星載微波無源濾波器技術發展分析

王瓊 胡冬冬 黨麗芳 趙云鵬

摘 ? 要：微波無源濾波器是微波射頻器件中重要的一類，在微波技術中占有非常重要的地位，同時是星載設備非常重要的組成部分，其性能決定著地面發射的信號是否能夠有效地進行接收、放大等處理。本文分析選取抗低通濾波器、螺旋濾波器、可調濾波器、介質濾波器、高功率濾波器、雙通帶濾波器、微帶及LTCC濾波器和超寬帶濾波器等八大技術作為分析對象，對該領域相關技術進行分析，進而獲得關鍵技術方案和發展方向。

關鍵詞：微波 ?無源濾波器 ?星載 ?專利分析

中圖分類號：TN713 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（c）-0097-03

1 ?無源濾波器技術發展趨勢分析

如圖1，無源濾波器技術專利申請1999—2000年達到階段性高峰，研究主要集中在介質濾波器，技術成果眾多得益于新技術理論不斷地涌現，如1995年美國專利US5382931A首次提到在低溫共燒陶瓷（LTCC）上實現了多層介質濾波器，該專利先后被70篇文獻所引用，至今仍被引用。2009—2012年無源濾波器的專利申請開始有所起伏，總體呈現震蕩上升趨勢。2012年高峰期后專利申請開始下降，技術進入成熟期，推測一是因為無源濾波器技術發展越來越成熟，理論和結構的創新越來越少;二是對于一些新材料和多層結構的濾波器關鍵技術始終無法突破，造成專利申請較少。美國專利在各領域申請量相當，尤其最先理論多由美國企業提出。日本專利申請主要集中在微帶及LTCC濾波器上，以富士通申請為主，申請高峰集中在2009年左右。中國專利主要集中在基片集成波導上，并且在2009年以后，中國在專利申請上出現趕超美國和日本的趨勢，中國在微波無源器件研發投入巨大，參與機構多達160家[1-2]。

2 ?無源濾波器技術構成與產地分析

如表1，無源濾波器八個技術分支中，介質濾波器共申請專利440件，主要申請來自日本的254件，占到介質濾波器專利總量的58%。通過重點專利分析，介質濾波器是實現無源濾波器小型化的重要方式之一，而且民用產品較多，市場化充分。

高功率濾波器和可調濾波器分別申請296件和227項，主要來自美國，該領域核心專利多由美國創造。通過重點專利分析發現，高功率濾波器主要是通過多模方式和加入減少損耗的元素來提高濾波器輸出功率。美國軍方對可調濾波器的研發相當重視，重點支持了一些研發項目，如洛克馬丁公司專利US4338582A，記載了一種用于微波頻率的可調濾波器，美國軍方合同號為N00173-77-C-0201，說明專利已應用于美軍軍方型號，借鑒意義較大[3]。

3 ?無源濾波器小型化技術路線跟蹤分析

星載無源濾波器小型化關系到星載微波器件的載重和成本問題，對星載設備的可靠性、長壽命以及有效載荷具有重要意義。本節將從無源濾波器小型化出發，力爭能夠梳理出無源濾波器小型化的主要技術手段和未來發展趨勢。如圖3，本小節將通過引證關系等手段進行技術路線分析，其中圖中帶箭頭的連接線表示專利和文獻之間不僅存在技術繼承性而且存在相互引用關系，非箭頭連接線表示技術上存在繼承性，專利文獻之間不存在引用關系。

3.1 缺地陷結構DGS

如圖2，1999年專利KR2002004314A和專利KR2002044748A中首次提出DGS結構以及如何利用DGS結構制作濾波器。2002年AHN在KR2002044748A的基礎上首次提到了螺旋形DGS結構，可提高了等效電感，降低了諧振頻率。2005年專利KR623517B在DGS結構的基礎上提出了槽線加載結構，并給出了其等效電路模型。2007年專利KR858970B1中首次提到在共面波導（CPW）上并在該技術的基礎上，通過在共面波導上刻蝕回形凹槽結構，實現了帶寬為0.8GHz左右，中心頻點為1.2Ghz的帶阻濾波器。2009—2010是DGS結構大量應用的時期，出現了非對稱DGS結構級聯型濾波器和兩個DGS結構組成低通濾波器登。2014年專利KR1530964B1中記載了一種基于基片集成人工介質、并具有DGS結構的微帶傳輸線，該微帶傳輸線可用于制作超高頻濾波器。

通過分析，基片集成技術以及LTCC等新工藝和新技術與DGS結構結合將使得DGS結構更加的小型化，是未來的主要發展趨勢[1-5]。

3.2 多層結構

20世紀90年代，美國和日本開始將波導集成于平面電路方面開展研究，1995年專利US5382931A中提到低溫共燒陶瓷（LTCC）上利用金屬化通孔實現多層介質的濾波器，該技術被70篇文獻所引用。2003 年平面與非平面波導集成化—基片集成波導（SIW）的全新概念被提出，開始了真正將集成波導技術應用在濾波器上;同年，中心頻率為28GHz的金屬通孔耦合的三階切比雪夫帶通濾波器通過利用基片集成波導結構實現，從此很多研究者開始了利用普通金屬波導帶通濾波器的設計理念來研究SIW濾波器。2005年專利CN2796131Y中提出了半模基片集成波導的概念，并將其應用在橢圓濾波器上，半模基片集成波導具有可以比SIW結構減少一半的電路面積，而電路性能可以保持基本一致。2008年以折疊基片集成波導為平臺設計的波導帶通濾波器被提出，結構更為緊湊。2011年專利CN102361113A首次提出了硅基多層腔體濾波器，利用硅材料的優異機械性能以及硅微機械加工技術的靈活性，實現了具有極小輻射損耗的腔體濾波器，新技術的探索應用。2014年在SIW傳輸特性基礎上，高性能的微波毫米波濾波器問世。2015年超高頻波段LTCC雙工濾波器，成功應用于超高頻波段的移動通信、北斗導航系統等通信衛星中。

未來無源微波器件的多層化、多層元件片式化、片式元件集成化將成為小型化發展的主要方向[1-3]。

4 ?結語

技術的發展對通信衛星的性能、體積與重量要求越來越嚴格，而采用具備優良性能的無源微波濾波器件將是必然選擇，通過本文分析希望能夠對國內該領域的技術發展有所借鑒。

參考文獻

[1] 顧墨琳，林守遠.微波集成電路技術—回顧與展望[J]. 微波學報，2000（3）：278-290.

[2] 應魯曲.高溫超導微波無源器件及其應用[J].微波與衛星通信，1999（4）：7-12.

[3] Sagawa.Morikazu. Miniaturized hairpin resonator filters and their application to receiver front-edn MIC. IEEE，1989.

[4] 張先榮.微波腔體無源器件關鍵技術研究[D].電子科技大學，2013.

[5] 王瑞.微波無源器件綜合與診斷技術研究[D].電子科技大學，2012.