微波滤波器的传输线的种类进行了分类,并按照这种分类方法对各种微波滤波器的性能指标、设计方法进行了详细的介绍。

 
随着现代微波通信,尤其是卫星通信和移动通信的发展,系统对通道的选择性越来越高,这对微波滤波器的设计提出了更高的要求,而微波滤波器作为通信系统中的重要部分,其性能的优劣往往决定了整个通信系统的质量。因此研究微波滤波器的性能指标和设计方法具有重要意义。
 
微波滤波器是一类无耗的二端口网络,广泛应用于微波通信、雷达、电子对抗及微波测量仪器中,在系统中用来控制信号的频率响应,使有用的信号频率分量几乎无衰减地通过滤波器,而阻断无用信号频率分量的传输。滤波器的主要技术指标有:中心频率,通带带宽,带内插损,带外抑制,通带波纹等。
 
微波滤波器的分类方法很多,根据通频带的不同,微波滤波器可分为低通、带通、带阻、高通滤波器;按滤波器的插入衰减地频响特性可分为最平坦型和等波纹型;根据工作频带的宽窄可分为窄带和宽带滤波器;按滤波器的传输线分类可分为微带滤波器、交指型滤波器、同轴滤波器、波导滤波器、梳状线腔滤波器、螺旋腔滤波器、小型集总参数滤波器、陶瓷介质滤波器、SIR(阶跃阻抗谐振器)滤波器、高温超导材料等。本文是按照传输线的分类来对各种微波滤波器的主要特性进行详尽的分析。
 
一、微带滤波器
主要性能指标:
 
● 频率范围:500MHz~6GHz
 
● 带宽:10%~30%
 
● 插入损耗:5dB(随带宽不同而不同)
 
● 输入输出形式:SMA、N、L16 等
 
● 输入输出驻波:1.8:1
 
微带滤波器主要包括平行耦合微带线滤波器、发夹型滤波器、微带类椭圆函数滤波器。
 
半波长平行耦合微带线带通滤波器是微波集成电路中广为应用的带通滤波器形式。其结构紧凑、第二寄生通带的中心频率位于主通带中心频率的 3 倍处、适应频率范围较大、适用于宽带滤波器时相对带宽可达 20%。其缺点为插损较大,同时,谐振器在一个方向依次摆开,造成滤波器在一个方向上占用了较大空间。如图 1 所示:
 
图 1 平行耦合微带线滤波器结构示意图
 
和平行耦合线滤波器结构相比,发夹型滤波器具有紧凑的电路结构,减小了滤波器占用的空间,容易集成,并且降低了成本。在电路尺寸有较严格要求的场合发夹型滤波器得到了较为广泛的应用。
 
发夹型滤波器是由发夹型谐振器并排排列耦合而成,是半波长耦合微带滤波器的一种变形结构,是将半波长耦合谐振器折合成 U 字型构成的,因此与交指式、梳状线式等其他微波滤波器结构相比,其电路结构更加紧凑,具有体积小,微带线终端开路无需过孔接地,易于制造等优点。发夹型滤波器耦合拓扑结构属于交叉耦合,交叉耦合实质是从信号源到负载端有不止一条耦合路径,包括主耦合路径和相对较弱的辅耦合路径,任意两谐振器之间都可以产生耦合。相对于级联耦合,交叉耦合的最大优点是能够在通带附近的有限频率处产生传输零点,因而滤波器的带外抑制能力将获得极大提高,使用交叉耦合的谐振器滤波器比普通级联型的滤波器具有更好的频率选择性,同时可以减少所需谐振器的数目。
 
发夹型滤波器参数包括:发夹臂长、发夹间距、发夹线宽和和抽头位置。
 
平行耦合线滤波器、交指型滤波器等,获得在带内较平坦的幅频特性,但带外抑制特性较差。微带类椭圆函数滤波器,通过在带外引入衰减极点,能明显改善滤波器的带外特性,比平行耦合线滤波器、交指型滤波器有更好的电特性。并且微带类椭圆函数滤波器具有较小的体积,同时,在超导状态,由于导体薄膜的无载 Q 值很高,该种滤波器将在具有较高选择性的同时又具有较低的插损,具有很好的应用前景。
 
二、交指型滤波器
交指滤波器 Q 值较高、体积适中。在 0.5~18GHz 的频率范围内可实现 5%~60%带通滤波,广泛应用于各种军、民用电子产品。交指滤波器一般由金属整体切割加工而成,结构牢固,性能稳定可靠。
 
主要性能指标:
 
● 频率范围:800MHz~16GHz
 
● 带宽:10%~100%,特殊要求 3%~70%
 
● 插入损耗:0.5~2dB(随带宽不同而不同)
 
● 阻带抑制:近端过渡带决定于滤波器节数,远端一般大于 70dB
 
● 寄生通带:﹥2.5×f0
 
● 输入 / 输出阻抗:50Ω
 
● 输入 / 输出驻波:VSWR≤1.7:1(特别要求时可≤1.5:1)
 
● 通过功率:5W(特别要求时可达 100W)
 
● 温度:-55~+85℃
 
● 输入输出形式:SMA、N、L16 等
 
交指型滤波器是对平行耦合微带线滤波器的一种改进,同样是减小微带滤波器占用的体积。具有以下优点:结构紧凑、可靠性高; 由于每个谐振器间的间隔较大,故公差要求较低,容易制造;由于谐振杆长近似等于 1/4λ0,所以第二通带中心在 3ω0 以上,其间不会有寄生响应。
 
由于交指滤波器既可以做成印刷电路形式,又可以做成腔体结构,用较粗的杆做成自行支撑,而不用介质。因此,交指滤波器在电子系统,尤其是在通信技术及近代航空航天领域中被广泛使用。
 
交指型微带带通滤波器的工作原理可以这样解释:将平行藕合微带滤波器相邻的两个藕合线节从中点处切断,并折迭起来,合并为一根藕合线节,将其一端短路接地,另一端开路,并保持相邻两级线节之间的藕合间隙不变,形成交指型结构。如图 2 所示
 
图 2 交指滤波器结构示意图

 

 
三、同轴滤波器
同轴腔滤波器体积小、Q 值较高,温度稳定性好,特别适合于窄带应用。可实现带宽为 0.5%~3%,广泛应用于各种军、民用电子系统。
 
主要性能指标:
 
● 频率范围:800MHz~16GHz
 
● 带宽:0.1%~10%
 
● 插入损耗:0.5~25dB(随带宽不同而不同)
 
● 输入输出形式:SMA、N、L16 等
 
● 输入输出驻波:1.4:1
 
● 温度:-55~+85℃
 
同轴腔滤波器广泛应用于通信、雷达等系统,按腔体结构不同一般分为标准同轴、方腔同轴等。同轴腔体具有 Q 值高、易于实现的特点,特别适用于通带窄、带内插损小、带外抑制高的场合。这类滤波器非常适合大规模生产,因此成本也非常低廉。但要在 10 GHz 以上使用时,由于其微小的物理尺寸,制作精度很难达到。具体的设计有方法负阻线子网络构造了多腔耦合的同轴带通滤波器电路模型;同轴腔体滤波器温度补偿法;阶跃阻抗谐振器等。
 
四、波导滤波器
波导滤波器 Q 值高,插损小,温度稳定性好,特别适合于窄带应用。在 1.7~26GHz 的频率范围内可实现 0.2%~3.5%带通滤波,在各种要求高性能滤波特性的军用电子产品中被广泛使用。
 
主要性能指标:
 
● 频率范围:2~4GHz
 
● 带宽:0.1%~20%
 
● 插入损耗:0.5~3dB(随带宽不同而不同)
 
● 输入输出形式:SMA、N、L16 等
 
● 输入输出驻波:1.3:1
 
● 温度:-55~+85℃
 
波导型滤波器由于其 Q 值高,损耗小,功率容量大等优点而广泛应用于微波毫米波通信、卫星通信等系统中。近年来微波技术的快速发展对该类滤波器的尺寸、阻带特性等指标都提出了越来越高的要求。
 
通常可用直接耦合半波长谐振腔结构来构造波导型滤波器,但由于高次模的影响,这种类型的滤波器第二通带很近,频率高端阻带性能较差。采用 1/4 波长传输线耦合谐振膜片结构,可对此进行改善。通过选择合适的膜片尺寸,使各谐振膜片谐振在同一频率上,但具有不同的 Q 值,可使其第二通带位置变远,从而显著提高其阻带特性。另外,1/4 波长传输线耦合谐振膜片型(以下简称谐振膜片型)滤波器还具有尺寸小的优点,其总长度比直接耦合半波长谐振腔型(以下简称半波长型)缩短近 40%。与半波长型相比较,谐振膜片型带通滤波器的尺寸缩短了 38.4%,且具有更宽的阻带。
 
波导带通滤波器还应用在各种微波多工器上,但其最大缺点是尺寸明显比其他可应用在微波段的谐振器大。
 
五、梳状线腔滤波器
梳状线滤波器标准响应为 0.05dB 波纹切比雪夫响应,具有体积小,Q 值适中的特点。在 0.5-12GHZ 的频率范围内可实现 0.5%-30%的相对带宽,广泛应用于各种军、民用电子产品。
 
主要性能指标:
 
● 频率范围:500MHz~6GHz
 
● 带宽:1%~20%
 
● 插入损耗:0.5~2dB(随带宽不同而不同)
 
● 输入 / 输出阻抗:50 欧姆
 
● 输入 / 输出驻波:VSWR≤1.5:1
 
● 温度:-50~+85 摄氏度
 
外形:外形尺寸因频率、带宽、插损、及节数的不同而不同,无固定尺寸
输入输出形式:SMA、N、L16 等
 
为了减小尺寸,并且使设计简单,适合规模化生产,采用λ/4 谐振线在高介电常数基片上直接制作一种微带滤波器,即梳状线腔滤波器。它利用交叉耦合方法提高通带边缘的陡度,同时在微带谐振器中应用了屏蔽线,减弱了由高介电常数带来的强耦合。
 
常用的微带线滤波器结构,有交指、梳状及发卡型等形式 . 所谓“梳状线滤波器”,其谐振器是由一端短路、一端经过一集总电容接地的一些平行耦合线所组成的结构 . 在此滤波器中,谐振器间的耦合由平行耦合线间的边缘场得到。
 
但是,梳状线滤波器存在温度漂移的缺点。
 
六、螺旋腔滤波器
主要性能指标:
 
● 频率范围:30MHz~1.2GHz
 
● 带宽:0.1%~20%
 
● 插入损耗:0.5~3.5dB(随带宽不同而不同)
 
● 输入输出形式:SMA、N、L16 等
 
● 输入输出驻波:1.5:1
 
目前采用的一些滤波器技术如压电晶体共振器,其同轴振荡器体积太大,不适合 VHF 以及 UHF 频段的应用。在 VHF,UHF 频段,螺旋滤波器具有高 Q 值和较小的设计参数,可使设计的振荡器由一个 1/4λ的同轴谐振器装配而成。由于螺旋滤波器具有较强的耦合性能和高 Q 值,可承受高的功率容量,因此广泛应用在较低的射频大功率电路设计中。其缺点是螺旋耦合结构的边界条件很复杂,用电磁场数值方法进行计算的复杂度和计算量都非常大,因此实现设计比较困难。

 

 
七、小型集总参数滤波器
主要性能指标:
 
● 频率范围:10~1500MHz
 
● 体积:1 型:48×19×14mm
 
● 2 型:41×15×12mm
 
● 带宽:10%~200%
 
● 插入损耗:0.5~5dB(随带宽不同而不同)
 
● 输入输出形式:插针、SMA、N、L16 等
 
● 输入输出驻波:1.5:1
 
小型集总参数滤波器主要用于电子对抗、电子侦察、通信、雷达及其它电子设备中作预选、后选、杂波抑制以及变频滤波等。它具有体积小、重量轻、性能稳定可靠、加工方便、便于安装等优点。较其它滤波器具有更好的温度性能和带外抑制性能。小型集总参数滤波器等采用先进的专用微波 CAD 软件对滤波器电路进行优化选择。对 10-2000Ml-lz 范围内的窄带及宽带滤波器均能实现。
 
八、陶瓷介质滤波器
多层陶瓷微波滤波器是经过电子陶瓷材料流延成型工艺,低温叠层烧结技术,高精度印刷叠层技术及封装技术等多种工艺流程而制成的高频多层陶瓷微波滤波器。它具有频率高、体积小、插损小、衰减大的特性,在移动通信、数字化家电等产品中得到广泛的应用。
 
多层陶瓷微波滤波器是通过在介质层上的印刷金属图案构成分布电容 C 和分布电感 L,同时位于不同介质层上的金属图案层之间形成耦合电容而得到的。其实质是用带状线来实现滤波器的设计。叠层后,介质层上的印刷金属图案就相当于处于介质中的带状线,当设计不同长度和不同宽度的金属图案层时,就可以得到不同的 L 和 C。因此,通过设计金属图案层的形状和选用适当的介质时,就可得到在某一特定频率发生谐振,同时满足带内插损、带宽和阻带等各项指标要求的滤波器。
 
九、SIR(阶跃阻抗谐振器)滤波器
随着无线通信的发展,信号间的频带越来越窄,要求信号相互影响越小,对于滤波器的要求也越来越高。如何实现滤波器的小型化、高选择性、宽阻带成为滤波器的主要研究方向。
 
阶跃阻抗谐振器(SIR)是由两个以上具有不同特性阻抗的传输线组合而成的横向电磁场或准横
 
向电磁场模式的谐振器。λ/4 型 SIR 是其中最具吸引力的一种形式。它既能减小滤波器尺寸,又能通过调节阻抗比来很好控制杂散频率,实现滤波器小型化和宽阻带的要求。梳状线形式的滤波器由于一端的电容加载,缩短了滤波器的谐振器的尺寸。交叉耦合滤波器成为近 20 年的研究热点,由于其有限处的传输零点可以任意设置,最多可以设置与滤波器阶数一样多的传输零点数目,最大限度地提高了滤波器的带外抑制能力。
 
十、高温超导材料
高温超导滤波器主要包括放大电路、深度制冷系统、精确控制系统、真空绝热系统四部分。
 
利用高温超导薄膜在微波频段的微波表面电阻极低的特性制作的超导滤波器,具有带内插损极低、边缘陡峭、矩形系数接近理想的频率响应特性和抑制带外干扰非常好的特点。由超导滤波器、低噪声放大器组成的超导滤波器子系统应用于系统(发射或接收机)可以大大地改善系统性能,在军事特别是通讯领域有着广阔的应用前景。在国外用制冷机冷却超导滤波器系统已用于通讯系统,从而大大地改善了通讯系统质量:提高通话质量、增加通话容量、增大基站的覆盖面积、增强基站的抗干扰能力、降低手机的发射功率和减少掉话率等, 在现代信息战武器装备(如预警飞机、雷达、电子战设备、导弹制导部件等)中,用高温超导滤波器替代普通滤波器,可以大幅度地提高接收机的灵敏度和选择性,增强抗干扰能力,提高通信距离和质量,加长预警时间,减小发射机功率,提高制导精确度,增加末端制导距离等。应用于卫星通讯系统可极大地提高空间频率资源利用率,有效降低卫星的有效载荷,为开发利用空间频率资源提供了新的途径。
 
高温超导滤波器由于工作温度低,需要深度制冷,因此外围部件较多,结构较复杂。
 
总结
微波滤波器在通信、信号处理、雷达等各种电路系统中具有广泛用途。随着移动通信、电子对抗和导航技术的飞速发展,对新的微波元器件的需求和现有器件性能的改善提出了更高的要求。发达国家都在利用新材料和新技术来提高器件性能和集成度,同时,尽可能地降低成本,减小器件尺寸和降低功耗。与国外相比,我国的微波滤波器的发展还有一定的差距,所以我们应掌握微波滤波器的发展方向,努力赶上世界先进水平。