可抑制諧波之高溫超導濾波器研究 謝東憲、許崇宜 ; 王立民
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摘 要
本論文提出一種饋入技術應用在交錯耦合式高溫超導濾波器中並有效的抑制二次與三次諧波。傳統的濾波器是多採用半波 長諧振器，因此會產生高階諧振模式。除了基本頻率fo外，其高階諧振頻率皆為基本頻率之整數倍並隨之產生。通常我們 希望在截止帶上能盡量抑制這些高階諧振頻率，特別是在最靠近基頻通帶的二次諧波2 fo與三次諧波3 fo頻段。在輸入輸出 端饋入 開路殘段或 短路殘段方法來抑制諧波至30dB以下。其中 為二次諧波與三次諧波頻率下所對應的波長。
關鍵詞 : 交錯耦合式高溫超導濾波器 ; 諧波
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目錄 封面內頁 簽名頁 授權書．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．iii 中文摘要．．．．．．．．．．
．．．．．．．．．．．．．．iv 英文摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．v 誌謝．．．．．．．
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．vi 目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．vii 圖目錄．
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．x 表目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
．xiii 第一章 緒論 1.1 研究動機．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1.2 論文內容綱．．．．．．．．．
．．．．．．．．．．．．3 第二章 濾波器原理與設計．．．．．．．．．．．．．．．．4 2.1簡介．．．．．．．．
．．．．．．．．．．．．．．．．．4 2.2準橢圓濾波器之特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 2.2.1濾波器合 成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 2.2.2傳輸零點之分析與驗證．．．．．．．．．．．．．．9 2.3諧振器間 的耦合型態．．．．．．．．．．．．．．．．．12 2.3.1 電場(電容)性耦合．．．．．．．．．．．．．．．12 2.3.2 磁 場(電感)性耦合．．．．．．．．．．．．．．．14 2.3.3 混合性耦合．．．．．．．．．．．．．．．．．．16 2.4直接 耦合與交錯耦合型式濾波器之設計與比較．．．．．．18 2.4.1 直接耦合濾波器．．．．．．．．．．．．．．．．18 2.4.2 交錯耦合濾波器．．．．．．．．．．．．．．．．19 2.4.3 髮夾式交錯耦合濾波器．．．．．．．．．．．．．．
．21 2.5方形開迴路諧振器交錯耦合濾波器之設計．．．．．．．．22 2.6小型化交錯耦合濾波器．．．．．．．．．．．
． ．．．．27 2.6.1 步接阻抗諧振器之特性．．．．．．．．．．．．．27 2.6.2 小型化交錯耦合濾波器之設計．．．．．
．．．．．29 2.7 其他形式之交錯耦合濾波器．．．．．．．．．．．．．．32 第三章 饋入結構之應用．．．．．．．
．．．．．．．．．．33 3.1 饋入結構．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33 3.2 非 饋入結構．．．．．．．
．．．．．．．．．37 3.3 饋入之方形交錯耦合濾波器．．．．．．．．．38 3.4 饋入之小型化交錯耦合濾波器．．．．
．．．．41 第四章 超導濾波器諧波抑制與設計．．．．．．．．．．．．44 4.1 開路殘段．．．．．．．．．．．．．．
．．．．．．．44 4.2 短路殘段．．．．．．．．．．．．．．．．．51 4.3 短路殘段與 開路殘段．．．．．．．．．．
．．54 第五章 高溫超導體之微波性質與製程技術．．．．．．．．．57 5.1 邁斯納效應與穿透深度．．．．．．．．．．
．．57 5.2 二流體模型與表面電阻．．．．．．．．．．．．59 5.3 大面積超導薄膜製程．．．．．．．．．．．．．62 5.3.1射頻磁控濺鍍法．．．．．．．．．．．．62 5.3.2雙離軸式(off-axis)磁控濺鍍法．．．．．63 5.4 製作流程與製程技 術．．．．．．．．．．．．．65 5.5 蝕刻方式的選擇．．．．．．．．．．．．．．．66 5.6 封裝與量測．．．．．．
．．．．．．．．．．．67 第六章 高溫超導濾波器實作量測結果．．．．．．．．．．．68 第七章 未來展望與結論．．
．．．．．．．．．．．．．．．73 參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．74 附錄A 耦合係數 之推導．．．．．．．．．．．．．．．．．．78 … 圖目錄 圖2.1 低通網路原型．．．．．．．．．．．．．．．．．．
．5 圖2.2 低通網路原型 (a) 偶模 Even mode (b) 奇模 Odd mode ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 圖2.3 電場性耦合諧振器佈局圖．．．．．．．．．．．．．12 圖2.4 (a) 電場性耦合之等效電路圖 (b) 另一電場性耦合等效 電路模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 圖2.5 磁場性耦合諧振器佈局圖．．．．．．．．
．．．．．14 圖2.6 (a) 磁場性耦合之等效電路圖 (b) 另一磁場性耦合等效電路模型．．．．．．．．．．．．．．．．．
．．．．．．．．．14 圖2.7 混合性耦合諧振器佈局圖．．．．．．．．．．．．．15 圖2.8 (a) 混合場性耦合之等效電路 圖 (b) 另一磁混合耦合等效電路模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16 圖2.9 Chebychev 髮夾式 帶通濾波器．．．．．．．．．．．18 圖2.10 直接耦合濾波器之模擬結果．．．．．．．．．．．．18 圖2.11 交錯耦合 濾波器之模擬結果．．．．．．．．．．．．19 圖2.12 交錯耦合濾波器之模擬結果．．．．．．．．．．．．19 圖2.13 直接耦合與交錯耦合濾波器頻率響應比較．．．．．．20 圖2.14 髮夾式交錯耦合濾波器．．．．．．．．．．．．．．21 圖2.15 模擬結果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22 圖2.16可實現具一對有限頻率零點帶通濾波器之微帶線架
構．24 圖2.17四種不同耦合結構之曲線圖．．．．．．．．．．．．25 圖2.18 四階交錯耦合濾波器頻率響應圖．．．．．
．．．．．25 圖2.19 六階交錯耦合濾波器頻率響應圖．．．．．．．．．．25 圖2.20 四階與六階濾波器頻率響應比較圖
．．．．．．．．．26 圖2.21 四階濾波器在不同零點比較圖．．．．．．．．．．．26 圖2.22 步接阻抗諧振器結構之示 意圖．．．．．．．．．．．28 圖2.23 阻抗比例 與電器長度比例 關係圖．．．．．．．．．28 圖2.24電器長度 與 關係圖
．．．．．．．．．．．．．．．．28 圖2.25 縮小型諧振器．．．．．．．．．．．．．．．．．．29 圖2.26 微小型交 錯偶合濾波器．．．．．．．．．．．．．．30 圖2.27 耦合結構曲線圖 (a)電場性耦合 (b)磁場性耦合 (c)混合性耦合．．．
．．．．．．31 圖2.28 微小型交錯耦合濾波器頻率響應圖．．．．．．．．．31 圖2.29 不同形式之交錯耦合濾波器．．
．．．．．．．．．．32 圖3.1 (a) 非 饋入結構 (b) 饋入結構．．．．．．．．．．．33 圖3.2 饋入結構之等效電路．．．
．．．．．．．．．．．．35 圖3.3 (a) 非 饋入之交錯耦合濾波器 (b) 饋入之交錯耦合濾波器．．．．．．．．．．．．．
．．．．．．．．．．．．．39 圖3.4 饋入之方形交錯耦合濾波器頻率響應圖．．．．．．．40 圖3.5 非 饋入與 饋入之頻 率響應比較．．．．．．．．．．40 圖3.6 (a) 非 饋入之交錯耦合濾波器 (b) 饋入之交錯耦合濾波器．．．．．．．．．．
．．．．．．．．．．．．41 圖3.7 饋入之小型化交錯耦合濾波器頻率響應圖．．．．．．42 圖3.8 非 饋入與 饋入之頻率 響應比較．．．．．．．．．．43 圖4.1方形交錯耦合濾器．．．．．．．．．．．．．．．．．45 圖4.2 寬頻頻率響應．
．．．．．．．．．．．．．．．．．45 圖4.3 加入 開路殘段之交錯耦合濾波器．．．．．．．．．．46 圖4.4 頻率響應 圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．46 圖4.5 加入 開路殘段之交錯耦合濾波器．．．．．．．．．．47 圖4.6 頻 率響應圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．47 圖4.7 加入 與 開路殘段之交錯耦合濾波器．．．．．．．．48 圖4.8 頻率響應圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．48 圖4.9為 饋入結構濾波器．．．．．．．．．．．．．．．
．49 圖4.10 (a) 饋入頻率響應 (b) 饋入與非 饋入比較．．．49 圖4.11 加入 與 開路殘段之 饋入結構濾波器．．．．．．．50 圖4.12 頻率響應圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．50 圖4.13 饋入與非 饋入濾波器抑制後頻率響應．．．．．
．．51 圖4.14 加入 與 短路殘段之交錯耦合濾波器．．．．．．．．52 圖4.15 頻率響應圖．．．．．．．．．．．．．．
．．．．．52 圖4.16 加入 與 短路殘段之 饋入結構濾波器．．．．．．．53 圖4.17 頻率響應圖．．．．．．．．．．．．
．．．．．．．53 圖4.18 饋入與非 饋入濾波器抑制後頻率響應．．．．．．．54 圖4.19 加入 開路殘段與 短路殘段之交錯 耦合濾波器 ．．．55 圖4.20 頻率響應圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．55 圖4.21 加入 與 短路殘段之 饋入結 構濾波器．．．． ．．．56 圖4.22 頻率響應圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．56 圖4.23 饋入與非 饋入濾波器 抑制後頻率響應．．．．．．．56 圖5.1 濺鍍工作原理的示意圖．．．．．．．．．．．．．．62 圖5.2 雙離軸式(off-axis) 磁控濺鍍法．．．．．．．．．．64 圖5.3 成品．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．64 圖6.1 1號樣品實體組 合完成圖．．．．．．．．．．．．．68 圖6.2 2號樣品實體組合完成圖．．．．．．．．．．．．．69 圖6.3 1號樣品超 導濾波器模擬與實作比較．．．．．．．．69 圖6.4 1號樣品超導濾波器量測結果 1~6.5 GHz．．．．．．70 圖6.5 2號樣 品超導濾波器模擬與實作比較．．．．．．．．71 圖6.6 1號樣品超導濾波器量測結果 1~6.5 GHz．．．．．．71 圖A.1 低 通濾波器原型．．．．．．．．．．．．．．．．．78 圖A.2 (a)K型反轉器轉換 (b)J型反轉器轉換．．．．．．．79 圖A.3 J型倒轉器代換後之低通濾波器原型．．．．．．．．79 圖A.4帶通濾波器原型．．．．．．．．．．．．．．．．．．80 圖A.5 電納斜率參數所表示的帶通濾波器原型．．．．．．．81 圖A.6 四階低通濾波器原型．．．．．．．．．．．．．
．．82 圖A.7 四階帶通濾波器原型．．．．．．．．．．．．．．．82 表目錄 表2.1 濾波器階數N=4， 對應之等效低通網 路元件值．．．．7 表2.2 濾波器階數N=6， 對應之等效低通網路元件值．．．．8 表2.3 濾波器階數N=8， 對應之等效低 通網路元件值．．．．8 表5.1 超導體與常態導體的各項表示式．．．．．．．．．．59 表5.2 鍍膜成長條件．．．．．．
．．．．．．．．．．．．61 表6.1 1號樣品模擬與實作比較．．．．．．．．．．．．．70 表6.2 2號樣品模擬與實作比 較．．．．．．．．．．．．．72
參考文獻
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