微波濾波器的應(yīng)用與展望

崔博華，蘇 樺，荊玉蘭

電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川 成都 610054

1 發(fā)展歷程

1917年，第一個LC濾波器出現(xiàn)，是由德國的Wagner和美國的Campell分別發(fā)明的；1918年第一個多路復(fù)用系統(tǒng)在美國出現(xiàn)，隨后一直至50年代無源濾波器得到飛速發(fā)展并日趨成熟。S.B.Cohn在1957年首先提出直接耦合腔體濾波器的理論，非常的方便實用。R.J.Cameron在1980年～1982年提出了廣義切比雪夫函數(shù)，隨后在交叉耦合多路濾波網(wǎng)絡(luò)的綜合中，切比雪夫函數(shù)得到了大量的應(yīng)用。R.J.Cameron在1999年～2003年間提出了耦合矩陣綜合微波濾波器的方法并使之完善。

2 微波濾波器的應(yīng)用

現(xiàn)代無線電系統(tǒng)，包括微波衛(wèi)星通信、中繼通信、電子對抗、雷達(dá)等發(fā)展迅猛，而濾波器的性能的直接影響整個系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，因此微波濾波器也得到不斷的更新于發(fā)展，為了滿足各種應(yīng)用環(huán)境的需要，出現(xiàn)了很多不同類型的微波濾波器。

2.1 微帶線濾波器

微帶線濾波器因其易于跟其他電路集成，而且在平面制圖和制版上比較方便，在射頻和微波電路中得到了很廣泛的應(yīng)用。它的特點是尺寸小，易于加工，可以采用不同的襯底材料而改變頻率的范圍。

半波長平行耦合微帶線帶通濾波器在微波集成電路中應(yīng)用很廣泛，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)很緊湊、第二寄生通帶的中心頻率在主通帶中心頻率的3倍處，適用的頻率范圍很大，相對帶寬可以達(dá)到20%；但其缺點是插損較大，濾波器在一個方向上占用的空間比較大。發(fā)夾型濾波器的結(jié)構(gòu)是發(fā)夾型諧振器并排排列耦合而成，結(jié)構(gòu)更為緊湊，它的信號輸入輸出方式可采用平行耦合式或者抽頭式。其他類型的微帶線濾波器還有交指型濾波器、微帶類橢圓函數(shù)濾波器等。

2.2 波導(dǎo)濾波器

波導(dǎo)濾波器是一種無源濾波器，其應(yīng)用非常廣泛，在大功率和高頻段的天饋系統(tǒng)尤為突出。波導(dǎo)濾波器是一種選頻電路，適用于高功率的系統(tǒng)中，且濾波器的性能良好，易于與波導(dǎo)天線的饋電裝置連接。波導(dǎo)濾波器的主要功能是插入損耗以及帶內(nèi)波紋很小的前提下，提供足夠的阻帶選擇性與帶外抑制。它的適用范圍大概在8-100GHz。波導(dǎo)帶通濾波器還應(yīng)用于很多的微波多工器上，但是它有個最大的缺點是在同頻率濾波器中，波導(dǎo)濾波器尺寸明顯較大，隨著微波技術(shù)的發(fā)展，天線系統(tǒng)的復(fù)雜，對波導(dǎo)濾波器的需求也越來越大，對其性能和尺寸提出了更好的要求，需要研究人員不斷的改進(jìn)與完善。

2.3 腔體濾波器

腔體濾波器在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用與波導(dǎo)濾波器同樣廣泛，它的特點在于插入損耗低，一般在1dB以內(nèi)，阻帶的抑制性高、調(diào)諧方便，同時承受功率也比較大。其中同軸腔具有電磁屏蔽特性和高Q值、低損耗等特性。與波導(dǎo)濾波器相比它的優(yōu)勢在于尺寸較小，重量相對較輕，但是在10GHz以上使用時，由于物理尺寸微笑，制作精度要求很高，比較難以達(dá)到。同軸腔形式的帶通濾波器一般分為標(biāo)準(zhǔn)同軸腔、方腔同軸等，如圖1所示。

圖2 螺旋諧振腔

螺旋諧振腔體是新出現(xiàn)的腔體結(jié)構(gòu)，它可以提供高Q的諧振回路，解決甚高頻高質(zhì)量的窄帶濾波技術(shù)難題。如圖2所示，它的內(nèi)腔多是采用圓形結(jié)構(gòu)的。由于螺旋諧振腔的理論還不是十分成熟，因此所設(shè)計出的器件指標(biāo)上存在10%左右的誤差在所難免。

3 微波濾波器的發(fā)展趨勢

隨著微波技術(shù)與通信技術(shù)的不斷發(fā)展，濾波器的小型化和高性能化已經(jīng)成為一種必然的趨勢，其他各種新型濾波器也開始應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)中，如套磁介質(zhì)濾波器、SIR濾波器、SAW濾波器、微波有源濾波器、LTCC濾波器等。

3.1 SAW濾波器

SAW濾波器具有很多優(yōu)點，它的體積小質(zhì)量輕，而且產(chǎn)品一致性好，便于批量生產(chǎn)；因其品質(zhì)因數(shù)和帶阻比較高，被廣泛用于射頻和中頻系統(tǒng)中。然而，SAW濾波器一般只用于2GHz以下的通訊系統(tǒng)，因為在高頻下難以處理大功率，而且SAW器件插損較大且難于集成。

3.2 LTCC濾波器

LTCC技術(shù)具有膜厚技術(shù)和共燒技術(shù)兩者的優(yōu)點，所有的電路疊層以后一次燒結(jié)，減少了復(fù)雜的燒結(jié)過程，節(jié)省了大量時間，降低了成本，減小了尺寸；而且更為重要的是LTCC濾波器具有高集成度、高穩(wěn)定性和高品質(zhì)因數(shù)的優(yōu)點，在微波領(lǐng)域有著巨大優(yōu)勢。因此LTCC技術(shù)的濾波器已經(jīng)開始大量運用于手機(jī)、ipad等電子設(shè)備中，而且在無線局域網(wǎng)卡，藍(lán)牙、無線開關(guān)等模塊也大有用武之地。

4 結(jié)論

本文給出了一些常用濾波器的特點、原理以及其應(yīng)用范圍，在選用時要綜合各種條件進(jìn)行考慮。微波濾波器朝著高頻化、集成化、小型化發(fā)展是一種必然趨勢。對各種濾波器改進(jìn)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大它的工作頻率與相對帶寬、降低濾波器制作成本是設(shè)計人員進(jìn)步一的課題，以適應(yīng)飛速發(fā)展的通信領(lǐng)域。

[1]徐鴻飛，朱成鈺，劉堅，等.同軸腔帶通濾波器的一種設(shè)計方法[J].微波學(xué)報，2004,29(2)：55-58，2004.

[2]張同超，鞠銘，葛壽兵.波導(dǎo)帶通濾波器的精確設(shè)計和快速優(yōu)化.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2006(2)：30-33.

[3]趙娜.微波帶通濾波器的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.