星載微波無源濾波器技術(shù)發(fā)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(shù)中占有非常重要的地位，同時是星載設(shè)備非常重要的組成部分，其性能決定著地面發(fā)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(diào)濾波器、介質(zhì)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(shù)作為分析對象，對該領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)進行分析，進而獲得關(guān)鍵技術(shù)方案和發(fā)展方向。

關(guān)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(shù)發(fā)展趨勢分析

如圖1，無源濾波器技術(shù)專利申請1999—2000年達到階段性高峰，研究主要集中在介質(zhì)濾波器，技術(shù)成果眾多得益于新技術(shù)理論不斷地涌現(xiàn)，如1995年美國專利US5382931A首次提到在低溫共燒陶瓷（LTCC）上實現(xiàn)了多層介質(zhì)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(xiàn)震蕩上升趨勢。2012年高峰期后專利申請開始下降，技術(shù)進入成熟期，推測一是因為無源濾波器技術(shù)發(fā)展越來越成熟，理論和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新越來越少;二是對于一些新材料和多層結(jié)構(gòu)的濾波器關(guān)鍵技術(shù)始終無法突破，造成專利申請較少。美國專利在各領(lǐng)域申請量相當，尤其最先理論多由美國企業(yè)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(xiàn)趕超美國和日本的趨勢，中國在微波無源器件研發(fā)投入巨大，參與機構(gòu)多達160家[1-2]。

2 ?無源濾波器技術(shù)構(gòu)成與產(chǎn)地分析

如表1，無源濾波器八個技術(shù)分支中，介質(zhì)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(zhì)濾波器專利總量的58%。通過重點專利分析，介質(zhì)濾波器是實現(xiàn)無源濾波器小型化的重要方式之一，而且民用產(chǎn)品較多，市場化充分。

高功率濾波器和可調(diào)濾波器分別申請296件和227項，主要來自美國，該領(lǐng)域核心專利多由美國創(chuàng)造。通過重點專利分析發(fā)現(xiàn)，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(diào)濾波器的研發(fā)相當重視，重點支持了一些研發(fā)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(diào)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(shù)路線跟蹤分析

星載無源濾波器小型化關(guān)系到星載微波器件的載重和成本問題，對星載設(shè)備的可靠性、長壽命以及有效載荷具有重要意義。本節(jié)將從無源濾波器小型化出發(fā)，力爭能夠梳理出無源濾波器小型化的主要技術(shù)手段和未來發(fā)展趨勢。如圖3，本小節(jié)將通過引證關(guān)系等手段進行技術(shù)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(shù)繼承性而且存在相互引用關(guān)系，非箭頭連接線表示技術(shù)上存在繼承性，專利文獻之間不存在引用關(guān)系。

3.1 缺地陷結(jié)構(gòu)DGS

如圖2，1999年專利KR2002004314A和專利KR2002044748A中首次提出DGS結(jié)構(gòu)以及如何利用DGS結(jié)構(gòu)制作濾波器。2002年AHN在KR2002044748A的基礎(chǔ)上首次提到了螺旋形DGS結(jié)構(gòu)，可提高了等效電感，降低了諧振頻率。2005年專利KR623517B在DGS結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了槽線加載結(jié)構(gòu)，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(shù)的基礎(chǔ)上，通過在共面波導上刻蝕回形凹槽結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)大量應用的時期，出現(xiàn)了非對稱DGS結(jié)構(gòu)級聯(lián)型濾波器和兩個DGS結(jié)構(gòu)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(zhì)、并具有DGS結(jié)構(gòu)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(shù)以及LTCC等新工藝和新技術(shù)與DGS結(jié)構(gòu)結(jié)合將使得DGS結(jié)構(gòu)更加的小型化，是未來的主要發(fā)展趨勢[1-5]。

3.2 多層結(jié)構(gòu)

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(xiàn)多層介質(zhì)的濾波器，該技術(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)實現(xiàn)，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(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)計的波導帶通濾波器被提出，結(jié)構(gòu)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(yōu)異機械性能以及硅微機械加工技術(shù)的靈活性，實現(xiàn)了具有極小輻射損耗的腔體濾波器，新技術(shù)的探索應用。2014年在SIW傳輸特性基礎(chǔ)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(tǒng)等通信衛(wèi)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(fā)展的主要方向[1-3]。

4 ?結(jié)語

技術(shù)的發(fā)展對通信衛(wèi)星的性能、體積與重量要求越來越嚴格，而采用具備優(yōu)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?qū)鴥?nèi)該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展有所借鑒。

參考文獻

[1] 顧墨琳，林守遠.微波集成電路技術(shù)—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(wèi)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(guān)鍵技術(shù)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(shù)研究[D].電子科技大學，2012.