 用 材 料 特 殊 ，但 结 构 却 与 常 规 平 面 滤 波 器 相 同 ， 且 在 设 计 理 论 和 设 计 方 法 上 与 常 规 滤 波 器 有 相 通 之 处 ， 故 本 次 高 温 超 导 滤 波 器 设 计 也 是 以 传 统 祸 合 谐 振 电 路 理 论 为 基 础 的 ， 下 一 小 节 将 着 重 讲 述 本 滤 波 器 的 藕 合 矩 阵 及 外 部 品 质 因 素 的 获 得 。 4 . 3 丰 禺 合 矩 阵 及 外 部 品 质 因 素 获 得 祸 合 矩 阵 及 外 部 品 质 因 素 是 窄 带 带 通 滤 波 器 设 计 的 核 心 ， 本 论 文 第 二 章 已专 门 对 这 方 面 理 论 做 了相 应 论 述 ， 现 将 针 对 本 滤 波 器 设 计 推 导 其 祸 合 矩 阵 及 外 部 品 质 因 素 。 所 设 计 的 高 温 超 导 滤 波 器 中 心 频 率 为 4 0 4 M H Z ， 相 对 带 宽 F B W 约 为 1 0 / 0 ， 带 内 插 损 小 于 0 . 4 d B ， 要 求 在 偏 离 中 心 频 率 6 M H Z 处 带 外 抑 制 好 于 6 0 d B . 综 合 考 虑 到 滤 波 器 带 宽 、 插 损 、 陡 度 及 带 外 抑 制 等 因 素 ， 本 设 计 采 用 了 8 级 切 比 雪 夫 滤 波 器 原 型 ， 通 过 查 表 得 到 波 纹 为 0 . O l d B 的 低 通 元 件 数 值 为 : 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 g 0 = 1 . 0 0 0 0 ， 9 1 = = O 8 0 7 2 ， 9 2 = 1 . 4 1 3 0 ， 9 3 = 1 · 7 8 2 4 ， 9 4 = 1 · 6 8 3 3 g 5 = 1 . 8 5 2 9 ， 9 6 = = 1 6 1 9 3 ， 9 7 = 1 · 5 5 5 4 ， g 8 = O · 7 3 3 3 ， 9 9 = l · 1 0 0 7 。 代 入 外 部 品 质 因 素 Q e 及 归 一 化 藕 合 系 数 m i i + ， 计 算 公 式 : 9 0 9 1 9 8 易 Q e ‘ 二 Q e 。 = ( 4 一 1 : ) 尸 召 砰 卢 百 砰 m i ， i + - i = l 一 7 ( 4 一 2 丫 夏 奋 二 即 可 得 到 外 部 品 质 因 素 及 祸 合 矩 阵 为 : 刁 w e l e e e e e e e e | | | | s e | | | | 9 0 0 0 0 0 0 3 0 0 . 9 3 6 0 9 0 0 0 0 0 0 0 3 s … e r L e e s | l e w e e | | | . e e e s s e s 0 0 . 5 7 7 0 0 . 5 6 6 0 仓 O 了 0 0 . 6 3 0 0 0 . 6 3 0 0 0 . 5 7 7 0 ! m } - 0 0 . 5 6 6 0 0 . 5 7 7 0 ( 4 一 3 ) 0 0 . 5 7 7 0 0 . 6 3 0 0 0 . 6 3 0 0 0 . O 广 0 0 . 9 3 6 Q e ‘ = Q e 。 = 5 0 . 7 2 又 因 为 祸 合 系 数 从 ， i + ; 与 m t ， i + ; 有 关 系 式 从 ， i + ， 一 F B 砰 · 伙 1 + 1 ， 且 已 知 F B 砰 = 1 % ， 可 求 得 祸 合 系 数 : M ‘ 2 = M 7 8 = 0 · 0 0 9 3 6 ， M Z ， = M 6 7 = 0 · 0 0 6 3 0 ， 从 4 = M S 。 = 0 . 0 0 5 7 7 ， M 4 5 = 0 . 0 0 5 6 6 . 4 . 4 谐 振 频 率 及 士 9 0 度 相 位 带 宽 值 确 定 根 据 祸 合 谐 振 电 路 理 论 可 知 ， 两 个 谐 振 器 谐 振 时 在 幅 频 特 性 曲 线 上 会 出 现 两 个 谐 振 频 率 五 和 人 ， 由 这 两 个 谐 振 频 率 可 确 定 谐 振 器 间 的 祸 合 系 数 : M = 五 2 一 刃 ( 4 一 4 ) 刃 + 刃 实 际 应 用 中 往 往 是 先 知 道 所 需 祸 合 系 数 ， 然 后 根 据 该 藕 合 系 数 求 得 对 应 谐 振 3 2 第 四 章 高温 超 导 滤 波 器 研 制 频 率 。 由 于 两 个 谐 振 频 率 往 往 与 滤 波 器 中 心 频 率 f 0 对 称 ， 故 可 以 假 设 : f 1 二 f 0 + △ f ( 4 一 5 ) 几 二 f 0 一 △ f 将 上 式 代 入 祸 合 系 数 计 算 公 式 得 : M 二 ( f 0 + △ 厅 一 ( f 0 一 △ 厅 ( 4 一 6 ) ( f 0 + △ f ) 2 + ( f 0 一 △ f ) ， 化 简 得 到 方 程 : 一 M 2 △ 了 了 一 f 0 . △ f + f 0 z 一 。 ( 4 一 7 ) 因 此 ， 对 于 给 定 M 和 f 0 ， 由 上 式 可 求 出 △ f ， 从 而 最 终 确 定 九 和 几 。 将 本 次 超 导 滤 波 器 中 心 频 率 f 0 以 及 上 节 推 出 的 祸 合 系 数 分 别 代 入 上 式 ， 求 得 各 谐 振 器 间 藕 合 系 数 对 应 的 谐 振 频 率 如 下 表 所 示 : 表 4 一 1 祸 合 系 数 与 谐 振 频 率 对 应 关 系 祸 祸 合 系 数 数 对 应 谐 振 器 器 谐 振 频 率 f l l l 谐 振 频 率 几 几 M M M 1 2 / M 7 8 8 8 1 & 2 / 7 & 8 8 8 4 0 5 . 9 M H z z z 4 0 2 . I M H z z z M M M 2 3 / M 6 7 7 7 2 & 3 / 6 & 7 7 7 4 0 5 . 3 M H z z z 4 0 2 . 7 M H z z z M M M 3 ; / M 5 6 6 6 3 & 4 / 5 & 6 6 6 4 0 5 . 2 M H z z z 4 0 2 . 8 M H z z z M M M 4 5 5 5 4 & 5 5 5 4 0 5 . I M H z z z 4 0 2 . 9 M H z z z 为 了 知 道 滤 波 器 输 入 输 出 抽 头 位 置 或 祸 合 线 的 祸 合 量 ， 就 需 要 确 定 输 入 输 出 谐 振 器 ， 9 0 。 相 对 相 位 带 宽 ， 在 论 文 第 二 章 中 己 给 出 滤 波 器 外 部 品 质 因 素 公 式 Q e 一 % / △ 。 士 9 0 ， 因 此 得 到 士 9 0 。 相 对 相 位 带 宽 公 式 : △ 0 ， 。 。 = 兰 ( 4 一 8 ) Q e 将 上 面 推 得 的 外 部 品 质 因 素 Q e 值 以 及 滤 波 器 中 心 频 率 % 二 4 0 4 M H z 代 入 上 式 ， 求 得 士 9 0 相 对 相 对 相 位 带 宽 △ 叭 9 0 = 5 M H z · 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 . 5 电 路 拓 扑 结 构 生 成 所 需 设 计 的 滤 波 器 中 心 频 率 为 4 0 4 M H z ， 处 在 U H F 频 段 的 低 端 ， 由 于 频 率 较 低 ， 即 使 采 用 介 电 常 数 较 高 ( 尽 二 2 4 ) 的 L a A I O 3 作 为 衬 底 ， 其 半 波 长 谐 振 器 长 度 仍 近 1 0 厘 米 ， 这 对 直 径 仅 2 英 寸 的 超 导 基 片 而 言 是 很 难 实 现 的 ， 因 此 ， 小 型 化 就 成 了 此 次 滤 波 器 设 计 的 关 键 。 考 虑 到 小 型 化 及 谐 振 器 间 藕 合 较 弱 等 因 素 ， 本 滤 波 器 采 用 了 发 夹 型 结 构 ， 下 图 是 一 种 常 见 的 发 夹 线 滤 波 器 示 意 图 : 图 4 一 2 常 见 发 夹 线 滤 波 器 示 意 图 发 夹 线 滤 波 器 的 谐 振 器 曲 折 成 发 夹 状 ，在 性 能 相 同 情 况 下 这 种 滤 波 器 比 平 行 祸 合 滤 波 器 具 有 更 为 紧 凑 的 结 构 ， 且 谐 振 器 间 的 藕 合 可 灵 活 安 排 ， 其 祸 合 方 式 大 致 可 分 为 以 下 四 类 : ( a ) 磁 藕 冶 〔 匕 ) 电 藕 合 ( c ) 混 合 辐 合 倒 ) 混 合 藕 合 图 4 一 3 常 见 谐 振 器 间 祸 合 方 式 上 图 中 的 电 祸 合 或 磁 祸 合 通 过 适 当 变 形 容 易 构 成 椭 圆 函 数 或 广 义 切 比 雪 夫 函 数 滤 波 器 ， 而 本 设 计 采 用 切 比 雪 夫 函 数 原 型 ， 故 利 用 混 合 藕 合 方 式 较 为 简 单 。 为 了 进 一 步 比 较 上 图 中 两 种 混 合 藕 合 方 式 ， 通 过 场 仿 真 得 到 了 藕 合 系 数 与 两 谐 振 器 第 四 章 高 温 超 导 滤 波 器 研 制 间 距 s 的 关 系 如 下 图 所 示 : 0 . 1 5 \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 0 . 1 2 燕 芝 兴 如 窦 \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 0 . 0 9 谐 振 器 反 向 \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 0 . 0 6 \ \ \ \ \ \ \ \ \ 、 、 、 、 、 谐 振 器 同 向 0 . 0 3 、 、 ‘ 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 0 . . . . 侧 . . . . . ~ ， ~ . . . . . . . . . . . 0 0 . 5 l ， 0 1 . 5 吕 . 0 己 . 5 3 . 0 祸 合 间 距 引 m 耐 图 4 一 4 祸 合 系 数 随 谐 振 器 间 距 变 化 曲线 从 图 中 可 以 明 显 看 出 ， 在 祸 合 间 距 相 同 的 情 况 下 谐 振 器 同 向 时 的 藕 合 系 数 远 大 于 谐 振 器 反 向 时 的 祸 合 系 数 。 由 于 本 滤 波 器 带 宽 很 窄 ， 谐 振 器 间 的 藕 合 量 很 小 ， 故 适 合 采 用 同 向 谐 振 器 来 设 计 4 . 6 小 型 化 谐 振 器 及 抽 头 位 置 确 定 以 上 提 到 谐 振 器 均 是 半 波 长 谐 振 器 经 过 两 次 曲 折 后 得 到 的 ， 由 于 谐 振 器 过 长 ， 为 了 进 一 步 缩 短 尺 寸 ， 考 虑 将 谐 振 器 进 行 多 次 曲 折 [ z l ] ， 同 时 为 了展 宽 阻 带 、 减 小 尺 寸 ， 谐 振 器 引 入 了 电 容 加 载 阵 ] 卿 ] ， 得 到 最 终 的 谐 振 器 如 图 4 一 5 ( a ) 所 示 : 高 5 。 0 3 9 9 D 4 2 0 0 . 4 D 5 0 4 0 8 0 4 1 1 0 . 4 1 4 0 . 4 1 7 r r . ” . 皿 e r ( c ” z ) ( Q ) 祸 合 谐 振 器 伽 ) 谐 振 器 1 和 2 的 谐 振 曲 线 图 4 · 5 小 型 化 谐 振 器 及 其 幅 频 特 性 曲 线 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 上 图 4 一 5 ( a ) 虚 线 内 是 本 滤 波 器 的 一 个 谐 振 器 ， 假 设 它 是 第 一 个 谐 振 器 ， 则 另 外 一 个 为 第 二 个 谐 振 器 ， 两 个 谐 振 器 外 的 金 属 带 条 是 激 励 端 口 ( 又 称 外 部 藕 合 ) ， 用 来 将 谐 振 器 的 能 量 藕 合 出 去 。 图 4 一 5 ( b ) 示 出 了 谐 振 器 1 和 2 的 谐 振 曲 线 ， 当 谐 振 频 率 等 于 表 4 一 1 中 对 应 频 率 时 ， 谐 振 器 1 和 2 的 形 状 和 位 置 都 确 定 了 ， 同 理 可 以 确 定 谐 振 器 2 和 3 、 3 和 4 、 … 7 和 8 的 位 置 关 系 。 谐 振 器 间 的 位 置 关 系 决 定 了 滤 波 器 内 部 藕 合 量 ， 但 仅 有 内 部 祸 合 无 法 将 能 量 传 递 出 ， 必 须 增 加 适 当 的 外 部 祸 合 才 能 得 到 滤 波 器 的 最 佳 波 形 。 本 设 计 的 外 部 祸 合 通 过 抽 头 线 来 实 现 ， 抽 头 位 置 可 由 △ 叭 9 。 来 确 定 ， 下 图 示 出 △ % 。 = 5 . 0 人 刃 无 时 滤 波 器 输 入 抽 头 位 置 及 其 场 仿 真 曲 线 : 一 ~ [ s ( l ， 1 ) ] 一 恤 ‘ [ s ( l ， 1 ) ] - 尸 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 气 尸 ~ ~ 1 5 0 一 一 飞 1 2 0 一 一 一 共 一 飞 户 才 9 刃 9 9 9 刃 9 刃 R 吐 月 已 八 1 e . n D ， J J 勺 乙 s 一 一 乞 产 叮 几 注 一 - 9 0 一 几 一 污 一 派 6 0 尸 - . 飞 气 ‘ - 一 亡 一 气 与 矛 一 { 一 〕 一 ︸ 一 一 一 3 6 ， 几 一 . 0 o n l 9 占 J 乃 乙 亡 」 协 决 t ︸ 么 州 一 J ~ 从 比 叮 L 卜 ‘ 一 ， 竹 柑 去 肌 ， 甲 月 ~ _ _ 一 { 一 推 一 0 n l l 碱 私 砚 3 9 6 0 . 3 9 8 0 . 4 0 . 4 0 2 0 . 4 0 4 0 . 4 0 6 0 . 4 0 8 0 . 4 1 0 . 4 1 2 y r “ 叨 e 二 e r 价 班 z ) 似 ) 输 入 抽 头 位 置 ( 匕 ) 确 定 抽 头 位 置 的 仿 真 曲 线 图 4 一 6 滤 波 器 输 入 抽 头 位 置 及 其 场 仿 真 曲 线 由 于 本 滤 波 器 的 Q e t = Q e 。 ， 所 以 输 入 输 出 抽 头 位 置 相 同 ， 故 上 面 只 给 出 滤 波 器 输 入 抽 头 位 置 ， 实 际 上 为 了 设 计 和 计 算 方 便 ，大 多 数 滤 波 器 往 往 都 采 用 对 称 结 构 。 需 要 再 说 明 的 一 点 是 : 以上 给 定 的 谐 振 器 形 状 、 谐 振 器 间 的 位 置 关 系 以 及 输 入 输 出 抽 头 位 置 等 实 际 上 确 定 了 滤 波 器 的 初 值 情 况 ， 为 了 得 到 较 为 准 确 的 初 值 ， 在 设 计 时 采 用 了 I E 3 D 等 电 磁 全 波 仿 真 软 件 。 4 . 7 滤 波 器 全 局 电 磁 仿 真 将 上 面 提 到 的 谐 振 器 按 照 确 定 的 位 置 关 系 组 合 起 来 ， 然 后 再 加 上 输 入 输 出抽 头 ， 即 得 到 了 本 超 导 滤 波 器 的 基 本 结 构 ， 但 这 并 不 是 最 终 的 滤 波 器 。 由于 设 计 滤 第 四 章 高 温 超 导 滤 波 器 研 制 波 器 所 采 用 的 低 通 元 件 值 是 通 过 查 表 得 到 ， 与 理 论 值 存 在 一 定 差 异 ; 另 外 ， 多 曲 折 线 谐 振 器 的 藕 合 情 况 相 当 复 杂 ， 以 上 采 用 两 个 谐 振 器 祸 合 来 确 定 祸 合 系 数 并 不 十 分 精 确 ， 再 加 上 对 仿 真 结 果 四 舍 五 入 等 影 响 ， 使 得 未 调 谐 过 的 滤 波 器 与 理 论 值 并 不 完 全 吻 合 ， 因 此 需 要 对 其 做 适 当 的 微 调 。 对 于 本 滤 波 器 而 言 ， 未 经 调 谐 的 滤 波 器 主 要 问 题 是 反 射 不 足 ， 而 反 射 与 输 入 输 出 抽 头 位 置 密 切 相 关 ， 另 外 ， 谐 振 器 长 度 以 及 谐 振 器 间 缝 宽 对 反 射 也 有 较 大 影 响 ， 经 过 反 复 微 调 得 到 最 终 滤 波 器 电 路 图 及 频 响 曲 线 如 图 4 一 7 和 图 4 一 8 所 示 : 图 4 一 7 滤 波 器 电 路 图 一 ~ [ s ( l ， l ) 1 - - ~ 。 一 厂 。 [ S 仪 ， l ) ] 一 佃 [ S 但 ， 2 ) ] 0 n 门 O 一 一 ﹄ ︸ 八 ， 乙 孟 I ︸ ﹄ 门 1 马 1 月 0 0 0 0 乙 八 J J ︸ ︸ 一 3 4 ︸ 0 0 5 0 叻 / 月 ‘ 沙 声 一 护 尹 \ 、 \ \ r r e 明 e o e y < 心 班 z ) 图 4 一 8 滤 波 器 频 响 曲 线 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 . 8 实 际 加 工 制 作 电 路 设 计 好 以 后 ， 在 光 刻 之 前 需 要 制 作 相 应 的 掩 膜 版 ， 它 的 设 计 和 制 作 非 常 重 要 ， 因 为 掩 膜 版 上 图 形 的 精 度 直 接 关 系 到 线 条 精 度 的 实 现 。 现 在 用 的 掩 膜 版 一 般 是 三 英 寸 或 四 英 寸 见 方 ， 制 作 过 程 中 要 进 行 两 次 刻 蚀 ， 第 一 次 刻 蚀 出 输 入 输 出 两 个 端 口 上 的 金 电 极 ， 第 二 次 刻 蚀 出 超 导 薄 膜 电路 ， 所 以相 应 需 要 分 别 对 应 于 两 次 刻 蚀 的 两 个 膜 版 。 为 了 保 证 两 次 刻 蚀 的 位 置 准 确 ， 在 两 个 膜 版 的 上 下 两 个 相 同 位 置 需 要 制 作 用 于 定 位 的 标 志 ， 该 两 组 定 位 标 志 在 两 个 膜 版 上 的 尺 寸 和 位 置 需 要 做 到 严 格 一 致 。 掩 膜 版 制 作 好 以 后 ， 就 需 要 按 照 掩 膜 版 的 图 形 进 行 光 刻 。 目 前 较 为 成 熟 的 光 刻 技 术 主 要 有 化 学 湿 法 刻 蚀 和 干 法 刻 蚀 。 干 法 刻 蚀 的 精 度 较 高 且 不 易 破 坏 超 导 薄 膜 ， 但 价 格 昂 贵 。 考 虑 到 价 格 等 因 素 ， 本 次 超 导 滤 波 器 采 用 湿 法 刻 蚀 的 方 式 ， 湿 法 刻 蚀 的 精 度 虽 然 没 有 干 法 刻 蚀 高 ， 但 通 过 调 整 工 艺 还 是 可 以 将 工 艺 造 成 的 误 差 降 到 器 件 容 许 的 范 围 内 。 关 于 高 温 超 导 平 面 电 路 光 刻 工 艺 可 参 见 文 献 〔 2 4 ] 。 光 刻 好 的 基 片 要 在 固 定 的 工 作 台 上 做 相 应 的 剪 切 ， 然 后 才 能 进 行 超 导 滤 波 器 的 封 装 。 在 安 装 超 导 滤 波 器 之 前 ， 需 要 将 装 配 滤 波 器 用 的 屏 蔽 盒 渡 银 ， 从 而 避 免 氧 化 ， 另 外 ， 一 定 要 对 工 作 环 境 进 行 除湿 ， 保 证 空 气 干 燥 ， 因 为 超 导 薄 膜 在 潮 湿 的 环 境 下 容 易 损 坏 。 由 于 采 用 的 是 密 封 接 头 ， 且 超 导 滤 波 器 的 输 入 输 出 抽 头 没 有 镀 金 ， 只 能 用 锢 丝 焊 接 ， 存 在 一 定 装 配 难 度 ， 因 此 一 定 要 小 心 细 致 ， 避 免 其 短 路 或 开 路 。 另 外 ， 装 配 时 ， 一 定 要 让 超 导 基 片 的 背 面 接 地 良 好 ， 否 则 ， 将 严 重 影 响 滤 波 器 的 带 外 性 能 。 第 五 章 低 温 低 噪 声 放 大 器 设 计 与 调 试 第 五 章 低 温 低 噪 声 放 大 器 设 计 与 调 试 5 . 1 概 述 低 噪 声 放 大 器 作 为 接 收 机 前 端 重 要 部 件 ， 其 噪 声 系 数 大 小 在 很 大 程 度 上 决 定 了 接 收 机 灵 敏 度 。 为 了 提 高 接 收 机 灵 敏 度 ， 在 一 些 高 性 能 接 收 机 系 统 中 ， 设 计 师 们 往 往 将 低 噪 声 放 大 器 置 于 低 温 环 境 工 作 ， 从 而 有 了 低 温 低 噪 声 放 大 器 。 随 着 制 冷 技 术 和 高 温 超 导 技 术 的 迅 速 发 展 ， 低 温 低 噪 声 放 大 器 的 研 究 意 义 更 加 重 大 : 一 方 面 ， 制 冷 技 术 的 迅 猛 发 展 ， 特 别 是 长 寿 命 小 型 化 制 冷 机 出 现 为 低 温 L N A 提 供 了 有 力 保 证 ; 另 一 方 面 高 温 超 导 滤 波 器 的 应 用 给 低 温 低 噪 声 放 大 器 提 供 新 的 发 展 契 机 。 本 次 低 温 低 噪 声 放 大 器 即 是 用 于 高 温 超 导 接 收 机 前 端 ， 与 高 温 超 导 滤 波 器 配 合 使 用 。 所 需 设 计 低 温 低 噪 声 放 大 器 指 标 要 求 如 下 : ( 1 ) 工 作 频 段 为 3 8 O M H Z 到 4 2 5 M H Z ; ( 2 ) 7 7 K 工 作 温 度 下 噪 声 系 数 N F < O . 3 d B ; ( 3 ) 输 入 反 射 系 数 筑 ， < 一 2 0 d B ; ( 4 ) 功 率 增 益 > Z O d B ; ( 5 ) 放 大 器 在 通 频 带 内 稳 定 工 作 。 低 温 L N A 有 两 种 设 计 流 程 : 一 种 是 基 于 常 温 L N A 设 计 流 程 ， 另 一 种 是 基 于 低 温 测 试 及 等 效 电 路 设 计 流 程 [ 2 5 ] 。 由 于 低 温 测 试 提 取 器 件 参 数 本 身 需 要 专 门 的 设 备 ， 而 许 多 H E M T 器 件 实 际 上 在 低 温 下 保 持 了 常 温 的 一 些 特 性 ， 如 低 温 H E M T 漏 极 电 流 被 适 当 调 整 后 S 参 数 与 常 温 相 差 不 大 ， 但 噪 声 显 著 减 小 [ z 6 】 ， 因 此 本 次 低 温 L N A 设 计 采 用 基 于 常 温 L N A 设 计 流 程 ， 同 时 兼 顾 低 温 下 放 大 器 性 能 改 变 的 因 素 。 低 噪 声 放 大 器 研 制 的 主 要 工 作 在 于 匹 配 电 路 设 计 ， 即 便 如 此 ， 晶 体 管 选 择 、 拓 扑 结 构 确 定 以 及 直 流 偏 置 电 路 设 计 等 方 面 也 很 重 要 ， 下 面 将 对 这 些 方 面 做 详 细 阐 述 。 另 外 ， 为 了 提 高 效 率 和 准 确 度 ， 在 设 计 中 充 分 利 用 了 A D S 等 先 进 的 电 路 电 磁 仿 真 软 件 。 5 . 2 晶 体 管 选 择 本 放 大 器 要 求 具 有 很 低 的 噪 声 系 数 ， 且 需 工 作 于 液 氮 温 区 ， 普 通 B J T 管 和 F E T 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 管 很 难 实 现 ， 最 好 选 用 性 能优 异 的 H E M T 器 件 。 H E M T 又 称 高 电 子 迁 移 率 晶体 管 ，与 常 规 微 波 场 效 应 管 ( F E T ) 相 比 H E M T 器 件 具 有 低 噪 声 、 高 增 益 和 高 功 率 容 量 等 优 势 ， 并 且 在 低 温 下 具 更 低 的 噪 声 、 更 高 的 跨 导 和 更 大 的 电 流 处 理 能 力 . 最 基 本 的 H E M T 结 构 如 图 5 一 1 ( a ) 所 示 ， 在 半 绝 缘 的 G a A s 衬 底 上 ， 采 用 分 子 束 外 延 技 术 ， 连 续 生 长 高 纯 的 G a A s 层 ， 掺 S i 的 n 型 层 和 掺 S i 的 高 掺 杂 n + G a A s 层 ， 采 用 常 规 半 导 体 工 艺 ， 制 作 源 极 、 栅 极 以 及 漏 极 并 完 成 管 芯 的 封 装 ， 最 终 构 成 了 完 整 的 H E M T 。 H E M T 器 件 的 小 信 号 等 效 电 路 如 图 5 一 1 ( b ) 所 示 : 金 属 电 极 L g e g d L d R d C R n 千 G 众 八 ‘ 李 笋 C d 5 半 半 拾 娜 必 ￡ ￡ 宁 。 半 半 绝 缘 C 麟 粥 底 底 ( a ) E 压 觅 仃 基 本 结 构 伪 ) H 卫 入 仃 器 件 小 信 号 等 效 电 路 图 5 一 1 H E M T 结 构 及 小 信 号 等 效 电 路 固 态 器 件 的 噪 声 常 温 下 主 要 表 现 为 热 噪 声 ， H E M T 器 件 最 主 要 的 热 噪 声 源 是 沟 道 热 噪 声 ， 其 噪 声 电 流 [ z 7 ] : I ’ ， = 4 k T ( 2 / 了 十 兄 ) g 。 军 ( 5 一 1 ) 式 中 g ， 是 跨 导 ， 兄 为 修 正 因 子 ， 军 为 频 率 范 围 。 随 着 温 度 厂 的 下 降 ， 电 子 迁 移 率 大 幅 度 上 升 ， 兄 的 数 值 也 逐 渐 变 小 ， 沟 道 热 噪 声 将 大 大 降 低 。 常 规 H E M T 具 有 良 好 的 微 波 和 高 速 性 能 ， 但 也 存 在 一 些 缺 点 ， 如 阀 值 电 压 V t h 随 温 度 而 改 变 ， 尤 其 冷 却 到 7 7 K 时 ， 会 出 现 沟 道 电 流 消 失 的 现 象 ， 这 是 由 n 一 A L G a A s 层 中 深 电 子 陷 阱 造 成 的 。 为 了 克 服 常 规 H E M T 器 件 的 这 种 不 足 ， 就 出 现 了 新 型 P H E M T 器 件 。 新 型 结 构 的 P 一 H E M T 晶 体 管 中 加 入 了 未 掺 杂 A L G a A s 层 ， 由 于 n 一 A L G a A s 层 起 了 非 掺 杂 G a A s 层 的 作 用 ， 从 而 消 除 了 深 电 子 陷 阱 ， 使 器 件 可 在 低 于 7 7 K 温 度 下 工 作 ， 且 进 一 步 降 低 了 噪 声 系 数 。 另 外 ， P 一 H E M T 器 件 比常 规 H E M T 器 件 能 够 提 供 更 大 的 电 流 密 度 、 更 高 工 作 频 率 和 更 高 增 益 。 基 于 以 上 因 素 ， 本 次 低 温 低 噪 声 放 大 器 设 计 采 用 了 新 型 的 P H E M T 器 件 。 由 于 放 大 器 工 作 于 U H F 频 段 低 端 ， 而 一 般 P H E M T 器 件 在 该 频 段 反 射 大 且 不 易 稳 定 ， 综 第 五 章 低 温 低 噪 声 放 大 器 设 计 与 调 试 合 各 方 面 因 素 最 终 选 定 A g i l e n t 的 A T F 一 5 4 1 4 3 ， 该 管 子 工 作 频 率 范 围 为 V H F 频 段 到 6 G H Z ， 在 频 率 低 端 噪 声 性 能 良 好 ， 它 属 于 增 强 型 P H E M T 器 件 ， 其 栅 极 和 漏 极 供 电 均 为 正 电 压 ， 给 直 流 偏 置 的 设 计 带 来 了 很 大 的 方 便 。 5 . 3 电 路 拓 扑 结 构 确 定 晶 体 管 在 所 需 工 作 频 段 内 具 有 良 好 的 噪 声 性 能 ， 但 输 入 反 射 很 差 且 极 不 稳 定 ， 下 图 是 晶 体 管 在 工 作 点 为 3 V / 6 O m A 时 的输 入 反 射 和 稳 定 系 数 随 频 率 变 化 的 曲 线 。 ﹁ 乙 . ︹ 产 刀 万 U 沪 比 月 二 必 芍 的 一 一 一 一 一 一 … 于 一 { 一 币 … . 一 乡 一 乡 ! 一 一 介 介 介 介 一 ; 丈 { l l 丫 丫 - - l - 「 一 一 「 于 i 一 一 一 } { ， : { ， { { ! { { { { } i ; ; ; 】 】 f r e q M 日 : f r e q . M H z ( a ) 输 入 反 射 系 数 ( b ) 稳 定 性 系 数 图 5 一 2 晶 体 管 输 入 反 射 与 稳 定 性 仿 真 曲 线 从 曲 线 可 以 看 出 在 没 有 匹 配 情 况 下 晶 体 管 几 乎 为 全 反 射 ， 而 且 稳 定 系 数 远 小 于 1 。 综 合 权 衡 噪 声 、 反 射 、 稳 定 性 及 增 益 等 因 素 ， 本 放 大 器 采 用 串 联 反 馈 加 并 联 反 馈 的 电 路 形 式 ， 同 时 在 输 出 端 加 入 阻 性 元 件 以 进 一 步 增 强 电 路 的 稳 定 性 。 由于 工 作 频 率 较 低 ， 本 电 路 采 用 了 集 总 参 数 和 分 布 参 数 相 结 合 的 电 路 形 式 。 另 外 ， 为 了 更 好 的 调 整 放 大 器 在 低 温 下 的 直 流 工 作 点 ， 并 减 少 放 大 器 功 耗 以 降 低 制 冷 系 统 压 力 ， 本 次 放 大 器 采 用 双 电 源 供 电 形 式 。 其 基 本 电 路 拓 扑 结 构 如 下 图所 示 : 份 急 汽 . 图 5 一 3 低 噪 声 放 大 器 电 路 拓 扑 结 构 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 上 图 中 的 电 阻 电 容 等 均 为 贴 片 元 件 ， 而 导 线 则 用 微 带 线 来 实 现 。 图 中 的 R 5 和 C 7 形 成 了 一 个 并 联 反 馈 网 络 ， 它 在 极 大 的提 高 电 路 稳 定 性 的 同 时 还 可 以 改 善 了 输 入 输 出 电 路 的 匹 配 ， 另 外 ， 并 联 反 馈 还 可 以 压 低 频 率 低 端 的 增 益 ， 从 而 提 高 放 大 器 的增 益 平 坦 度 ， 在 宽 带 放 大 电 路 中较 为 常 见 。 由 于 采 用 了 阻 性 元 件 ， 故 会 带 来 附 加 的 噪 声 ， 所 以 反 馈 量 不 宜 取 过 大 ， 本 电 路 的 R 5 取 值 为 Z K 贝 . 图 中 的 电 感 L 3 和 L 4 为 器 件 提 供 串 联 反 馈 ， 由 于 串 联 反 馈 技 术 在 低 噪 声 放 大 器 设 计 中 极 为 常 见 ， 下 面 将 对 其 做 详 细 阐 述 。 5 ， 4 负 反 馈 设 计 及 增 强 电 路 稳 定 性 措 施 5 . 4 . 1 负 反 馈 电 路 设 计 晶 体 管 最 佳 噪 声 匹 配 点 往 往 与 最 优 驻 波 匹 配 点 不 相 一 致 ， 很 难 在 最 佳 噪 声 匹 配 同 时 得 到 良 好 的 驻 波 ， 且 对 场 效 应 器 件 而 言 ， 在 工 作 频 率 的 低 端 其 稳 定 性 往 往 很 难 得 到 保 证 ， 源 极 反 馈 技 术 是 解 决 以 上 矛 盾 的 重 要 方 法 。 图 5 一 4 ( a ) 和 ( b ) 分 别 是 场 效 应 管 不 带 源 极 反 馈 和 带 源 极 反 馈 的 简 化 电 路 模 型 [ 2 8 】 : 凡 g 满 ， G 曰 勺 勺 勺 ， 一 D 下 ， 价 叭 〕 十 厂 一 一 一 闷 。 丁 ” ‘ } + 1 少 I I ’ g 二 井 二 琳 厂 1 、 。 澎 _ c 。 。 I 一 \ + / ， “ 一 。 尸 . ， V 。 护 ! 一 r e 一 刊 : 二 之 ， _ 井 二 磷 了 】 飞 ) _ 月 之 ‘ } ‘ L 一 多 一 l 勺 ‘ ， { 一 甲 于 ” d ’ 片 “ 乙 一 l 场 1 1 ， = 协 、 珠 S ! 1 1 1 ( a ) 不 带 源 极 反 馈 伪 ) 带 源 极 反 馈 图 5 一 4 场 效 应 管 电 路 简 化 模 型 根 据 上 面 的 等 效 电 路 可 得 晶 体 管 在 两 种 情 况 下 的 等 效 输 入 阻 抗 分 别 为 : z z n = = 凡 一 : J 勿 用 ‘ c 一 兔 乓 s s ( 5 一 2 ) 1 凡 + 虱 + j L 田 气 一 ， ， 万 一 」 田 七 g s 上 式 中 的 z ， n 为 晶 体 管 不 加 源 极 反 馈 电 感 的 等 效 输 入 阻 抗 ， z t n ’ 则 为 加 了 源 极 反 馈 电 感 以 后 的 等 效 输 入 阻 抗 。 与 z t n 相 比 ， z ， n J 一 日 一 】 一 」 司 口 ~ 一 L ‘ 乙 ~ 多 出 了 、 母 “ 加 乌 两 项 / 、 . 6 m 门 七 g s 第 五 章 低 温 低 噪 声 放 大 器 设 计 与 调 试 项 的 引 入 在 相 当 程 度 上 增 加 其 输 入 阻 抗 ， 输 入 端 阻 抗 的 增 加 在 很 大 程 上 提 高 了 放 大 器 带 内 的 稳 定 性 ， 而 且 电 感 不 是 阻 性 元 件 不 会 带 来 附 加 噪 声 。 因 此 ， 对 于 场 效 L 子 _ 应 晶 体 管 放 大 电 路 而 言 往 往 加 入 电 感 反 馈 以 提 高 电 路 的 稳 定 性 。 另 外 ， g ) ， 二 子 ~ 不 日 C g s 加 乌 作 用 的 结 果 使 得 嘶 ’ 更 加 靠 近 嘛 : ， 反 映 在 圆 图 上 的 变 化 如 下 图 5 一 5 所 示 : 图 5 一 5 圆 图 源 极 电 感 使 输 入 端 最 优 驻 波 匹 配 点 向 最 佳 噪 声 匹 配 点 靠 近 ， 从 而 大 大 缓 和 了 输 入 端 的 噪 声 与 驻 波 的 矛 盾 。 需 要 注 意 的 是 ， 串 联 反 馈 是 以 牺 牲 放 大 器 的 增 益 为 代 价 的 ， 并 且 过 重 的 电 感 反 馈 易 在 频 率 高 端 出 现 增 益 尖 峰 ， 导 致 放 大 器 带 外 自 激 ， 另 外 ， 串 联 反 馈 将 使 晶 体 管 的 单 向 性 变 差 ， 设 计 中 还 要 综 合 考 虑 输 出 匹 配 电 路 对 输 入 匹 配 电 路 的 影 响 ， 因 此 串 联 反 馈 量 也 不 宜 取 得 过 大 。 对 于 栅 极 较 宽 的 晶 体 管 ， 在 增 益 允 许 情 况 下 可 以 适 当 增 加 源 极 的 反 馈 量 ， 从 而 进 一 步 改 善 匹 配 。 由 于 加 入 了 并 联 反 馈 ， 因 此 电 路 的 串 联 电 感 反 馈 量 无 需 过 高 ， 较 小 的 电 感 量 可 以 简 单 地 利 用 一 段 源 极 到 地 的 微 带 线 代 替 。 本 电 路 采 用 的 基 片 为 A R L O N 公 司 的 A D 3 5 0 i ， 其 基 片 介 电 常 数 为 3 . 5 、 厚 Z O m i l ， 通 过 计 算 与 仿 真 确 定 所 需 的 电 感 反 馈 量 用 一 段 长 Z m l n 、 宽 为 1 I ’ n m 的 微 带 线 即 可 实 现 。 然 而 由 于 接 地 还 需 要 过 孔 ， 过 孔 实 际 上 也 会 带 来 一 定 的 电 感 量 ， 考 虑 了 过 孔 电 感 量 的 影 响 ， 串 联 微 带 线 的 长 度 要 适 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 当 减 小 。 当 然 上 述 值 并 非 唯 一 的 ， 当 微 带 线 宽 度 变 化 时 其 长 度 也 应 相 应 变 化 ， 另 外 ， 源 极 反 馈 量 也 应 该 随 匹 配 电 路 变 化 做 相 应 调 整 。 5 . 4 . 2 阻 性 负 载 增 强 电 路 稳 定 性 由 于 晶 体 管 在 频 率 低 端 稳 定 性 很 差 ， 虽 然 加 入 并 联 反 馈 和 串 联 反 馈 ， 但 仍 然 难 以 保 证 放 大 器 在 通 频 带 内 的 稳 定 性 ， 为 了 进 一 步 增 强 放 大 器 的 稳 定 性 ， 在 本 次 电 路 设 计 时 还 引 入 了 阻 性 负 载 。 因 为 放 大 器 之 所 以 不 稳 定 ， 究 其 原 因 是 晶 体 管 的 输 入 端 或 输 出 端 为 负 阻 ， 因 此 加 入 适 当 的 阻 性 元 件 ， 可 以 使 其 变 为 正 阻 ， 从 而 改 善 稳 定 性 。 下 面 将 以 输 入 端 加 串 联 或 并 联 电 阻 为 例 来 加 以 说 明 。 Y i n + 6 i n 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 信 号 号 号 号 有 源 器 件 件 号 号 号 号 有 源 器 件 件 源 源 源 源 源 源 源 源 源 源 源 源 源 源 源 源 源 源 Y i n ( 价 输 入 端 加 串 联 稳 定 电 阻 ( b ) 输 入 端 加 并 联 稳 定 电 阻 图 5 一 6 输 入 端 加 稳 定 电 阻 示 意 图 图 5 一 6 中 ， 电 阻 尺 。 与 R e { z s } 一 起 可 以 抵 消 掉 R e { Z t n } 的 负 值 部 分 ， 于 是 得 到 : R e { 凡 + 尺 。 + Z s } > 0 ( 5 一 3 ) 对 于 并 联 电 阻 的 情 形 ， 选 择 适 当 的 并 联 电 阻 同 样 可 以 得 到 : R e { 珠 + G t n + Y s } > o ( 5 一 4 ) 同 样 ， 在 输 出 端 也 可 以 加 入 串 联 或 并 联 电 阻 以 提 高 放 大 器 的 稳 定 性 ， 而 且 由 噪 声 级 联 公 式 可 知 ， 在 电 阻 取 相 同 阻 值 情 况 下 ， 输 出 端 接 电 阻 对 放 大 器 噪 声 的 影 响 要 小 得 多 ， 因 此 阻 性 元 件 一 般 放 在 晶 体 管 的 输 出 端 。 对 于 本 电 路 则 同 时 采 用 了 输 出 端 接 串 联 电 阻 和 并 联 电 阻 的 形 式 ， 前 面 电 路 拓 扑 结 构 中 的 电 阻 R 2 和 R 4 就 是 为 了 增 强 电 路 稳 定 性 用 的 。 虽 然 输 出 端 接 串 联 电 阻 对 电 路 噪 声 影 响 较 小 ， 但 若 电 阻 阻 值 过 大 仍 会 使 放 大 器 噪 声 恶 化 ， 并 且 过 大 的 阻 值 将 使 增 益 急 剧 下 降 ， 因 此 该 串 联 电 阻 的 阻 值 也 不 宜 过 大 。 权 衡 稳 定 性 、 增 益 及 噪 声 等 因 素 ， 该 电 阻 最 终 取 值 为 1 0 Q ， 对 于 并 联 电 阻 则 不 宜 取 值 过 小 ， 本 电 路 中 并 联 电 阻 R 2 取 值 为 3 0 0 贝 。 由 于 频 率 较 低 ， 而 晶 体 管 在 频 率 低 端 增 益 较 大 ， 采 用 一 级 放 大 即 可 达 到 所 需 第 五 章 低 温 低 噪 声 放 大 器 设 计 与 调 试 的 增 益 要 求 。 另 外 ， 一 般 的 H E M T 器 件 在 低 温 下 增 益 会 有 所 提 升 ， 而 且 过 大 的 增 益 容 易 导 致 器 件 不 稳 定 ， 因 此 本 电 路 仅 采 用 单 极 放 大 。 5 . 5 直 流 偏 置 电 路 设 计 直 流 偏 置 电 路 是 有 源 电 路 的 重 要 组 成 部 分 ， 其 设 计 的 好 坏 与 否 将 直 接 关 系 到 整 个 电 路 的 性 能 。 对 于 低 噪 声 晶 体 管 而 言 ， 在 不 同 的 直 流 工 作 点 下 将 会 有 不 同 的 性 能 参 数 ， 因 此 不 同 的 偏 置 电 路 将 导 致 器 件 不 同 的 工 作 状 态 。 此 外 ， 直 流 通 路 和 射 频 通 路 需 要 合 理 隔 开 ，避 免 相 互 窜 扰 ， 这 一 点 在 直 流 偏 置 设 计 时 尤 其 要 注 意 。 本 电 路 选 用 的 晶 体 管 为 A T F 一 5 4 1 4 3 ， 它 属 于 增 强 型 P H E M T 器 件 ， 和 传 统 的 损 耗 型 P H E M T 相 比 ， 其 最 大 的 不 同 就 在 于 它 的 栅 极 和 源 极 之 间 加 的 是 正 电 压 ， 而 不 是 负 电 压 ， 这 样 最 大 的 好 处 就 是 可 以 将 源 极 直 接 接 地 ， 可 以 方 便 的 采 用 单 电 源 通 过 分 压 来 供 电 。 但 本 电 路 较 为 特 殊 ， 必 须 在 液 氮 温 区 甚 至 更 低 的 温 度 下 工 作 ， 而 晶 体 管 在 这 样 低 的 温 度 环 境 下 工 作 状 态 将 会 发 生 变 化 ， 为 了 更 好 的 调 整 放 大 器 在 低 温 下 直 流 工 作 点 ， 并 减 少 放 大 器 功 耗 以 降 低 制 冷 系 统 压 力 ， 本 放 大 器 采 用 双 电 源 供 电 形 式 。 偏 压 可 直 接 由 外 接 直 流 源 或 电 源 板 提 供 ， 通 过 容 值 为 4 7 0 0 p F 的 穿 心 电 容 馈 入 。 另 外 偏 置 电 路 上 需 要 加 上 足 够 多 的 旁 路 电 容 ， 原 理 图 5 一 3 中 的 C 3 、 C 4 及 C 6 等 均 为 旁 路 电 容 ， 其 取 值 的 原 则 是 : 电 容 值 大 小 足 以 滤 除 电 源 的 纹 波 以 及 射 频 对 直 流 源 的 影 响 ， 且 越 靠 近 穿 心 电 容 的 地 方 容 值 越 大 ， 如 在 本 电 路 中 ， C 3 为 3 3 O p F ， 而 C 4 为 l u F 。 另 外 ， 为 了 限 制 栅 极 的 电 流 ， 在 输 入 偏 置 电 路 中 还 加 入 限 流 电 阻 R 1 ， 根 据 推 荐 电 路 R 1 取 值 为 1 0 K 几 。 最 后 ， 为 了 避 免 射 频 和 直 流 相 互 影 响 ， 还 需 要 考 虑 加 入 相 应 的 隔 直 电 容 和 射 频 R F C ， 本 设 计 通 过 C l / L l 和 C Z / L Z 实 现 ， 由 于 C l / L l 和 C Z / L Z 同 时 可 作 为 主 要 的 匹 配 电 路 ， 将 在 下 一 节 中 作 详 细 说 明 。 5 . 6 匹 配 电路 设 计 低 噪 声 放 大 器 ( L N A ) 从 本 质 上 讲 是 一 个 矛 盾 的 统 一 体 ， 因 其 各 方 面 性 能 指 标 相 互 影 响 、 相 互 制 约 ， 因 此 L N A 的 实 际 设 计 上 是 在 噪 声 、 驻 波 、 增 益 和 稳 定 性 等 因 素 间 取 折 中 ， 寻 求 最 优 匹 配 。 在 前 面 5 . 4 小 节 中 已 对 增 强 稳 定 性 的 措 施 以 及 采 用 负 反 馈 技 术 缓 和 噪 声 与 驻 波 的 矛 盾 等 方 面 作 了 详 细 阐 述 ， 本 小 节 将 在 此 基 础 上 详 细 说 明 本 次 放 大 器 匹 配 电 路 的 设 计 过 程 。 根 据 前 面 阐 述 ， 可 以 得 到 晶 体 管 在 加 入 串 联 反 馈 、 并 联 反 馈 以 及 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 稳 定 电 阻 后 的 等 效 电 路 图 如 下 所 示 : 仁 三 口 从 S 封 3 M g U b l } } } } } 日 二 2 5 m i l E 户 O M U 户 1 C O n d 二 5 3 巨 + 7 H u 二 6 m m T 二 0 . 0 3 6 m m T 日 n D 二 0 . 0 0 3 R o u g h 二 0 m m 图 5 一 7 加 入 反 馈 及 稳 定 性 电 阻 的 等 效 电 路 由 于 条 件 限 制 ， 本 次 设 计 采 用 的 参 数 并 非 实 际 在 低 温 下 测 量 的 S 参 数 和 噪 声 参 量 ， 而 是 采 用 厂 家 提 供 的 参 数 ， 这 可 能 与 实 际 使 用 的 情 况 会 有 一 些 差 异 ， 但 是 通 过 微 调 直 流 偏 置 可 以 达 到 较 好 的 一 致 性 。 晶 体 管 加 入 反 馈 及 稳 定 电 阻 以 后 的 反 射 及 稳 定 性 曲 线 可 如 下 图 所 示 : 刁 习 - 刁 7 书 0 人 n 0 ︸ ︸ ︸ 0 」 U 、 、 、 气 卜 气 ~ 、 、 } } } } } } } } } } } } 万 户 乙 ﹁ 仃 . 刀 气 卜 卜 卜 卜 冬 冬 冬 冬 冬 冬 冬 冬 冬 冬 冬 冬 冬 冬 冬 冬 冬 冬 冬 冬 三 三 三 三 三 三 三 三 三 S 压 且 尸 口 q 乞 拼 拼 拼 拼 一 } } } } } 名 名 名 名 名 名 名 名 声 《 《 洲 产 户 ~ ~ ~ 洋 洋 洋 洋 子 子 子 子 子 三 三 三 三 三 气 气 气 气 ~ ~ ~ ~ 叼 ~ ~ ~ ~ ~ 甲 ~ u ， 令 如 ， . ” ， 响 州 州 州 州 ~ ~ 夕 ~ ~ ~ 蔗 … … … … … … . 二 二 二 二 . . … ， 置 泛 泛 味 味 丈 - - - 夕 夕 声 声 Z } } } 润 润 润 气 ， 甘 ， 润 ， 甘 切 ‘ 曰 抽 洲 创 l l 台 一 l 一 一 一 ~ ~ J 生 一 一 ~ ~ l l l l 卜 ~ l l l 一 一 一 f r e q . M H z f r e q . M H z ( a ) 输 入 反 射 系 数 ( b ) 稳 定 性 系 数 图 5 一 8 加 入 反 馈 及 稳 定 电 阻 以 后 的 反 射 及 稳 定 性 曲 线 比 较 图 5 一 2 和 图 5 一 8 可 知 ， 晶 体 管 加 入 反 馈 及 稳 定 电 阻 以 后 的 输 入 反 射 及 稳 定 性 都 得 到 了 很 大 的 改 善 ， 且 噪 声 系 数 的 恶 化 程 度 也 在 允 许 的 范 围 内 。 下 面 给 出 频 率 为 4 0 4 M H z 时 网 络 两 端 口 的 参 数 值 : 况 ， = O · 3 8 3 艺 一 6 2 . 7 ， 又 2 = 0 . 0 3 3 匕 4 2 . 0 ， 又 ; = 1 4 . 9 2 3 艺 1 3 4 . 4 ， 又 : = 0 . 2 2 4 艺 1 0 . 5 : ( 5 一 5 ) 凡 i 。 = 0 · 3 0 1 d B ， r o p t = 0 · 1 7 艺 2 7 · 5 8 ， R n / 5 。 = 0 · 0 8 将 上 面 给 定 的 S 参 数 带 入 稳 定 性 判 断 公 式 : b 一 z + ! 凡 ; { ， 一 { 凡 2 { 2 一 { 凡 ， * 又 2 一 凡 2 * 又 1 { ， ( 5 一 6 ) 第 五 章 低 温 低 噪 声 放 大 器 设 计 与 调 试 1 + 1 5 ， ， * 又 2 一 5 1 2 ， 又 1 1 2 一 1 5 1 ， } 2 一 l 又 2 } ， ( 5 一 7 ) 2 * … 5 1 1 * 又 2 } 求 得 b = 0 . 7 8 1 ， K = 1 . 1 3 6 ， 满 足 条 件 b > O 且 K > 1 ， 故 放 大 器 在 工 作 频 率 为 4 O 4 M H Z 时 是 绝 对 稳 定 的 。 采 用 同 样 方 法 可 以 确 定 放 大 器 在 通 带 内 均 是 绝 对 稳 定 的 ， 因 此 输 入 输 出 匹 配 电 路 不 会 导 致 放 大 器 自 激 ， 这 给 匹 配 电 路 设 计 带 来 了 较 大 的 灵 活 性 。 在 设 计 匹 配 电 路 之 前 需 要 选 择 合 适 的 匹 配 点 ， 匹 配 点 的 选 择 至 关 重 要 ， 因 为 匹 配 点 是 匹 配 电 路 的 基 准 ， 基 准 没 有 找 好 就 很 难 将 电 路 匹 配 好 。 匹 配 点 的 选 取 需 要 综 合 考 虑 低 噪 声 放 大 器 所 需 的 性 能 指 标 : 在 对 噪 声 系 数 要 求 很 高 的 情 况 下 ， 输 入 端 可 按 最 佳 噪 声 匹 配 点 设 计 ; 若 对 驻 波 要 求 很 高 ， 则 输 入 可 按 最 佳 驻 波 匹 配 点 设 计 ; 有 时 为 了 提 高 增 益 ， 也 可 在 输 入 端 和 输 出 端 均 采 用 共 扼 匹 配 。 对 于 本 电 路 而 言 ， 由 于 对 噪 声 和 驻 波 要 求 都 较 高 ， 因 此 输 入 端 匹 配 点 是 在 噪 声 和 驻 波 之 间 取 折 中 ， 而 输 出 端 则 采 用 共 扼 匹 配 。 其 输 入 匹 配 点 的 选 取 可 由 下 图 5 一 9 所 示 : m m m 3 / \ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / j j j n d e 区 m 3 〕 幼 ， l 、 一 / / / / / / 闹 闹 m m m 3 ’ 0 刃 牙 照 野 0 、 / / / / / / / i n 卿 〔 [ n - - l ) 二 钊 _ _ _ g 剐 g g n 二 之 气 户 一 l 件 一 l 己 0 / 、 / 一 一 一 m 过 于 叼 匕 匕 ， 4 了 」 5 4 4 4 i m i i P e d 笋 c e 二 2 0 . 〔 0 月 7 a + J O 月 5 9 ) ) ) ) ) n s t i g 印 夕 = 口 另 2 ， 3 4 4 _ _ _ 恩 全 n 恩 恩 恩 恩 恩 恩 恩 恩 恩 恩 恩 恩 恩 恩 恩 恩 恩 恩 P e d ， 咋 e = 二 D ’ ( 1 另 2 5 + J O 万 0 4 〕 〕 N 闪 一 一 小 O 功 Q ﹂ 钾 一 一 O 铆 幼 璐 0 ﹂ } 币 } } 岁 厂 省 省 少 少 l d e 区 m 2 ) = 幼 幼 } m } } Z 二 0 . 1 7 0 羌 那 石 8 3 3 3 I n I I s f i g 叼 犷 尸 盛 O 子 0 1 3 4 4 4 4 l 叻 l l 脚 阳 n 时 笋 2 0 ， ( 1 另 3 5 + J 0 2 1 5 〕 〕 e 1 1 二 P t S ( 0 . 0 0 0 t o 5 1 . 0 0 0 ) 图 5 一 9 S m i t h 圆 图 上 匹 配 点 选 取 在 上 面 的 S m i t h 圆 图 中 : m Z 点 为 最 佳 噪 声 匹 配 点 ， m 3 点 为 最 佳 驻 波 匹 配 点 ， 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 为 了 兼 顾 噪 声 与 驻 波 ， 选 用 图 中 m 1 为 本 放 大 器 输 入 匹 配 点 ， 选 好 匹 配 点 以 后 要 将 该 点 的 阻 抗 匹 配 到 5 0 欧 姆 的 输 入 端 口 ， 于 是 有 了 匹 配 电 路 设 计 。 由 于 频 率 相 对 较 低 ， 为 了 满 足 小 型 化 设 计 的 要 求 ， 本 电 路 采 用 了 半 集 总 参 数 的 匹 配 电 路 形 式 ， 所 谓 半 集 总 参 数 实 际 上 是 采 用 集 总 元 件 作 为 主 要 匹 配 ， 但 由 于 集 总 参 数 的 值 是 相 对 离 散 的 ， 而 此 可 以 利 用 微 带 线 作 为 辅 助 微 调 ， 另 外 微 带 线 也 起 到 了 焊 盘 的 作 用 。 采 用 离 散 电 容 电 感 匹 配 的 设 计 过 程 如 下 图 5 一 1 0 所 示 : p o d L o a d N U m 二 2 C 二 1 1 P F 二 2 5 n H 今 今 L o o J J J O O O 亏 。 。 ， 。 e e e 图 5 一 r o 匹 配 电 路 设 计 示 意 图 上 图 中 S o u r c e 端 口 的 阻 抗 值 实 际 上 就 是 放 大 器 输 入 端 5 0 欧 姆 阻 抗 ， 而 L o a d 端 口 阻 抗 值 则 为 晶 体 管 对 应 匹 配 点 的 输 入 阻 抗 。 在 S m i t h 圆 图 上 将 匹 配 点 A 沿 等 导 纳 圆 逆 时 针 方 向 移 动 到 与 r = 1 相 交 于 B 点 ， 再 由 B 点 沿 等 阻 抗 圆 逆 时 针 方 向 移 动 到 S m i t h 圆 图 中 心 点 C 。 按 照 圆 图 上 电 长 度 标 尺 ， 可 计 算 出 电 路 工 作 在 4 0 4 M H z 时 的 输 入 匹 配 电 路 的 电 容 电 感 值 为 : q = 1 1 p F ， 几 = 2 s n H 。 输 出 匹 配 电 路 设 计 与 输 入 匹 配 电 路 设 计 过 程 基 本 一 样 ， 只 是 匹 配 点 的 选 取 更 加 着 重 于 对 增 益 的 考 虑 ， 因 此 输 出 匹 配 电 路 可 采 用 共 扼 匹 配 ， 类 似 的 可 以 确 定 输 出 匹 配 电 路 的 q = 1 6 P F 、 几 = 4 I n H 。 这 样 整 个 匹 配 电 路 就 基 本 设 计 完 成 了 ， 当 然 还 可 以 通 过 微 带 线 适 当 的 调 整 匹 配 电 路 ， 另 外 电 路 中 的 部 分 容 值 较 小 的 旁 路 电 容 也 参 与 了 一 定 匹 配 ， 如 原 理 图 5 一 3 中 q 和 几 ， 因 此 也 可 以 通 过 改 变 这 些 电 容 的 大 小 来 微 调 匹 配 电 路 。 5 . 7 软 件 优 化 及 联 合 仿 真 根 据 以 上 设 计 可 以 得 到 整 个 电 路 的 初 值 ， 但 由 于 电 路 各 部 分 是 分 开 来 设 计 的 ， 第 五 章 低 温 低 噪 声 放 大 器 设 计 与 调 试 而 且 其 初 值 的 获 取 是 通 过 等 效 或 估 值 方 法 得 到 ， 并 不 完 全 准 确 ， 因 此 有 必 要 利 用 软 件 作 进 一 步 仿 真 与 优 化 。 本 次 低 噪 声 放 大 器 设 计 充 分 利 用 了 A g i l e n t 公 司 的 A D S 软 件 ， 该 软 件 具 有 强 大 的 电 路 仿 真 及 优 化 功 能 ， 前 面 设 计 过 程 中 实 际 上 已 经 用 到 了 A D S 。 在 此 需 要 特 别 说 明 的 一 点 是 : A D S 不 仅 是 一 个 强 大 的 高 频 电 路 设 计 软 件 ， 它 实 际 上 还 具 备 二 维 半 电 磁 场 仿 真 ( M o m e n t ) 的 功 能 ， 本 次 低 噪 声 放 大 也 充 分 利 用 了 这 一 点 。 将 前 面 几 节 得 到 的 结 果 作 为 初 值 ， 在 A D S 软 件 平 台 上 搭 建 电 路 ， 通 过 仿 真 发 现 结 果 并 没 有 完 全 达 到 指 标 要 求 ， 主 要 表 现 在 输 入 端 反 射 略 显 不 足 ， 通 过 适 当 的 优 化 和 调 谐 即 可 达 到 所 需 的 要 求 ， 其 电 路 最 终 仿 真 结 果 如 图 5 一 n 所 示 : . . . 全 一 - . - 一 一 一 一 日 日 } } } } ; { ’ ’ } } } 下 下 万 万 二 二 二 { { ! ! ! ! ! ! 只 只 只 闪 ， - ， 一 愁 巴 乙 。 的 的 价 ， 加 . 韶 韶 韶 _ . . 韶 主 _ { … … { { 卿 几 几 万 万 万 仁 一 晦 ! 一 一 苏 丫 丫 ， j ， 习 . 口 } } } ! ) 一 黔 一 爹 一 廿 片 士 行 一 一 f r e q . M H z f r e q . M H z ( 幻 反 射 及 增 益 曲 线 助 噪 声 及 稳 定 性 曲 线 图 5 一 n 电 路 仿 真 结 果 由 于 前 面 的 仿 真 都 是 等 效 的 电 路 仿 真 ， 并 不 十 分 准 确 ， 为 了 保 证 设 计 的 准 确 性 ， 有 必 要 将 电 路 与 电 磁 结 合 起 来 进 行 联 合 仿 真 。 所 谓 联 合 仿 真 就 是 将 电 路 内 的 微 带 线 等 无 源 部 分 全 部 抽 取 出 来 进 行 二 维 半 的 电 磁 场 仿 真 ， 然 后 将 仿 真 结 果 导 入 电 路 原 理 图 中 与 电 容 电 感 等 离 散 元 件 再 进 行 一 次 仿 真 。 由 于 无 源 部 分 采 用 的 是 电 磁 仿 真 ， 结 果 更 加 可 靠 ， 因 此 整 个 电 路 仿 真 结 果 也 更 为 准 确 。 有 时 联 合 仿 真 与 电 路 仿 真 结 果 并 不 完 全 一 致 ， 但 通 过 微 调 电 路 尺 寸 或 元 件 值 可 以 得 到 与 电 路 仿 真 相 吻 合 的 结 果 。 因 此 ， 本 文 就 不 重 复 最 终 仿 真 结 果 ， 仅 给 出 联 合 仿 真 得 到 的 最 终 电 路 如 图 5 一 12 所 示 。 本 设 计 用 的 晶 体 管 参 数 是 采 用 厂 家 提 供 的 参 数 ， 这 些 参 数 是 厂 家 通 过 大 量 测 试 得 到 的 统 计 数 据 ， 具 有 很 大 的 参 考 价 值 ， 但 这 些 参 数 与 实 际 使 用 的 每 一 个 晶 体 管 参 数 可 能 会 有 些 差 异 ， 且 这 些 数 据 是 在 固 定 的 直 流 偏 置 点 下 测 得 的 ， 而 实 际 的 电 路 工 作 点 不 可 能 与 设 定 的 工 作 点 完 全 一 致 ， 往 往 会 有 些 偏 差 。 基 于 以 上 原 因 有 些 晶 体 管 厂 家 还 会 提 供 管 子 本 身 的 等 效 模 型 参 数 ， 有 了 晶 体 管 等 效 模 型 就 可 以 将 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 直 流 供 电 的 变 化 一 起 参 与 电 路 仿 真 ， 更 具 有 灵 活 性 和 实 用 性 。 对 于 本 次 用 的 晶 体 管 A T F 一 5 4 1 4 3 ， 厂 家 也 提 供 了 相 应 的 等 效 模 型 ， 因 此 最 后 还 利 用 等 效 模 型 对 放 大 电 路 作 了 验 证 ， 由 于 两 者 一 致 性 较 好 ， 在 此 不 作 进 一 步 累 述 ， 仅 在 附 录 中 给 出 了 该 晶 体 管 的 等 效 电 路 模 型 。 图 5 一 1 2 联 合 仿 真 电 路 图 5 . 8 实 际 制 作 与 调 试 5 . 8 . 1 电 路 P C B 版 图 设 计 根 据 以 上 电 路 结 构 ， 利 用 A u t o C A D 绘 图 软 件 并 结 合 A g i l e n t 公 司 给 出 的 A T F 一 5 X 1 4 3 系 列 晶 体 管 P C B 样 板 ， 绘 制 出 低 噪 声 放 大 器 的 P C B 版 图 。 由 于 采 用 照 相 制 板 工 艺 ， 所 以 一 定 要 按 照 实 际 尺 寸 绘 图 。 微 带 线 是 半 开 放 式 的 传 输 线 ， 有 一 定 辐 射 ， 因 此 线 与 线 之 间 不 能 靠 得 太 紧 ， 以 免 产 生 不 必 要 的 祸 合 与 窜 扰 。 电 路 板 的 接 地 是 通 过 过 孔 来 实 现 的 ， 因 此 在 铺 地 时 要 特 别 注 意 过 孔 的 大 小 与 位 置 ， 尤 其 是 在 晶 体 管 源 极 接 地 的 地 方 ， 过 孔 的 大 小 和 位 置 有 严 格 的 要 求 。 另 外 ， 在 实 际 电 路 第 五 章 低 温 低 噪 声 放 大 器 设 计 与 调 试 板 的 设 计 中 还 要 考 虑 到 为 以 后 调 试 留 出 足 够 的 空 间 ， 并 在 直 流 偏 置 馈 入 点 附 近 焊 接 滤 波 电容 。 最 后 要 确 定 直 流 偏 压 能 否 正 确 地 加 在 器 件 上 ， 以 免 烧 坏 晶 体 管 。 总 之 ， 要 全 面 考 虑 各 个 方 面 的 影 响 ， 以 保 证 最 后 调 试 的 成 功 。 5 . 8 . 2 屏 蔽 盒 设 计 由 于 放 大 器 工 作 于 高 频 频 率 ， 会 对 外 产 生 辐 射 ， 另 外 ， 外 界 强 信 号 也 会 干 扰 放 大 器 正 常 工 作 ， 因 此 需 要 外 加 一 个 屏 蔽 盒 。屏 蔽 盒 的 大 小 以 能 够 装 得 下 电 路 基 片 为 宜 ， 为 了 避 免 短 路 有 时 也 将 屏 蔽 盒 设 计 得 略 大 于 电 路 基 片 ， 另 外 ，基 片 到 屏 蔽 盒 顶 部 的 距 离 最 好 略 大 于 基 片 厚 度 的 1 0 倍 ， 但 也 不 宜 过 高 。 由 于 低 噪 声 放 大 器 最 终 要 与 超 导 滤 波 器 集 成 一 体 化 ， 因 此 要 保 证 放 大 器 的 输 入 端 与 滤 波 器 的 输 出 端 配 对 ， 这 在 结 构 上 需 要 有 更 多 的 考 虑 。 另 外 ， 在 屏 蔽 盒 上 留 出 相 应 的 螺 孔 和 通 孔 以 便 上 穿 心 电 容 和 S M A 接 头 。 5 . 8 . 3 放 大 器 装 配 及 调 试 放 大 器 装 配 之 前 最 好 先 将 屏 蔽 盒 镀 金 ， 然 后 把 基 片 固 定 在 屏 蔽 腔 底 部 。 固 定 基 片 的 方 法 有 多 种 ， 可 以 采 用 螺 钉 固 定 ， 也 可 以 利 用 导 电 胶 固 定 。 在 基 片 比 较 薄 的 情 况 下 最 好 用 导 电 胶 固 定 ， 若 采 用 螺 钉 固 定 则 最 好 多 加 些 固 定 螺 钉 ， 尤 其 在 晶 体 管 接 地 的 地 方 ， 因 为 基 片 较 薄 容 易 导 致 局 部 接 地 不 良 。 为 了 保 证 接 地 良 好 可 靠 ， 本 放 大 器 采 用 导 电 胶 和 螺 钉 双 重 固 定 的 办 法 ， 需 要 注 意 的 是 在 导 电 胶 配 制 时 一 定 要 严 格 按 照 配 比 ， 并 搅 拌 均 匀 ， 导 电 胶 涂 好 后 要 在 一 定 温 度 下 烘 干 方 可 使 用 。 基 片 固 定 好 以 后 就 可 以 在 相 应 位 置 上 焊 接 元 器 件 了 ，焊 接 时 应 该 先 焊 不 易 静 电击 穿 的 元 件 ， 即 可 以 先 焊 电 容 电感 及 电 阻 等 ， 然 后 再 焊 晶体 管 。 焊 接 时 要 防 止 虚 焊 ， 电 烙 铁 必 须 有 效 接 地 ， 同 时 要 注 意 消 除 人 体 静 电 以 防 止 晶 体 管 静 电 击 穿 。 基 片 焊 接 好 后 就 可 以 进 行 调 试 了 ， 调 试 时 应 该 先 调 节 直 流 偏 置 电 路 ， 得 到合 适 的 直 流 工 作 点 后 再 来 调 试 射 频 电 路 部 分 。 对 于 本 电 路 而 言 ， 射 频 部 分 又 分 为 反 馈 电 路 、 匹 配 电 路 及 稳 定 电 路 等 几 个 部 分 ， 调 试 时 应 根 据 具 体 问 题 做 具 体 分 析 : 若 放 大 器 的 噪 声 或 输 入 反 射 差 ，应 该 调 节 输 入 匹 配 电 容 电 感 或 反 馈 网 络 ; 若 放 大 器 不 稳 定 ， 则 可 以 通 过 增 大 输 出 稳 定 电 阻 或 调 整 反 馈 网 络 得 以 改 善 。 由 于 调 试 是 在 实 践 中 累积 经 验 的 ， 在 此 就 不 再 作 累 述 了 。 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 第 六 章 高 温 超 导 接 收 机 前 端 子 系 统 测 试 与 结 果 分 析 6 . 1 低 温 测 试 系 统 高 温 超 导 用 的 低 温 测 试 装 置 主 要 有 两 种 : 其 一 是 采 用 液 氮 直 接 制 冷 ， 另 一 种 是 利 用 制 冷 机 进 行 制 冷 。 两 种 测 试 方 案 示 意 图 如 下 所 示 : 矢 量 网 络 分 析 仪 矢 矢 量 网 络 分 析 仪 仪 低 低 低 温 电 缆 缆 缆 低 温 电 缆 / / / / / \ \ \ \ \ 真 真 真 真 真 真 真 真 真 真 真 待 待 测 件 件 件 件 件 件 空 空 泵 泵 泵 泵 泵 娅 弓 三 班 掖 氮 三 三 三 三 三 伟 伟 g 冷 机 机 ( Q ) 液 氮 制 冷 测 试 方 案 必 ) 制 冷 机 制 冷 测 试 方 案 图 6 一 1 两 种 测 试 方 案 示 意 图 比 较 上 述 两 种 测 试 方 案 会 发 现 : 采 用 液 氮 制 冷 的 方 法 简 单 易 用 、 成 本 较 低 ; 而 采 用 制 冷 机 制 冷 的 方 法 则 相 对 比 较 复 杂 ， 该 方 法 不 仅 要 求 有 制 冷 设 备 ， 还 需 要 相 应 的 真 空 设 备 。 过 去 由 于 制 冷 设 备 还 不 成 熟 ， 往 往 用 液 氮 直 接 制 冷 高 温 超 导 等 器 件 ， 该 方 法 虽 然 简 单 但 存 在 相 应 的 缺 点 ， 如 温 度 不 可 控 制 以 及 器 件 容 易 受 潮 等 。 随 着 小 型 化 实 用 化 制 冷 机 出 现 ， 采 用 制 冷 机 制 冷 己 经 逐 步 取 代 了 液 氮 制 冷 成 为 主 要 制 冷 的 方 案 ， 因 为 制 冷 机 可 以 在 较 大 范 围 内 调 节 温 度 ， 从 而 方 便 选 择 器 件 性 能 最 好 的 工 作 状 态 ; 现 代 制 冷 机 的 工 作 寿 命 长 ， 且 可 重 复 性 好 ， 因 此 可 以 长 时 间 给 器 件 提 供 一 个 稳 定 的 工 作 环 境 ; 另 外 ， 器 件 是 放 在 真 空 腔 内 的 ， 较 高 的 真 空 度 对 第六章 高温超导接收机前端子系统测试与结果分析 器件起了良好的保护作用。本次低温器件的测试采用了制冷机制冷的测试。 下面给出了一种测试用的制冷机实物图，图 6-2 制冷机实际上还包括了低温杜瓦 装置，通过与一个小型万用表相比，可以看出这样一个一体化的制冷系统其实际 尺寸并不大。 图6-2 小型化制冷机 6.2 高温超导滤波器测试 超导滤波器的插入损耗一般很小，为了保证测量结果的准确性，需要在测试 前进行精确校准，本次滤波器测量采用的仪器是 Agilent 公司的 8720盯矢量网络 分析仪，其精度完全可以达到测试的要求。但由于滤波器是在低温下测量，古文准 确的测试要求将低温电缆冷却到一定温度后再校准，但是这需要设计专门的测试 夹具，且温度难以控制，因此实验中还是采用常温校准 。常温校准的结果虽然会 有一定误差，但这种误差是在允许的范围内的，并且可以通过修正进一步减小误 差。本次高温超导滤波器的最终测试曲线如下图示: - 53 - 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 6 J u 1 2 日 0 6 1 5 : 2 4 : 1 8 R F L L O 口 1 日 d 日 / R 仁 厂 勺 己 日 1 : 一 2 日 . e 9 4 d e 幽 T 暇 目 L D G 1 0 d B / R E F 日 d B 1 : 一 3 5 9 e 日 d B 一 4 日 3 口 3 6 5 它 e e H z 乍 乍 i i ; i { { 李 李 { ; i 口 1 三 三 ; ; ; ; ; ; ; ; ; 卜 ， ~ 一 一 ~ . ~ ~ . . . ， 汗 ， { 一 一 一 C H I I J 日 卜 k 赞 r 弓 夕 夕 歹 歹 歹 歹 歹 歹 2 : 一 3 后 3 臼 白 d 仑 4 2 2 . 1 7 e 洲 H Z 3 : 一 礴 6 4 叼 日 d B 铂 铂 : . 舀 : : : : : 仁 仁 仁 仁 一 一 一 一 一 一 一 一 一 } } } 3 日 3 一 0 2 6 州 H Z 偏挑 昌 戮 昌 里 5 卜 4 一 9 4 5 e d 白 4 刁 6 一 4 7 0 洲 H z 一 一 叫 孽 ， ， ， ， 哥 i 哥 厂 厂 { { { { { . . . . . . . . ~ . . . . . . . . . . ‘ ~ ~ . “ . 寻 ; 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放 大 器 在 低 温 下 具 有 良 好 的 反 射 与 噪 声 性 能 ， 增 益 也 达 到 了 指 标 要 求 ; 中 心 频 率 处 ， 子 系 统 噪 声 系 数 小 于 0 . 6 d B ， 转 化 为 接 收 机 灵 敏 度 约 为 一 1 0 7 d B m ， 在 同 等 条 件 下 这 么 高 的 灵 敏 度 对 于 常 规 接 收 机 而 言 是 很 难 做 到 的 。 所 研 制 接 收 机 前 端 灵 敏 度 己 经 达 到 了 要 求 ， 但 是 整 个 子 系 统 的 反 射 还 不 是 很 理 想 。 另 外 ， 超 导 滤 波 器 的 带 宽 和 中 心 频 率 也 略 有 偏 差 。 造 成 这 些 偏 差 的 原 因 是 多 方 面 的 : 首 先 ， 高 温 超 导 的 刻 蚀 工 艺 还 不 十 分 成 熟 ， 而 实 际 采 用 的 湿 法 刻 蚀 精 度 相 对 较 差 ， 光 刻 的 误 差 将 会 在 很 大 程 度 上 影 响 器 件 的 性 能 ; 其 次 ， 衬 底 材 料 的 介 电 常 数 会 随 温 度 的 变 化 而 变 化 ， 设 计 时 用 的 介 电 常 数 值 是 通 过 多 次 测 量 得 到 的 经 验 值 ， 与 实 际 的 使 用 的 情 况 可 能 不 完 全 一 致 ; 再 次 ， 电 路 设 计 时 所 用 的 全 波 仿 真 软 件 主 要 是 针 对 常 规 的 平 面 电 路 ， 对 于 高 温 超 导 滤 波 器 而 言 并 不 一 定 完 全 适 用 ; 另 外 ， 超 导 薄 膜 表 面 电 阻 的 不 均 匀 性 以 及 基 片 的 不 均 匀 性 等 都 会 影 响 电 路 的 最 终 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 性 能 。 除 了 反 射 不 够 理 想 外 ， 观 察 曲 线 还 会 发 现 子 系 统 的 中 心 频 率 及 带 宽 较 设 定 值 略 有 偏 差 ， 这 主 要 是 由 于 超 导 滤 波 器 的 带 宽 及 中 心 频 率 偏 移 造 成 的 。 导 致 滤 波 器 偏 差 的 因 素 是 多 方 面 的 ， 与 滤 波 器 反 射 不 好 的 原 因 基 本 相 同 ， 所 不 同 的 是 : 超 导 滤 波 器 的 中 心 频 率 与 工 作 环 境 的 温 度 密 切 相 关 ， 一 般 而 言 ， 超 导 滤 波 器 的 中 心 频 率 随 工 作 温 度 的 降 低 而 增 加 ， 因 此 可 以 通 过 改 变 温 度 来 微 调 滤 波 器 的 工 作 频 率 。 进 一 步 提 高 超 导 接 收 机 的 性 能 就 要 求 尽 量 减 小 上 述 因 素 造 成 的 影 响 ， 然 而 有 些 因 素 的 影 响 是 不 可 避 免 的 ， 为 了 使 实 际 测 试 曲 线 与 理 论 计 算 曲 线 更 加 接 近 ， 就 要 求 对 制 作 好 的 器 件 或 子 系 统 作 适 当 调 谐 。 关 于 调 谐 归 结 起 来 主 要 有 三 个 部 分 : 低 噪 声 放 大 器 直 流 偏 置 调 整 、 滤 波 器 调 谐 以及 工 作 环 境 温 度 改 变 。 其 中温 度 调 节 前 面 已 有 所 提 及 ， 在 此 不 做 累 述 ; 低 噪 声 放 大 器 的 特 性 参 数 会 随 直 流 偏 置 的 改 变 而 改 变 ， 尤 其 在 低 温 环 境 下 其 特 性 参 数 对 直 流 工 作 点 更 加 敏 感 ， 因 此 可 以 通 过 调 节 直 流 偏 置 得 到 子 系 统 最 佳 的 工 作 状 态 ; 对 于 滤 波 器 而 言 ， 其 性 能 主 要 取 决 于 谐 振 器 的 长 度 及 彼 此 间 的 祸 合 系 数 ， 常 规 的 平 面 或 腔 体 滤 波 器 在 常 温 下 可 以 方 便 的 调 节 谐 振 器 的 长 度 及 彼 此 间 的 祸 合 量 ， 然 而 超 导 滤 波 器 需 工 作 于 低 温 且 密 封 的 环 境 ， 这 给 调 谐 带 来 了 相 当 的 困 难 。 超 导 滤 波 器 虽 然 属 于 平 面 滤 波 器 ， 却 难 以 采 用 常 规 平 面 滤 波 器 的 调 试 方 法 ， 但 可 以 通 过 在 盖 板 上 加 调 谐 螺 钉 来 调 试 ， 关 于 这 一 点 还 会 在 下 一 章 作 具 体 展 望 ， 在 此 不 过 多 阐 述 。 实 验 中 发 现 : 采 用 H E M T 器 件 制 成 的 低 噪 声 放 大 器 在 低 温 环 境 下 不 仅 噪 声 大 幅 下 降 、 增 益 有 所 提 升 ， 而 且 反 射 也 会 有 所 漂 移 。 这 些 与 国 外 许 多 关 于 H E M T 器 件 的 报 道 是 相 一 致 的 [ 2 9 ] ， 所 不 同 的 是 : 实 验 中 还 发 现 本 次 低 噪 声 放 大 器 在 低 温 下 具 有 两 个 较 为 合 适 的 直 流 工 作 点 ， 且 这 两 个 工 作 点 的 电 压 相 差 甚 远 ， 例 如 ， 其 中 一 个 工 作 点 的 漏 极 偏 压 为 1 . 5 V ， 而 另 外 一 个 工 作 点 的 漏 极 偏 压 却 是 8 V 。 关 于 这 一 点 ， 有 待 于 作 进 一 步 的 研 究 。 第 七 章 总 结 与 展 望 第 七 章 总 结 与 展 望 7 . 1 本 论 文 研 究 总 结 本 文 首 先 讲 述 了 高 温 超 导 体 的 基 本 特 性 ， 之 后 简 要 介 绍 了 国 内 外 高 温 超 导 接 收 机 技 术 的 发 展 状 况 ， 继 而 详 细 论 述 了 高 温 超 导 接 收 机 前 端 各 器 件 的 工 作 原 理 。 在 明 晰 滤 波 器 理 论 和 低 噪 声 放 大 器 原 理 基 础 上 ，根 据 课 题 研 究 需 要 研 制 出 了 U H F 频 段 高 温 超 导 接 收 机 前 端 子 系 统 ， 本 文 详 细 阐 述 了 高 温 超 导 滤 波 器 以 及 低 温 低 噪 声 放 大 器 的 设 计 及 制 作 过 程 ， 最 后 给 出 子 系 统 测 试 结 果 并 对 其 作 出 相 应 分 析 。 所 研 制 高 温 超 导 接 收 机 前 端 系 统 的 灵 敏 度 及 矩 形 系 数 均 比 常 规 接 收 机 系 统 有 较 大 提 高 ， 这 一 方 面 归 功 于 高 温 超 导 滤 波 器 的 高 Q 值 、 低 差 损 特 性 ， 另 一 方 面 也 得 益 于 低 温 低 噪 声 放 大 器 优 异 的 噪 声 性 能 。 近 年 来 的 研 究 表 明 : 将 高 温 超 导 滤 波 器 和 低 温 低 噪 声 放 大 器 集 成 一 体 化 作 为 接 收 机 前 端 已 经 成 为 高 温 超 导 接 收 机 的 发 展 趋 势 ， 本 课 题 的 研 究 再 次 验 证 了 这 一 结 论 的 正 确 性 ， 同 时 本 研 究 工 作 也 给 高 温 超 导 接 收 机 的 工 程 化 应 用 积 累 了 相 应 的 经 验 。 常 见 的 高 温 超 导 接 收 机 一 般 工 作 于 L 波 段 或 更 高 的 频 率 ， 而 本 论 文 研 究 的 高 温 超 导 接 收 机 要 求 工 作 于 U H F 频 段 低 端 ， 这 也 正 是 本 论 文 的 特 色 所 在 。 由 于 频 率 较 低 ， 小 型 化 要 求 显 著 提 高 ， 为 了 使 电 路 尽 可 能 小 型 化 ， 本 次 超 导 滤 波 器 的 谐 振 器 采 用 了 多 曲 折 线 结 构 ， 在 滤 波 器 的 拓 扑 结 构 上 也 选 用 了 尺 寸 较 小 的 发 夹 线 结 构 。 对 于 低 噪 声 放 大 器 则 采 用 了 半 集 总 参 数 电 路 形 式 ， 另 外 ， 由 于 频 率 相 对 较 低 ， 考 虑 到 稳 定 性 、 噪 声 及 驻 波 等 因 素 ，放 大 器 的 设 计 采 用 了 串 联 反 馈 技 术 和 并 联 反 馈 技 术 ， 同 时 引 入 阻 性 负 载 以 进 一 步 增 强 电 路 稳 定 性 。 由 于 充 分 利 用 了 A D S 、 工 E 3 D 等 先 进 的 电 路 电 磁 仿 真 软 件 ， 使 得 设 计 的 效 率 和 准 确 性 都 得 到 了 极 大 提 高 。 总 的 来 说 ， 本 课 题 研 究 工 作 基 本 是 成 功 的 ， 但 也 存 在 一 些 问 题 ， 比 如 研 制 的 滤 波 器 一 致 性 及 成 品 率 不 够 ， 放 大 器 低 温 下 存 在 较 多 不 可 预 知 因 素 以 及 滤 波 器 与 放 大 器 导 致 系 统 驻 波 不 好 等 等 。 由 于 毕 业 设 计 时 间 有 限 ， 更 多 细 致 深 入 的 工 作 有 待 于 做 进 一 步 的 研 究 。 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 . 2 前 景 展 望 随 着 雷 达 、 无 线 通 信 、 卫 星 通 信 以 及 深 空 探 测 等 领 域 的 迅 猛 发 展 ，要 求 接 收 机 的 灵 敏 度 越 来 越 高 ， 对 某 些 高 性 能 系 统 而 言 ， 常 规 接 收 机 的 灵 敏 度 已 无 法 满 足 要 求 ， 高 温 超 导 接 收 机 凭 借 优 异 的 性 能 正 在 占 据 着 这 些 领 域 。 目 前 ， 限 制 高 温 超 导 接 收 机 应 用 的 主 要 因 素 之 一 是 超 导 苛 刻 的 工 作 环 境 : 由 于 超 导 材 料 需 要 在 低 温 下 才 能 正 常 工 作 ， 因 此 需 要 配 套 的 制 冷 装 置 ; 又 因 为 Y B a C u O 薄 膜 在 潮 湿 环 境 下 容 易 损 坏 ， 所 以 真 空 装 置 也 必 不 可 少 。 虽 然 高 温 超 导 器 件 本 身 的 尺 寸 很 小 ， 但 配 套 的 设 备 却 相 当 笨 重 ， 并 且 这 些 辅 助 的 设 备 往 往 价 格 昂 贵 。 因 此 为 了 使 高 温 超 导 接 收 机 能 在 更 大 范 围 内 得 到 推 广 与 普 及 ， 一 方 面 要 求 高 温 超 导 材 料 的 临 界 温 度 进 一 步 提 高 ， 另 一 方 面 也 要 求 研 制 出 更 加 小 型 化 实 用 化 的 低 温 杜 瓦 装 置 。 高 温 超 导 滤 波 器 虽 然 性 能 很 好 ， 但 一 致 性 却 难 以 得 到 保 证 ， 其 成 品 率 远 低 于 常 规 滤 波 器 ， 这 大 大 限 制 了 超 导 滤 波 器 在 接 收 机 上 的 应 用 。 因 为 成 品 率 低 一 方 面 影 响 了 研 制 效 率 ， 另 一 方 面 又 增 加 了 研 发 成 本 。 导 致 成 品 率 低 的 因 素 主 要 有 : 首 先 ， 刻 蚀 工 艺 尚 不 完 全 成 熟 ， 光 刻 的 误 差 影 响 了 器 件 的 性 能 ; 其 次 ， 衬 底 材 料 的 介 电 常 数 随温 度 变 化 ， 设 计 时用 的介 电 常 数 值 与 实 际 情 况 不 完 全 一 致 ; 再 次 ， 电 路 设 计 用 的 全 波 仿 真 软 件 主 要 针 对 常 规 平 面 电 路 ， 对 高 温 超 导 材 料 不 完 全 适 用 ; 最 后 ， 超 导 薄 膜 表 面 电 阻 的 不 均 匀 性 以 及 基 片 的 不 均 匀 性 等 都 会 影 响 滤 波 器 的 性 能 。 因 此 ， 进 一 步 提 高 超 导 滤 波 器 的 性 能 就 要 求 尽 量 减 小 上 述 因 素 造 成 的 影 响 ， 比 如 改 进 超 导 光 刻 工 艺 ， 采 用 稳 定 性 和 均 匀 性 更 好 的 超 导 薄 膜 和 称 底 材 料 ， 研 制 出 完 全 适 用 于 超 导 电 路 的 场 仿 真 软 件 等 等 。 即 便 如 此 ， 有 些 因 素 的 影 响 仍 是 不 可 避 免 的 ， 为 了 使 实 际 测 试 曲 线 与 理 论 计 算 曲 线 更 加 接 近 ， 就 要 求 对 器 件 或 子 系 统 作 适 当 调 谐 ， 调 谐 是 弥 补 工 艺 误 差 及 软 件 计 算 误 差 的 重 要 方 法 。 从 国 外 近 期 发 表 的 文 献 来 看 [ s 0 ] ， 很 多 高 性 能 超 导 滤 波 器 都 是 通 过 调 谐 得 到 的 ， 虽 然 有 过 很 多 关 于 调 谐 滤 波 器 的报 道 ， 但 却 鲜 见 关 于 调 谐 装 置 的 报 道 。 因 此 ，为 了 加 速 我 国 的 高 温 超 导 接 收 实 用 化 进 程 ， 有 必 要 研 制 出 适 用 于 高 温 超 导 滤 波 器 低 温 下 的 调 谐 装 置 。 低 温 低 噪 声 放 大 器 作 为 高 温 超 导 接 收 机 前 端 重 要 部 件 ， 对 系 统 的 性 能 有 着 重 要 的 影 响 ， 然 而 一 般 厂 家 并 不 给 出 晶 体 管 的 低 温 参 数 ， 故 只 能 利 用 晶 体 管 的 常 温 参 数 来 设 计 低 温 低 噪 声 放 大 器 ， 这 带 来 了 许 多 不 可 预 知 的 因 素 ， 造 成 设 计 和 调 试 的 困 难 。 因 此 进 一 步 的 研 究 工 作 将 着 重 于 器 件 低 温 参 数 的 获 取 ， 提 升 模 拟 设 计 的 准 确 性 ， 从 而 以 更 高 的 效 率 设 计 出 性 能 更 加 优 异 的 高 温 超 导 用 低 噪 声 放 大 器 。 另 外 ， 第 七 章 总 结 与 展 望 放 大 器 在 低 温 下 稳 定 性 往 往 很 难 得 到 保 证 ， 为 了 进 一 步 提 高 低 温 低 噪 声 放 大 器 的 稳 定 性 与 可 靠 性 ， 下 一 步 的 研 究 可 以 考 虑 采 用 平 衡 式 放 大 的 电 路 拓 扑 结 构 。 在 高 温 超 导 滤 波 器 设 计 和 应 用 中 ， 传 统 的 切 比 雪 夫 函 数 滤 波 器 得 到 普 遍 采 用 与 认 可 ， 但 该 函 数 特 性 决 定 了 滤 波 器 的 通 带 边 缘 并 不 十 分 陡 峭 。 为 了得 到 更 高 的 陡 度 和 带 外 抑 制 特 性 ， 往 往 必 须 增 加 滤 波 器 的 级 数 ， 这 一 方 面 使 设 计 变 得 更 加 复 杂 ， 另 一 方 面 又 增 加 了 通 带 内 插 损 ， 并 且 过 多 的 级 数 将 难 以 在 有 限 面 积 的 超 导 薄 膜 上 实 现 [ 3 ‘ 〕 。 这 种 情 况 下 ， 宜 采 用 新 型 的 广 义 切 比 雪 夫 函 数 来 设 计 滤 波 器 ， 因 为 广 义 切 比 雪 夫 函 数 滤 波 器 的 阻 带 传 输 零 点 可 以 任 意 设 置 ， 当 把 传 输 零 点 设 置 在 带 边 时 ， 滤 波 器 的 陡 度 将 大 大 提 高 。 关 于 广 义 切 比 雪 夫 函 数 滤 波 器 藕 合 矩 阵 的 获 得 方 法 现 己 有 相 关 的 文 献 报 道 ， 可 以 通 过 优 化 口 2 ] 或 综 合 [ 3 3 ] 得 到 。 由 于 广 义 切 比 雪 夫 滤 波 器 的 陡 度 高 ， 这 将 导 致 滤 波 器 带 内 的 群 时 延 变 化 大 ， 因 此 在 群 时 延 要 求 较 高 的 场 合 还 有 必 要 进 行 线 性 相 位 的 研 究 ， 关 于 线 性 相 位 滤 波 器 的 理 论 研 究 [ 3 3 ] [ 3 4 1 与 研 制 泌 ] I 3 6 J 参 见 相 关 的 文 献 报 道 。 高 温 超 导 材 料 除 了 具 有 极 低 的 微 波 表 面 电 阻 外 ，还 具 有 非 线 性 效 应 ， 利 用 超 导 的 非 线 性 效 应 可 以 制 成 差 损 极 小 的 超 导 限 幅 器 ， 实 际 应 用 中 可 以 将 超 导 限 幅 器 和 超 导 滤 波 器 结 合 在 一 起 ， 换 句 话 说 ， 超 导 滤 波 器 本 身 就 是 一 个 限 幅 器 。 高 温 超 导 这 种 特 性 使 得 高 温 超 导 接 收 机 在 高 性 能 军 用 雷 达 系 统 中 的 应 用 前 景 广 阔 ， 因 为 高 性 能 军 用 雷 达 系 统 对 价 格 并 不 敏 感 ， 但 是 要 求 接 收 机 在 具 有 极 高 灵 敏 度 和 选 择 性 的 同 时 保 持 良 好 的 抗 干 扰 能 力 ， 这 些 是 常 规 接 收 机 系 统 所 无 法 比 拟 的 。 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 致 谢 首 先 ， 我 要 由 衷 感 谢 我 的 导 师 罗 正 祥 教 授 和 羊 恺 副 教 授 ， 他 们 严 谨 的 治 学 态 度 和 不 断 创 新 的 精 神 使 我 深 受 启 迪 ， 正 是 他 们 悉 心 的 指 导 使 我 能 够 最 终 顺 利 完 成 本 论 文 研 究 工 作 。 这 里 还 要 特 别 感 谢 补 世 荣 老 师 的 支 持 和 帮 助 ， 他 渊 博 的 知 识 和 丰 富 的 工 程 经 验 使 我 受 益 匪 浅 ; 同 时 也 感 谢 练 平 师 兄 大 量 的 前 期 研 究 工 作 。 研 究 生 学 习 阶 段 我 还 得 到 了 曾 成 、 刘 娟 秀 、 宁 俊 松 、 张 天 良 博 士 ， 以及 王 一 凡 、 段 杏 娜 、 王 政 伟 等 教 研 室 同学 给 予 我 学 习 、 生 活 上 的 支 持 与 关 心 。在 这 里 向 他 们 表 示 我 真 切 的 谢 意 。 另 外 ，我 要 特 别 感 谢 我 的 家 人 ， 感 谢 他 们 在 我 成 长 路 上 无 微 不 至 的 关 怀 ， 感 谢 他 们 长 期 以 来 对 我 研 究 生 学 习工 作 的 支 持 与 鼓 励 。 最 后 再 次 向 帮 助 过 我 顺 利 完 成 学 业 的 所 有 人 士 表 示 最 诚 挚 的谢 意 ! 参 考 文 献 参 考 文 献 r 2 刁 人 l . L f ﹄ ， 一 J J . ‘ . . 沈 致 远 著 . 高 温 超 导 微 波 电 路 . 盛 克 敏 ， 王 素 玉 译 . 北 京 : 国 防 工 业 出 版 社 ， 2 0 0 0 W U . M . K . ， J . R . A s h b u r n ， C . J . T O r n g ， e t a l . S u P e r e o n d u c t i v i t y a t 9 3 K i n a N e w M i x e d 一 P h a s e Y - B a 一 C u 一 0 C o m P o u n d S y s t e m a t A l l l b i e n t P r e s s u r e . P h y s . R e v . L e t t . ， 1 9 8 7 ， V o l . 5 8 : 9 0 8 一 9 0 8 3 [ ] S h e n g ， 2 . 2 . ， A . M . H e r m a n n . B u l k S u P e r c o n d u c t i v i t y a t 1 2 0 K i n t h e T I 一 C a / B a 一 C u 一 O S y s t e m . N a t u r e . ， 1 9 8 8 . V O I . 3 3 2 : 1 3 8 一 1 3 9 [ 4 1 C h u ， C . W . ， L ， C a o ， E C h e n ， e t a l . S u P e r e o n d u c t i v i t y A b o v e 1 5 0 K i n H g B 匆 C a Z C u 3 O S 十 占 a t H i g h P r e s u r e s . ， 1 9 9 3 . V o l . 3 6 5 : 3 2 3 一 3 2 5 【 5 1 L o n d o n ， F . ， H . L o n d o n . T h e E l e e t r o m a g n e t i c E q u a t i o n s o f t h e S u P r a e o n d u c t o r . P r o c ， R o y . S o e . ， 1 9 3 5 . M 〕 1 . A 一 1 4 9 : 7 1 一 8 8 〔 6 ] M . N i s e n o f f ， J . C . R i t t e r ， G . P r i c e ， S . A . W 6 1 f . T h e H i 沙 及 n 1 P e r a t u r e S u P e r e o n d u c t i v i t y S P a ee E x P e r i m e n t : H T S S E 1 C o m P o n e n t s a n d H T S S E 1 1 S u b s y s t e m s a n d A d v a n e e d D e v i c e s . I E E E T r a n s A P P I . S u P e r c o n d . ， 1 9 9 3 . V o l 3 : 2 8 8 5 一 2 8 9 0 【 7 ] J i a 一 S h e n g H o n g ， M i c h a e l J . L a n c a s t e 几 D i e t e r J e d a m z i k ， e t a l o n t h e P e r f o r m a n e e o f H T S M i c r o s t r i P Q u a s i 一 E l l i P t i c F u n e t i o n F i l t e r s f o r M o b i l e C o m m u n i e a t i o n s A P P l i e a t i o n . I E E E T r a n s a c t i o n s O n M i c r o w a v e T h e o r y a n d T e c h n i q u e s . ， Z 0 0 0 . V o l . 4 8 : 1 2 4 0 一 1 2 4 6 [ 8 1 何 豫 生 ， 黎 红 ， 何 艾 生 ， 等 . 适 用 于 G S M 1 8 0 0 移 动 通 信 基 站 前 端 的 高 温 超 导 滤 波 器 和 子 系 统 原 理 性 样 机 . 中 国科 学 . 2 0 0 2 . v o l . 3 2 : 4 7 9 一 4 8 4 [ 9 ] D o w 一 C h i h N i u ， T u n g 一 W u u H u a n g ， H a o 一 J u n g L e e ， e t a l . 为 I X 一 b a n d f r o n t 一 e n d m o d u l e u s i n g H T S t e c l l l l i q u e f o r a e o m m e r c 宜 a l d u a l m o d e r a d a r . I E E E T r a n s . A P P l i e d S u P e r c o n d u c t i v i t y ， 2 0 O 5 . V o l . 1 5 : 1 0 0 8 一 1 0 1 1 【 1 0 ] 甘 本 拔 ， 吴 万 春 . 现 代 滤 波 器 的 结 构 与 设 计 . 北 京 : 科 学 出 版 社 ， 1 9 7 3 【 1 1 ] J i a 一 S h e n g H o n g . M i e r o s t r i P F i l t e r s f o r R F / M i e r o w a v e A P P l i c a t i o n s . N e w Y o r k : A W i l e y 一 I n t e r s e i e n e e P u b l i e a t i o ， 2 0 0 1 [ 1 2 ] 闰 敦 豹 ， 袁 乃 昌 . P B G 结 构 缺 陷 的 谐 振 特 性 研 究 . 微 波 学 报 . 2 0 0 3 . V o l . 1 9 : 2 9 一 3 3 【 1 3 〕 C . G M o n t g o m e r 又 R H . D i c k e ， E . M . P r u e e l l . P r i n e i P l e o f M i e r o w a v e C i r c u i t s . N e w Y o r k : M e G r a w 一 H i l l ， 1 9 4 8 ， c h . 4 1 1 4 ] 赫 崇 骏 ， 韩 永 宁 . 微 波 电 路 . 国 防 科 技 大 学 出 版 社 ， 1 9 9 9 【 1 5 ] 顾 其 净 ， 项 家 祯 ， 袁 孝 康 . 微 波 集 成 电 路 的 设 计 . 北 京 : 人 民 邮 电 出 版 社 ， 1 9 7 8 6 3 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 [ 1 6 」 陈 天 麒 . 微 波 低 噪 声 晶 体 管 放 大 器 . 北 京 : 人 民 邮 电 出 版 社 ， 1 9 8 3 【 1 7 」 G u i l l e r m o G o n z a l e z . M i c r o w a v e T r a n s i s t o r A m p l i f i e r s A n a l y s i s a n d D e s i g n . 白 晓 东 译 . 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 ， 2 0 0 3 【 1 8 ] Q . Y M a . 盯 A P P l i c a t i o n s o f H i 沙 几 m P e r t u r e S u P e r c o n d u e t o r s i n M H z R a n g e . I E E E T r a n s a e t i o n s o n A P P l i e d S u P e r c o n d u e t i v i t y . ， 1 9 9 9 V o l . 9 : 3 5 6 5 一 3 5 6 8 [ 1 9 ] M . P e P P e l ， H . C h a l o u P k a ， S . K o l e s o v . H i g h l y m i n i a t u r i s e d s u P e r e o n d u c t i n g l u m p e d 一 e l e m e n t b a n 即 a s s f i l t e r . E l e e t r o n i e s L e t t e r s . ， 1 9 9 8 . V o l . 3 4 : 9 2 9 一 9 3 0 【 2 0 」 G u o y o n g Z h a n g ， F r e d e r i e H u a n g ， M i c h a e l J . L a n c a s t e r . S u P e r c o n d u e t i n g S P i r a l F i l t e r s W i t h Q u a s i 一 E l l i P t i c C h a r a c t e r i s t i c f o r R a d i o A s t r o n o m y . I E E E T r a n s a e t i o n s o n M i e r o w a v e T h e o 仃 a n d T e c h n i q u e s . ， 2 0 0 5 . V o l . 5 3 : 9 4 7 一 9 5 1 F . r ︸ 二 ， L L . . . 勺 2 1 J J 1 1 ， . . ， . 羊 恺 ， 补 世 荣 ， 张 其 韵 ， 等 . 高 温 超 导 小 型 化 多 曲 折 线 滤 波 器 研 制 . 科 学 通 报 . 2 0 0 2 . V o l . 4 7 : 1 3 7 8 一 1 3 8 0 E r i c S h i h ， J e n 一 s a i K u o . A N e w C o m P a c t M i c r o s t r i P S t a c k e d 一 S I R B a n 即 a s s F i l t e r w i t h T r a n s m i s s i o n Z e r o s . I E E E M T T 一 5 D i g e s t . Z O O 3 . W E I D 一 2 : 1 0 0 7 一 1 0 8 0 【 2 3 1 H o i 一 K a i P a n g ， K a 一 M e n g H o ， K a m 一 W e n g T a m ， R . P . M a r t i n s . A C o 娜 a e t M i e r o s t r i p 兄 / 4 一 S I R h i t e r d i g i t a l B a n 即 a s s F i l t e r w i t h E x t e n d e d S t o p b a n d . I E E E M T T 一 5 D i g e s t . 2 0 0 4 . T H I C 一 7 : 1 6 2 1 一 1 6 2 4 【 2 4 ] 刘 娟 秀 ， 羊 恺 ， 罗 正 祥 . 高 温 超 导 平 面 电 路 光 刻 工 艺 . 低 温 与 超 导 . 2 0 0 3 . V O I . 3 1 : 3 9 一 4 1 【 2 5 」 陈 松 麟 . C 波 段 可 致 冷 低 噪 声 放 大 器 研 制 : [ 硕 士 学 位 论 文 〕 . 上 海 : 中 国 科 学 院 上 海 天 文 台 ， 2 0 0 4 L r r 胜 . . . L 乙 一 勺 ， ︻ O 了 z J J . 胜 飞 ， . 几 R e n X u . A T w o 一 S t a g e C r y o g e n i c C o o l a b l e S 一 B a n d A m P l i f i e r . N F R A I n t e r n a l T e e h n i e a l R e P o r t N o . 2 0 8 ， D w i n g e l o o ， F e b . 1 9 9 5 王 听 ， 王 凡 ， 高 葆 薪 ， 等 . 场 效 应 器 件 低 温 特 性 与 低 噪 声 放 大 器 . 低 温 物 理 学 报 ， 2 0 0 5 ， V o l . 2 7 : 1 5 9 一 1 6 4 [ 口 2 Q 了 八 O ︸ H e x z k e s ， D . D a l e s . L N A D e s i g n U s e s S e r i e s F e e d b a e k t o A c h i e v e 5 1 们 n u l t a n e o u s L o w I n P u t V S W R a n d L o w N o i s e . A P P l i e d M i c r o w a v e a n d W i r e l e s s ， 1 9 9 8 . V O I . 1 0 : P P . 2 6 一 3 2 W i l k e r ， C . ， P . 5 . W . P a n g ， C . F . C a r t e r 1 1 1 e t a l . s ， a r a m e t e r ， I 一 万 C u r v e a n d N o i s e F i g n r e M e a s u r e m e n t s o f 1 1 1 一 V D e v i e e s A t C r y o g e n i e T e m P e r a t u r e s ， A n t o m a t i e R F T e c h n i q u e s C o n f . D i g e s t ， 1 9 9 2 ， P p . 7 1 一 7 9 1 3 0 ] J i a 一 S h e n g H o n g ， E a m o n P . M e E r l e a n ， B i n d u M . K a r y a m a p u d i . A H i g h 一 T e m P e r a t u r e S u P e r c o n d u e t i n g F i l t e r f o r F u t u r e M o b i l e T e l e e o n u n u n i c a t i o n S y s t e m s . I E E E T r a n s a e t i o n s o n M i c r o w a v e T h e o r y a n d T e c h n i q u e s . 2 0 0 5 . V o l . 5 3 : 1 9 7 6 一 1 9 8 1 参 考 文 献 r 1 L ︸ 气 、 . L . . . . 2 ， O ， 且 . J 1 J 飞 . . . . 刘 娟 秀 ， 羊 恺 ， 罗 正 祥 ， 等 . 高 温 超 导 窄 带 广 义 切 比 雪 夫 函 数 滤 波 器 . 低 温 物 理 学 报 . 2 0 0 5 . V o l . 2 7 : 6 6 7 一 6 7 0 S m a i n A m a r i . S y n t h e s i s o f C r o s s 一 C o u P l e d R e s o n a t o r F i l t e r s U s i n g a n A n a l y t i e a l G r a d i e n t - B a s e d O P t i m i z a t i o n T e e h n i q u e . I E E E T r a n s a e t i o n s o n M i e r o w a v e T h e o r y a n d T e e h n i q u e s . 2 0 0 0 . V o l . 4 8 : 1 5 5 9 一 1 5 6 4 r r ‘ . . . L L ， J J ‘ . ， . . O ︺ 内 ， 、 4 ︺ 内 ‘ R i c h a r d J . C a m e r o n . G e n e r a l C o u P l i n g M a t i r x S y n t h e s i s M e t h o d s f o r C h e b y s h e v F i l t e r i n g F u n e t i o n s . I E E E T r a n s a e t i o n s o n M i e r o w a v e T h e o r y a n d T e e l m i q u e s . 1 9 9 9 . V o l . 4 7 : 4 3 3 并 4 2 R i e h a r d J . C a m e r o n . A d v a n e e d C o u P l i n g M a t r i x S y n t h e s i s T e e h n l q u e s f o r M i e r o w a v e F i l t e r s ‘ I E E E T r a n s a e t i o n s o n M i e r o w a v e T h e o 巧 a n d T e e l m i q u e s . 2 0 0 3 . V o l . : l 一 1 0 F 1 一 ︸ 气 ︸ 、 、 L . . ， 6 口 、 ︸ J 工 ， J 胜 . 胜 . . 张 天 良 ， 羊 恺 ， 补 世 荣 ， 刘 娟 秀 ， 罗 正 祥 . 易 加 工 开 口 环 高 温 超 导 线 性 相 位 滤 波 器 . 电 子 科 技 大 学 学 报 . 2 0 0 4 . V o l . 3 3 : 3 7 1 一 3 7 3 G E R H A R D P F I T Z E 咖 A I E R . S y n t h e s i s a n d R e a l i z a t i o n o f N a r r o w 一 a n d C a n o n i e a l M i e r o w a v e B a n 即 a s s F i l t e r s B x h i b i t i n g L i n e a r P h a s e a n d T r a n s m i s s i o n Z e r o s . I E E E T r a n s a e t i o n s o n M i e r o w a v e T h e o r y a n d T e e h n i q u e s . 1 9 8 2 . V o l . 3 0 : 1 3 0 0 一 1 3 1 0 、 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 攻 读 硕 士 学 位 期 间 的 研 究 成 果 参 加 的 科 研 项 目 : . 一 体 化 O / 二 调 制 器 研 制 ， 己 顺 利 通 过 验 收 ; . u H F 频 段 高 温 超 导 接 收 机 前 端 子 系 统 研 究 ， 实 现 军 用 雷 达 系 统 现 场 测 试 ; . 三 通 道 相 位 一 致 性 高 温 超 导 接 收 机 前 端 系 统 研 究 ， 各 通 道 调 试 完 毕 ， 待 验 收 。 发 表 论 文 : [ 1 ] D e k u a n H e ， Z h e n g x i a n g L u o ， K a i 、 ’ a n g ， S h i r o n g B u . L B a n d C r y o g e n i e L o w N o i s e A 哪 l i f i e r . 2 0 0 6 C h i n a 一 J a P a n J o i n t M i c r o w a v e C o n f e r e n e e P r o c e e d i n g s . C h e n g D u : 2 0 0 6 ， v o l . 1 : 2 4 4 一 2 4 7 〔 2 ] 何 德 宽 ， 罗 正 样 ， 羊 恺 ， 补 世 荣 . 高 温 超 导 接 收 机 用 低 噪 声 放 大 器 研 究 . 低 温 与 超 导 ， 2 0 0 6 ， 1 3 : 1 0 5 一 1 0 8 获 奖 情 况 . 2 0 0 4 至 2 0 0 5 年 度 ， 获 电 子 科 技 大 学 研 究 生 二 等 奖 学 金 ; . 2 0 0 5 至 2 0 0 6 年 度 ， 获 电 子 科 技 大 学 研 究 生 三 等 奖 学 金 。