【導(dǎo)讀】按微波濾波器的傳輸線的種類進(jìn)行了分類，并按照這種分類方法對(duì)各種微波濾波器的性能指標(biāo)、設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。
隨著現(xiàn)代微波通信,尤其是衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信的發(fā)展,系統(tǒng)對(duì)通道的選擇性越來(lái)越高,這對(duì)微波濾波器的設(shè)計(jì)提出了更高的要求,而微波濾波器作為通信系統(tǒng)中的重要部分,其性能的優(yōu)劣往往決定了整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量。因此研究微波濾波器的性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)方法具有重要意義。
微波濾波器是一類無(wú)耗的二端口網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于微波通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗及微波測(cè)量?jī)x器中，在系統(tǒng)中用來(lái)控制信號(hào)的頻率響應(yīng)，使有用的信號(hào)頻率分量幾乎無(wú)衰減地通過(guò)濾波器，而阻斷無(wú)用信號(hào)頻率分量的傳輸。濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)有:中心頻率,通帶帶寬,帶內(nèi)插損,帶外抑制,通帶波紋等。
微波濾波器的分類方法很多，根據(jù)通頻帶的不同，微波濾波器可分為低通、帶通、帶阻、高通濾波器;按濾波器的插入衰減地頻響特性可分為最平坦型和等波紋型;根據(jù)工作頻帶的寬窄可分為窄帶和寬帶濾波器;按濾波器的傳輸線分類可分為微帶濾波器、交指型濾波器、同軸濾波器、波導(dǎo)濾波器、梳狀線腔濾波器、螺旋腔濾波器、小型集總參數(shù)濾波器、陶瓷介質(zhì)濾波器、SIR(階躍阻抗諧振器)濾波器、高溫超導(dǎo)材料等。本文是按照傳輸線的分類來(lái)對(duì)各種微波濾波器的主要特性進(jìn)行詳盡的分析。
一、微帶濾波器
主要性能指標(biāo)：
● 頻率范圍：500MHz～6GHz
● 帶寬：10%～30%
● 插入損耗：5dB(隨帶寬不同而不同)
● 輸入輸出形式：SMA、N、L16等
● 輸入輸出駐波:1.8:1
微帶濾波器主要包括平行耦合微帶線濾波器、發(fā)夾型濾波器、微帶類橢圓函數(shù)濾波器。
半波長(zhǎng)平行耦合微帶線帶通濾波器是微波集成電路中廣為應(yīng)用的帶通濾波器形式。其結(jié)構(gòu)緊湊、第二寄生通帶的中心頻率位于主通帶中心頻率的3倍處、適應(yīng)頻率范圍較大、適用于寬帶濾波器時(shí)相對(duì)帶寬可達(dá)20%。其缺點(diǎn)為插損較大，同時(shí)，諧振器在一個(gè)方向依次擺開，造成濾波器在一個(gè)方向上占用了較大空間。如圖1所示：
圖1 平行耦合微帶線濾波器結(jié)構(gòu)示意圖
和平行耦合線濾波器結(jié)構(gòu)相比，發(fā)夾型濾波器具有緊湊的電路結(jié)構(gòu)，減小了濾波器占用的空間，容易集成，并且降低了成本。在電路尺寸有較嚴(yán)格要求的場(chǎng)合發(fā)夾型濾波器得到了較為廣泛的應(yīng)用。
發(fā)夾型濾波器是由發(fā)夾型諧振器并排排列耦合而成，是半波長(zhǎng)耦合微帶濾波器的一種變形結(jié)構(gòu)，是將半波長(zhǎng)耦合諧振器折合成U字型構(gòu)成的，因此與交指式、梳狀線式等其他微波濾波器結(jié)構(gòu)相比，其電路結(jié)構(gòu)更加緊湊，具有體積小，微帶線終端開路無(wú)需過(guò)孔接地，易于制造等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)夾型濾波器耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于交叉耦合，交叉耦合實(shí)質(zhì)是從信號(hào)源到負(fù)載端有不止一條耦合路徑,包括主耦合路徑和相對(duì)較弱的輔耦合路徑，任意兩諧振器之間都可以產(chǎn)生耦合。相對(duì)于級(jí)聯(lián)耦合，交叉耦合的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠在通帶附近的有限頻率處產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，因而濾波器的帶外抑制能力將獲得極大提高，使用交叉耦合的諧振器濾波器比普通級(jí)聯(lián)型的濾波器具有更好的頻率選擇性，同時(shí)可以減少所需諧振器的數(shù)目。
發(fā)夾型濾波器參數(shù)包括：發(fā)夾臂長(zhǎng)、發(fā)夾間距、發(fā)夾線寬和和抽頭位置。
平行耦合線濾波器、交指型濾波器等，獲得在帶內(nèi)較平坦的幅頻特性，但帶外抑制特性較差。微帶類橢圓函數(shù)濾波器，通過(guò)在帶外引入衰減極點(diǎn)，能明顯改善濾波器的帶外特性，比平行耦合線濾波器、交指型濾波器有更好的電特性。并且微帶類橢圓函數(shù)濾波器具有較小的體積，同時(shí)，在超導(dǎo)狀態(tài)，由于導(dǎo)體薄膜的無(wú)載Q值很高，該種濾波器將在具有較高選擇性的同時(shí)又具有較低的插損，具有很好的應(yīng)用前景。
二、交指型濾波器
交指濾波器Q值較高、體積適中。在0.5～18GHz的頻率范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)5%～60%帶通濾波，廣泛應(yīng)用于各種軍、民用電子產(chǎn)品。交指濾波器一般由金屬整體切割加工而成，結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定可靠。
主要性能指標(biāo)：
● 頻率范圍：800MHz～16GHz
● 帶寬：10%～100%，特殊要求3%～70%
● 插入損耗：0.5～2dB(隨帶寬不同而不同)
● 阻帶抑制：近端過(guò)渡帶決定于濾波器節(jié)數(shù)，遠(yuǎn)端一般大于70dB
● 寄生通帶：﹥2.5×f0
● 輸入/輸出阻抗：50Ω
● 輸入/輸出駐波：VSWR≤1.7:1(特別要求時(shí)可≤1.5:1)
● 通過(guò)功率：5W(特別要求時(shí)可達(dá)100W)
● 溫度：-55～+85℃
● 輸入輸出形式：SMA、N、L16等
交指型濾波器是對(duì)平行耦合微帶線濾波器的一種改進(jìn)，同樣是減小微帶濾波器占用的體積。具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高; 由于每個(gè)諧振器間的間隔較大,故公差要求較低,容易制造;由于諧振桿長(zhǎng)近似等于1/4λ0,所以第二通帶中心在3ω0以上,其間不會(huì)有寄生響應(yīng)。
由于交指濾波器既可以做成印刷電路形式,又可以做成腔體結(jié)構(gòu),用較粗的桿做成自行支撐,而不用介質(zhì)。因此,交指濾波器在電子系統(tǒng),尤其是在通信技術(shù)及近代航空航天領(lǐng)域中被廣泛使用。
交指型微帶帶通濾波器的工作原理可以這樣解釋:將平行藕合微帶濾波器相鄰的兩個(gè)藕合線節(jié)從中點(diǎn)處切斷，并折迭起來(lái)，合并為一根藕合線節(jié)，將其一端短路接地，另一端開路，并保持相鄰兩級(jí)線節(jié)之間的藕合間隙不變，形成交指型結(jié)構(gòu)。如圖2所示
圖2 交指濾波器結(jié)構(gòu)示意圖
三、同軸濾波器
同軸腔濾波器體積小、Q值較高，溫度穩(wěn)定性好，特別適合于窄帶應(yīng)用。可實(shí)現(xiàn)帶寬為0.5%～3%，廣泛應(yīng)用于各種軍、民用電子系統(tǒng)。
主要性能指標(biāo)：
● 頻率范圍：800MHz~16GHz
● 帶寬：0.1%～10%
● 插入損耗：0.5～25dB(隨帶寬不同而不同)
● 輸入輸出形式：SMA、N、L16等
● 輸入輸出駐波：1.4:1
● 溫度：-55～+85℃
同軸腔濾波器廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)等系統(tǒng),按腔體結(jié)構(gòu)不同一般分為標(biāo)準(zhǔn)同軸、方腔同軸等。同軸腔體具有Q值高、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),特別適用于通帶窄、帶內(nèi)插損小、帶外抑制高的場(chǎng)合。這類濾波器非常適合大規(guī)模生產(chǎn)，因此成本也非常低廉。但要在10 GHz以上使用時(shí)，由于其微小的物理尺寸，制作精度很難達(dá)到。具體的設(shè)計(jì)有方法負(fù)阻線子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了多腔耦合的同軸帶通濾波器電路模型;同軸腔體濾波器溫度補(bǔ)償法;階躍阻抗諧振器等。
四、波導(dǎo)濾波器
波導(dǎo)濾波器Q值高，插損小，溫度穩(wěn)定性好，特別適合于窄帶應(yīng)用。在1.7～26GHz的頻率范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)0.2%～3.5%帶通濾波，在各種要求高性能濾波特性的軍用電子產(chǎn)品中被廣泛使用。
主要性能指標(biāo)：
● 頻率范圍：2～4GHz
● 帶寬：0.1%～20%
● 插入損耗：0.5～3dB(隨帶寬不同而不同)
● 輸入輸出形式：SMA、N、L16等
● 輸入輸出駐波：1.3:1
● 溫度：-55～+85℃
波導(dǎo)型濾波器由于其Q值高,損耗小,功率容量大等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于微波毫米波通信、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中。近年來(lái)微波技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)該類濾波器的尺寸、阻帶特性等指標(biāo)都提出了越來(lái)越高的要求。
通常可用直接耦合半波長(zhǎng)諧振腔結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)造波導(dǎo)型濾波器,但由于高次模的影響,這種類型的濾波器第二通帶很近,頻率高端阻帶性能較差。采用1/4波長(zhǎng)傳輸線耦合諧振膜片結(jié)構(gòu),可對(duì)此進(jìn)行改善。通過(guò)選擇合適的膜片尺寸,使各諧振膜片諧振在同一頻率上,但具有不同的Q值,可使其第二通帶位置變遠(yuǎn),從而顯著提高其阻帶特性。另外,1/4波長(zhǎng)傳輸線耦合諧振膜片型(以下簡(jiǎn)稱諧振膜片型)濾波器還具有尺寸小的優(yōu)點(diǎn),其總長(zhǎng)度比直接耦合半波長(zhǎng)諧振腔型(以下簡(jiǎn)稱半波長(zhǎng)型)縮短近40%。與半波長(zhǎng)型相比較,諧振膜片型帶通濾波器的尺寸縮短了38.4%,且具有更寬的阻帶。
波導(dǎo)帶通濾波器還應(yīng)用在各種微波多工器上，但其最大缺點(diǎn)是尺寸明顯比其他可應(yīng)用在微波段的諧振器大。
五、梳狀線腔濾波器
梳狀線濾波器標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)為0.05dB波紋切比雪夫響應(yīng),具有體積小,Q值適中的特點(diǎn)。在0.5-12GHZ的頻率范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)0.5%-30%的相對(duì)帶寬，廣泛應(yīng)用于各種軍、民用電子產(chǎn)品。
主要性能指標(biāo)：
● 頻率范圍：500MHz～6GHz
● 帶寬：1%～20%
● 插入損耗：0.5～2dB(隨帶寬不同而不同)
● 輸入/輸出阻抗：50歐姆
● 輸入/輸出駐波：VSWR≤1.5:1
● 溫度:-50～+85攝氏度
外形:外形尺寸因頻率、帶寬、插損、及節(jié)數(shù)的不同而不同，無(wú)固定尺寸
輸入輸出形式：SMA、N、L16等
為了減小尺寸,并且使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,適合規(guī)模化生產(chǎn)，采用λ/4諧振線在高介電常數(shù)基片上直接制作一種微帶濾波器，即梳狀線腔濾波器。它利用交叉耦合方法提高通帶邊緣的陡度,同時(shí)在微帶諧振器中應(yīng)用了屏蔽線,減弱了由高介電常數(shù)帶來(lái)的強(qiáng)耦合。
常用的微帶線濾波器結(jié)構(gòu),有交指、梳狀及發(fā)卡型等形式.所謂“梳狀線濾波器”,其諧振器是由一端短路、一端經(jīng)過(guò)一集總電容接地的一些平行耦合線所組成的結(jié)構(gòu).在此濾波器中,諧振器間的耦合由平行耦合線間的邊緣場(chǎng)得到。
但是，梳狀線濾波器存在溫度漂移的缺點(diǎn)。
六、螺旋腔濾波器
主要性能指標(biāo)：
● 頻率范圍：30MHz～1.2GHz
● 帶寬：0.1%～20%
● 插入損耗：0.5～3.5dB(隨帶寬不同而不同)
● 輸入輸出形式：SMA、N、L16等
● 輸入輸出駐波：1.5:1
目前采用的一些濾波器技術(shù)如壓電晶體共振器,其同軸振蕩器體積太大,不適合VHF以及UHF頻段的應(yīng)用。在VHF,UHF頻段,螺旋濾波器具有高Q值和較小的設(shè)計(jì)參數(shù),可使設(shè)計(jì)的振蕩器由一個(gè)1/4λ的同軸諧振器裝配而成。由于螺旋濾波器具有較強(qiáng)的耦合性能和高Q值,可承受高的功率容量,因此廣泛應(yīng)用在較低的射頻大功率電路設(shè)計(jì)中。其缺點(diǎn)是螺旋耦合結(jié)構(gòu)的邊界條件很復(fù)雜,用電磁場(chǎng)數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算的復(fù)雜度和計(jì)算量都非常大，因此實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)比較困難。
七、小型集總參數(shù)濾波器
主要性能指標(biāo)：
● 頻率范圍：10～1500MHz
● 體積：1型：48×19×14mm
● 2型：41×15×12mm
● 帶寬：10%～200%
● 插入損耗：0.5～5dB(隨帶寬不同而不同)
● 輸入輸出形式：插針、SMA、N、L16等
● 輸入輸出駐波：1.5:1
小型集總參數(shù)濾波器主要用于電子對(duì)抗、電子偵察、通信、雷達(dá)及其它電子設(shè)備中作預(yù)選、后選、雜波抑制以及變頻濾波等。它具有體積小、重量輕、性能穩(wěn)定可靠、加工方便、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)。較其它濾波器具有更好的溫度性能和帶外抑制性能。小型集總參數(shù)濾波器等采用先進(jìn)的專用微波CAD軟件對(duì)濾波器電路進(jìn)行優(yōu)化選擇。對(duì)10-2000Ml-lz范圍內(nèi)的窄帶及寬帶濾波器均能實(shí)現(xiàn)。
八、陶瓷介質(zhì)濾波器
多層陶瓷微波濾波器是經(jīng)過(guò)電子陶瓷材料流延成型工藝,低溫疊層燒結(jié)技術(shù),高精度印刷疊層技術(shù)及封裝技術(shù)等多種工藝流程而制成的高頻多層陶瓷微波濾波器。它具有頻率高、體積小、插損小、衰減大的特性,在移動(dòng)通信、數(shù)字化家電等產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。
多層陶瓷微波濾波器是通過(guò)在介質(zhì)層上的印刷金屬圖案構(gòu)成分布電容C和分布電感L,同時(shí)位于不同介質(zhì)層上的金屬圖案層之間形成耦合電容而得到的。其實(shí)質(zhì)是用帶狀線來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器的設(shè)計(jì)。疊層后,介質(zhì)層上的印刷金屬圖案就相當(dāng)于處于介質(zhì)中的帶狀線,當(dāng)設(shè)計(jì)不同長(zhǎng)度和不同寬度的金屬圖案層時(shí),就可以得到不同的L和C。因此,通過(guò)設(shè)計(jì)金屬圖案層的形狀和選用適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)時(shí),就可得到在某一特定頻率發(fā)生諧振,同時(shí)滿足帶內(nèi)插損、帶寬和阻帶等各項(xiàng)指標(biāo)要求的濾波器。
九、SIR(階躍阻抗諧振器)濾波器
隨著無(wú)線通信的發(fā)展，信號(hào)間的頻帶越來(lái)越窄，要求信號(hào)相互影響越小，對(duì)于濾波器的要求也越來(lái)越高。如何實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化、高選擇性、寬阻帶成為濾波器的主要研究方向。
階躍阻抗諧振器(SIR)是由兩個(gè)以上具有不同特性阻抗的傳輸線組合而成的橫向電磁場(chǎng)或準(zhǔn)橫
向電磁場(chǎng)模式的諧振器。λ/4型SIR是其中最具吸引力的一種形式。它既能減小濾波器尺寸，又能通過(guò)調(diào)節(jié)阻抗比來(lái)很好控制雜散頻率，實(shí)現(xiàn)濾波器小型化和寬阻帶的要求。梳狀線形式的濾波器由于一端的電容加載，縮短了濾波器的諧振器的尺寸。交叉耦合濾波器成為近20年的研究熱點(diǎn)，由于其有限處的傳輸零點(diǎn)可以任意設(shè)置，最多可以設(shè)置與濾波器階數(shù)一樣多的傳輸零點(diǎn)數(shù)目，最大限度地提高了濾波器的帶外抑制能力。
十、高溫超導(dǎo)材料
高溫超導(dǎo)濾波器主要包括放大電路、深度制冷系統(tǒng)、精確控制系統(tǒng)、真空絕熱系統(tǒng)四部分。
利用高溫超導(dǎo)薄膜在微波頻段的微波表面電阻極低的特性制作的超導(dǎo)濾波器,具有帶內(nèi)插損極低、邊緣陡峭、矩形系數(shù)接近理想的頻率響應(yīng)特性和抑制帶外干擾非常好的特點(diǎn)。由超導(dǎo)濾波器、低噪聲放大器組成的超導(dǎo)濾波器子系統(tǒng)應(yīng)用于系統(tǒng)(發(fā)射或接收機(jī))可以大大地改善系統(tǒng)性能,在軍事特別是通訊領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在國(guó)外用制冷機(jī)冷卻超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)已用于通訊系統(tǒng),從而大大地改善了通訊系統(tǒng)質(zhì)量:提高通話質(zhì)量、增加通話容量、增大基站的覆蓋面積、增強(qiáng)基站的抗干擾能力、降低手機(jī)的發(fā)射功率和減少掉話率等, 在現(xiàn)代信息戰(zhàn)武器裝備(如預(yù)警飛機(jī)、雷達(dá)、電子戰(zhàn)設(shè)備、導(dǎo)彈制導(dǎo)部件等)中,用高溫超導(dǎo)濾波器替代普通濾波器,可以大幅度地提高接收機(jī)的靈敏度和選擇性,增強(qiáng)抗干擾能力,提高通信距離和質(zhì)量,加長(zhǎng)預(yù)警時(shí)間,減小發(fā)射機(jī)功率,提高制導(dǎo)精確度,增加末端制導(dǎo)距離等。應(yīng)用于衛(wèi)星通訊系統(tǒng)可極大地提高空間頻率資源利用率,有效降低衛(wèi)星的有效載荷,為開發(fā)利用空間頻率資源提供了新的途徑。
高溫超導(dǎo)濾波器由于工作溫度低，需要深度制冷，因此外圍部件較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。
總結(jié)
微波濾波器在通信、信號(hào)處理、雷達(dá)等各種電路系統(tǒng)中具有廣泛用途。隨著移動(dòng)通信、電子對(duì)抗和導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)新的微波元器件的需求和現(xiàn)有器件性能的改善提出了更高的要求。發(fā)達(dá)國(guó)家都在利用新材料和新技術(shù)來(lái)提高器件性能和集成度，同時(shí)，盡可能地降低成本，減小器件尺寸和降低功耗。與國(guó)外相比，我國(guó)的微波濾波器的發(fā)展還有一定的差距，所以我們應(yīng)掌握微波濾波器的發(fā)展方向，努力趕上世界先進(jìn)水平。
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