【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各種微波濾波器的性能指標(biāo)、設(shè)計方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。
隨著現(xiàn)代微波通信,尤其是衛(wèi)星通信和移動通信的發(fā)展,系統(tǒng)對通道的選擇性越來越高,這對微波濾波器的設(shè)計提出了更高的要求,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)計方法具有重要意義。
微波濾波器是一類無耗的二端口網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于微波通信、雷達(dá)、電子對抗及微波測量儀器中，在系統(tǒng)中用來控制信號的頻率響應(yīng)，使有用的信號頻率分量幾乎無衰減地通過濾波器，而阻斷無用信號頻率分量的傳輸。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對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相對帶寬可達(dá)20%。其缺點為插損較大，同時，諧振器在一個方向依次擺開，造成濾波器在一個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，是半波長耦合微帶濾波器的一種變形結(jié)構(gòu)，是將半波長耦合諧振器折合成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，微帶線終端開路無需過孔接地，易于制造等優(yōu)點。發(fā)夾型濾波器耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于交叉耦合，交叉耦合實質(zhì)是從信號源到負(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。相對于級聯(lián)耦合，交叉耦合的最大優(yōu)點是能夠在通帶附近的有限頻率處產(chǎn)生傳輸零點，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聯(lián)型的濾波器具有更好的頻率選擇性，同時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、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，通過在帶外引入衰減極點，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，在超導(dǎo)狀態(tài)，由于導(dǎo)體薄膜的無載Q值很高，該種濾波器將在具有較高選擇性的同時又具有較低的插損，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(特別要求時可≤1.5:1)
● 通過功率：5W(特別要求時可達(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：結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高; 由于每個諧振器間的間隔較大,故公差要求較低,容易制造;由于諧振桿長近似等于1/4λ0,所以第二通帶中心在3ω0以上,其間不會有寄生響應(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藕合線節(jié)從中點處切斷，并折迭起來，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、易于實現(xiàn)的特點,特別適用于通帶窄、帶內(nèi)插損小、帶外抑制高的場合。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，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。近年來微波技術(shù)的快速發(fā)展對該類濾波器的尺寸、阻帶特性等指標(biāo)都提出了越來越高的要求。
通常可用直接耦合半波長諧振腔結(jié)構(gòu)來構(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波長傳輸線耦合諧振膜片結(jié)構(gòu),可對此進(jìn)行改善。通過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波長傳輸線耦合諧振膜片型(以下簡稱諧振膜片型)濾波器還具有尺寸小的優(yōu)點,其總長度比直接耦合半波長諧振腔型(以下簡稱半波長型)縮短近40%。與半波長型相比較,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。在0.5-12GHZ的頻率范圍內(nèi)可實現(xiàn)0.5%-30%的相對帶寬，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)計簡單,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得到。
但是，梳狀線濾波器存在溫度漂移的缺點。
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)計參數(shù),可使設(shè)計的振蕩器由一個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)計中。其缺點是螺旋耦合結(jié)構(gòu)的邊界條件很復(fù)雜,用電磁場數(shù)值方法進(jìn)行計算的復(fù)雜度和計算量都非常大，因此實現(xiàn)設(shè)計比較困難。
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。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軟件對濾波器電路進(jìn)行優(yōu)化選擇。對10-2000Ml-lz范圍內(nèi)的窄帶及寬帶濾波器均能實現(xiàn)。
八、陶瓷介質(zhì)濾波器
多層陶瓷微波濾波器是經(jīng)過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。其實質(zhì)是用帶狀線來實現(xiàn)濾波器的設(shè)計。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)計不同長度和不同寬度的金屬圖案層時,就可以得到不同的L和C。因此,通過設(shè)計金屬圖案層的形狀和選用適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)時,就可得到在某一特定頻率發(fā)生諧振,同時滿足帶內(nèi)插損、帶寬和阻帶等各項指標(biāo)要求的濾波器。
九、SIR(階躍阻抗諧振器)濾波器
隨著無線通信的發(fā)展，信號間的頻帶越來越窄，要求信號相互影響越小，對于濾波器的要求也越來越高。如何實現(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)是由兩個以上具有不同特性阻抗的傳輸線組合而成的橫向電磁場或準(zhǔn)橫
向電磁場模式的諧振器。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，又能通過調(diào)節(jié)阻抗比來很好控制雜散頻率，實現(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，由于其有限處的傳輸零點可以任意設(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。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,加長預(yù)警時間,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、信號處理、雷達(dá)等各種電路系統(tǒng)中具有廣泛用途。隨著移動通信、電子對抗和導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展，對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)國家都在利用新材料和新技術(shù)來提高器件性能和集成度，同時，盡可能地降低成本，減小器件尺寸和降低功耗。與國外相比，我國的微波濾波器的發(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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