微波濾波器技術(shù)研究

吳文信

摘要：隨著無(wú)線通信的快速發(fā)展和頻率資源的日益短缺，用于分離有用和無(wú)用信號(hào)的微波濾波器已經(jīng)成為通信系統(tǒng)中的重要組成部分。它們的性能直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量。目前，微波濾波器已廣泛應(yīng)用于微波、毫米波通信、微波導(dǎo)航、制導(dǎo)、遙測(cè)遙控、衛(wèi)星通信、軍事電子對(duì)抗等領(lǐng)域，對(duì)微波濾波器的要求越來(lái)越高。

關(guān)鍵詞：微波濾波器；微波技術(shù)；技術(shù)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：T964 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3178（2018）20-0368-01

1 微波濾波器技術(shù)

通常，微波濾波器中使用的電路主要是分布參數(shù)電路以及總參數(shù)和總參數(shù)收集電路。該結(jié)構(gòu)主要使用波導(dǎo)和微波傳輸線作為主體。如有必要，它也可以直接用于金屬或電介質(zhì)諧振器。此外，準(zhǔn)光學(xué)和光學(xué)濾波器采用的結(jié)構(gòu)在特殊情況下也可用于毫米波頻率。上述結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)為寬帶或窄帶濾波器。此外，濾波器結(jié)構(gòu)在確定功率容量（如溫升和擊穿強(qiáng)度）方面起著決定性作用。一般來(lái)說(shuō)，只有金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠承受高功率。微波濾波器有許多主要技術(shù)指標(biāo)，一般分為兩大內(nèi)容，即設(shè)計(jì)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)指標(biāo)。設(shè)計(jì)指標(biāo)主要包括濾波器完成單位時(shí)間、帶寬、帶外和帶內(nèi)衰減以及時(shí)延特性等周期性變化的次數(shù)。結(jié)構(gòu)指標(biāo)主要包括功率容量、機(jī)械強(qiáng)度、機(jī)械穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。

目前，設(shè)計(jì)微波濾波器的方法有很多，如精確合成法、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)法和近似合成法。近似合成方法包括以下步驟：首先，根據(jù)濾波器在單位時(shí)間內(nèi)完成周期性變化的預(yù)期次數(shù)合成低通原型，然后估計(jì)微波高通、低通或帶阻濾波器，最后設(shè)計(jì)合適的濾波器結(jié)構(gòu)。其中，濾波器特性和結(jié)構(gòu)的差異將影響近似變換的選擇。

2 微波濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀

從微波濾波器的發(fā)展來(lái)看，大多數(shù)專(zhuān)家和學(xué)者已經(jīng)做出了巨大的努力。早在上世紀(jì)初期，著名的科學(xué)家瓦格納最先創(chuàng)造了“瓦格納濾波器”設(shè)計(jì)法，緊接著作為美國(guó)科學(xué)家之一的 G.A.Canbell 創(chuàng)造了以“圖像參數(shù)法”為核心的設(shè)計(jì)濾波器的方法。直到1917年，德國(guó)和美國(guó)的科學(xué)家都發(fā)明了LC濾波器。1918年，第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)首次在美國(guó)生產(chǎn)。自那以后，對(duì)過(guò)濾器的研究越來(lái)越多，大多數(shù)國(guó)內(nèi)外科學(xué)家已經(jīng)逐漸投資于過(guò)濾器技術(shù)的研究。直到1937年，當(dāng)代濾波器合成方法的著名創(chuàng)始人w·考勒在廣泛使用函數(shù)最佳逼近法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種名叫Chebyshev的濾波器。20世紀(jì)40年代，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，一種非常精確的現(xiàn)代過(guò)濾器設(shè)計(jì)方法很快被創(chuàng)造出來(lái)。該設(shè)計(jì)方法的具體步驟如下：首先，確定滿(mǎn)足相關(guān)要求的傳遞函數(shù)；其次，通過(guò)分析傳遞函數(shù)，估計(jì)信號(hào)波在單位時(shí)間內(nèi)周期性變化的次數(shù)，并根據(jù)估計(jì)的次數(shù)綜合設(shè)計(jì)濾波電路。用這種方法設(shè)計(jì)的濾波器具有效率高、精度高的優(yōu)點(diǎn)。其原理已經(jīng)成為其他濾波器設(shè)計(jì)方法的重要基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代，一種新型濾波器——無(wú)源濾波器被迅速生產(chǎn)和發(fā)展。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)材料和集成技術(shù)的支持下，過(guò)濾器設(shè)計(jì)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。隨著單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)波周期變化數(shù)量的不斷增加，現(xiàn)代社會(huì)中使用的微波濾波器的深度和廣度迅速擴(kuò)展。

3 微波濾波器的應(yīng)用

現(xiàn)代無(wú)線電系統(tǒng)，包括微波衛(wèi)星通信、中繼通信、電子對(duì)抗、雷達(dá)等，正在迅速發(fā)展。濾波器的性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，微波濾波器一直在不斷更新和發(fā)展。為了滿(mǎn)足各種應(yīng)用環(huán)境的需要，出現(xiàn)了許多不同類(lèi)型的微波濾波器。

3.1 微帶線濾波器

微帶線濾波器因其易于與其他電路集成以及便于平面繪制和制版而被廣泛應(yīng)用于射頻和微波電路中。它具有體積小、易于加工的特點(diǎn)，可以使用不同的基材來(lái)改變頻率范圍。

半波長(zhǎng)并聯(lián)耦合微帶帶通濾波器廣泛應(yīng)用于微波集成電路中。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，第二寄生通帶中心頻率是主通帶中心頻率的3倍，適用頻率范圍大，相對(duì)帶寬可達(dá)20。它的缺點(diǎn)是在一個(gè)方向上插入損耗大，濾波器占用空間大。發(fā)夾型濾波器結(jié)構(gòu)是通過(guò)并排布置和耦合發(fā)夾型諧振器而形成的，結(jié)構(gòu)更緊湊。其信號(hào)輸入輸出模式可采用并聯(lián)耦合型或分接型。其他類(lèi)型的微帶濾波器包括叉指濾波器和微帶橢圓函數(shù)濾波器等。

3.2 波導(dǎo)濾波器

波導(dǎo)濾波器是一種無(wú)源濾波器，被廣泛應(yīng)用，尤其是在大功率和高頻天線饋電系統(tǒng)中。波導(dǎo)濾波器是一種頻率選擇電路，適用于大功率系統(tǒng)，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在插入損耗和帶內(nèi)紋波較小的前提下，提供足夠的阻帶選擇性和帶外抑制。其應(yīng)用范圍約為8 - 100 GHz。波導(dǎo)帶通濾波器也用于許多微波多路復(fù)用器中，但是其最大的缺點(diǎn)是在同一頻率濾波器中波導(dǎo)濾波器的尺寸明顯更大。隨著微波技術(shù)的發(fā)展和天線系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)波導(dǎo)濾波器的需求也在增加。它需要更好的性能和尺寸，需要研究人員不斷改進(jìn)和提高。

3.3 腔體濾波器

空腔濾波器在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用與波導(dǎo)濾波器一樣廣泛。它的特點(diǎn)是插入損耗低，一般小于1db，阻帶抑制高，調(diào)諧方便，同時(shí)承載能力相對(duì)較大。其中同軸腔具有電磁屏蔽、高q值、低損耗等特點(diǎn)。與波導(dǎo)濾波器相比，它具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)它在10g Hz以上使用時(shí)，由于物理尺寸的微笑，制造精度非常高，并且相對(duì)難以實(shí)現(xiàn)。同軸腔形式的帶通濾波器通常分為標(biāo)準(zhǔn)同軸腔、方形腔同軸等。

3.4 同軸腔體濾波器

與波導(dǎo)濾波器一樣，同軸腔濾波器也廣泛用于通信系統(tǒng)中。它們的特點(diǎn)是插入損耗低，一般小于1db，阻帶抑制高，調(diào)諧方便，以及相對(duì)較大的耐受功率。具有電磁屏蔽、高q值、低損耗等特點(diǎn)。與波導(dǎo)濾波器相比，它具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)它在10g Hz以上使用時(shí)，由于其太小的物理尺寸和高的制造精度，很難實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，過(guò)濾器越來(lái)越受到人們的關(guān)注。濾波器的目的是分離和選擇信號(hào)波在單位時(shí)間內(nèi)周期性變化的次數(shù)。因此，可以看出，濾波器的性能直接關(guān)系到通信系統(tǒng)的質(zhì)量。因此，相關(guān)企業(yè)應(yīng)該加強(qiáng)微波濾波器技術(shù)的研究和應(yīng)用，從而為通信系統(tǒng)的完善奠定基礎(chǔ)。微波濾波器向高頻化、集成化和小型化發(fā)展是必然趨勢(shì)。為了適應(yīng)迅速發(fā)展的通信領(lǐng)域，設(shè)計(jì)者已經(jīng)取得了進(jìn)展，改進(jìn)了各種濾波器的結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了它們的工作頻率和相對(duì)帶寬，并降低了制造濾波器的成本。

參考文獻(xiàn)

[1]徐鴻飛，朱成鈺，劉堅(jiān)，等.同軸腔帶通濾波器的一種設(shè)計(jì)方法[J].微波學(xué)報(bào)，2017，29（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(jì)和快速優(yōu)化.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2017（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)，2017.