(完整word版)微波濾波器的發(fā)展歷史趨勢(shì)及種類

1、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(duì) 抗及微波測(cè)量儀器中， 在系統(tǒng)中用來控制信號(hào)的頻率響應(yīng)， 使有用的信號(hào)頻率分 量幾乎無衰減地通過濾波器， 而阻斷無用信號(hào)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

2、、 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。 發(fā)展歷史： 在 1937 年，由 W P Masor 和 R A. Sykes 發(fā)表的文章中首先研究了微波濾波 器，他們是利用了 ABC 參數(shù)推導(dǎo)出了大量有用濾波器相位和衰減函數(shù)。 應(yīng)用映像 參數(shù)方法當(dāng)時(shí)主要在美國各大實(shí)驗(yàn)室中， 例如在 MH 實(shí)驗(yàn)室里，他們重點(diǎn)研究波 導(dǎo)濾波器，而在 Harvard 實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)研究寬帶低通、帶通同軸及窄帶可調(diào)諧濾波 器。映像參數(shù)方法的工作大多在 MIT 實(shí)驗(yàn)室由 Fano 和 Lawsor 完成，他們的著作對(duì) 于微波濾波器有比較清晰的介紹， 甚至在

3、40 年后還有應(yīng)用價(jià)值。 在隨后的微波濾 波器理論的研究和發(fā)展過程中，許多專家和學(xué)者作出了重大的貢獻(xiàn)。Cohr 在集總 元件低通濾波器原型機(jī)的基礎(chǔ)上第一個(gè)提出了方便實(shí)用的直接耦合空腔濾波器 理論。上世紀(jì) 60年代， GLMatthaei 在其專著中對(duì)微波濾波器的經(jīng)典設(shè)計(jì)方法 作出了較全面、 系統(tǒng)的介紹， 但主要針對(duì)最平坦型和契比雪夫型， 未涉及橢圓函 數(shù)型和廣義契比雪夫型。70 年代初，A. E. Williams 和 Kurzrok 提出用于分析交 叉耦合的低階濾波器。A. E. Atia,A . E . Williams 和 R W Newcom 對(duì)交叉耦合 合展開研究，總結(jié)出傳輸零點(diǎn)對(duì)稱

4、分布時(shí)的偶模網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的偶模矩陣的綜合方 法。Levy 建立了集總和分布原型的元件公式間的聯(lián)系，給出了推導(dǎo)原型元件的簡 單而準(zhǔn)確的公式；Rhode 建立起了線性相位濾波器理論。1999 年 Richard J . CamerortE 廣義契比雪夫?yàn)V波器的傳輸零點(diǎn)由實(shí)數(shù)擴(kuò)展到復(fù)數(shù)， 從而將傳輸零 點(diǎn)和時(shí)延結(jié)合起來研究， 提出用循環(huán)遞歸的方法構(gòu)成廣義契比雪夫的傳輸和反射 函數(shù)多項(xiàng)式， 根據(jù)導(dǎo)納矩陣和部分分式展開求取留數(shù)， 再利用施密特正交變換的 方法綜合耦合矩陣， 其矩陣綜合和消零計(jì)算量較大。 如何將不可實(shí)現(xiàn)或不是最簡 的耦合元素消零成為研究熱點(diǎn)， 但目前國際上主要采用相似變換 （矩陣旋轉(zhuǎn) ）盡可

5、 能多地消去非零元。這一系列貢獻(xiàn)，都可以說是微波濾波器發(fā)展史上的重大突破。 七十年代初期，我國的老一輩微波專家甘本拔、吳萬春、李嗣范、林為干等，在 國外研究成果的基礎(chǔ)上，濾波器的設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行了補(bǔ)充和完善，為我國微 波濾波器的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。近年來，隨著軍事、科研、通信的發(fā)展，市 場對(duì)微波濾波器在性能方面的需求不斷地提升。而在微波濾波器的研究方面又有 了新的突破。一些學(xué)者相繼提出了濾波器的綜合方法， 并將這些方法應(yīng)用于濾波 器的工程設(shè)計(jì)，取得了良好的效果。對(duì)于兩個(gè)相同的諧振腔，既有電耦合，也有 磁耦合，其非對(duì)稱同步調(diào)諧耦合模型如下圖所示： 腔體耦合電路模型 經(jīng)過計(jì)算可得耦合系數(shù)： 其

6、中fm和fe分別為對(duì)稱面放置 PM 或 PEC 寸的單腔諧振頻率，在 HFS 中建立耦 合模型. 濾波器種類 一、微帶濾波器 K= fm2 f； fe2 fe2 主要性能指標(biāo)： 頻率范圍：500MH 右 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(shí)相

7、對(duì)帶寬可達(dá) 20%其缺點(diǎn)為插損較大， 同時(shí)，諧振器在一個(gè)方向依次擺開，造成濾波器在一個(gè)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

8、造等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)質(zhì)是從信號(hào)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(duì)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(duì)于級(jí)聯(lián)耦 合，交叉耦合的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠在通帶附近的有限頻率處產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)， 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(jí)聯(lián) 型的濾波器具有更好的頻率選擇性，同時(shí)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

9、極點(diǎn)， 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(shí)，在超導(dǎo)狀態(tài)， 由于導(dǎo)體薄膜的 無載C 值很高，該種濾波器將在具有較高選擇性的同時(shí)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 0.518GHZ 勺頻率范圍內(nèi)可實(shí)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： 1 0% 1 00%，特殊要求 3%70% 插入損耗

10、：0.52dB（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 Xfo 輸入/輸出阻抗：50 Q 輸入/輸出駐波：VSWR 1.7:1 （特別要求時(shí)可W 1.5:1 ） 通過功率：5W（特別要求時(shí)可達(dá) 100W） 溫度：-55+85C 輸入輸出形式：SMA N、L16 等 交指型濾波器是對(duì)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(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高； 由于每個(gè)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 1/4 入 0,所以第二通 帶中心在3 0 以上,其間不會(huì)有寄生響應(yīng)。 由于

11、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(gè)藕合線節(jié)從中點(diǎn)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(jí)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(shí)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

12、標(biāo)： 頻率范圍：800MHz16GHz 帶寬：0.1%10% 插入損耗：0.525dB（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+85C 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(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，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(shí)，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(jì)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

13、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(shí)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： 24GHz 帶寬：0.1%20% 插入損耗：0.53dB（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+85C 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(diǎn)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(duì)該類濾波器的尺 寸、阻帶特性等指標(biāo)都提出了越來

14、越高的要求。 通?？捎弥苯玉詈习氩ㄩL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(duì)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(diǎn) , 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。

15、 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(diǎn)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(diǎn)。在 0.5-12GHZ 的頻率范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn) 0.5%-30%的相對(duì)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：500MH 右 6GHz 帶寬：1%- 20% 插入損耗：0.52dB（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

16、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(jì)簡單，適合規(guī)模化生產(chǎn)，采用入/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(shí)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(diǎn)。 六、螺旋腔濾波器 主要性能指標(biāo)： 頻率

17、范圍： 30MHz1.2GHz 帶寬： 0.1%20% 插入損耗：0.53.5dB（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(jì)參數(shù)，可使設(shè)計(jì)的振蕩器由一個(gè) 1/4 入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(jì)中。其缺點(diǎn)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(jì)算的復(fù)

18、雜度和計(jì)算量都非常大，因此實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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：101500MHz 體積：1 型：48X 19X 14mm 2 型：41 X 15X 12mm 帶寬： 10% 200 插入損耗：0.55dB（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(duì)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(diǎn)。 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

19、微波 CAD 軟件對(duì)濾波器電路 進(jìn)行優(yōu)化選擇。對(duì) 10-2000Ml-lz 范圍內(nèi)的窄帶及寬帶濾波器均能實(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)質(zhì)是用帶狀線來實(shí)現(xiàn)濾波器的設(shè)計(jì)。疊層后 , 介質(zhì)層上的印刷金屬圖案就相

20、 當(dāng)于處于介質(zhì)中的帶狀線 , 當(dāng)設(shè)計(jì)不同長度和不同寬度的金屬圖案層時(shí) ,就可以 得到不同的 L 和 Co因此，通過設(shè)計(jì)金屬圖案層的形狀和選用適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)時(shí)，就可 得到在某一特定頻率發(fā)生諧振 , 同時(shí)滿足帶內(nèi)插損、帶寬和阻帶等各項(xiàng)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(hào)間的頻帶越來越窄， 要求信號(hào)相互影響越小， 對(duì) 于濾波器的要求也越來越高。 如何實(shí)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(gè)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。入/ 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(shí)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(diǎn)，由于其有限處的傳輸 零點(diǎn)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(diǎn)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