滤波器引言

引言对于无线通信电路来说，滤波器是一种关键的射频器件。滤去镜频干扰、衰减噪声、频分复用及在高性能的振荡、放大、倍频、混频电路中，无不需要滤波器来实现。另外，有效的宽频带阻抗匹配网络和耦合结构也要使用滤波器结构。随着无线通信的个人化、宽带化，越来越要求人性化以及高性能的终端结构，促使了包括滤波器在内的射频元器件的微型化和可集成化，同时也产生了各种结构和性能的射频滤波器从而进一步满足了小体积、轻重量微波系统的要求。发展历程1915年，德国科学家K．W．Wagn—er开创了一种以“瓦格纳滤波器”闻名于世的滤波器设计方法，与此同时，在美国。G．A．Canbell则发明了另一种以图像参数法而知名的设计方法。l9l7年，两国的科学家分别发明了LC滤波器，次年美国第一个多路复用系统面世。从此许多科研人员开始积极地和系统地对采用集总元件电感和电容的滤波器设计理论的研究。随着滤波器设计理论的深入研究、材料领域的不断进步及工作频率的日益升高，滤波器设计由原先的集总参数元件滤波器逐渐扩展到分布参数元件滤波器。1939年，P．D．Rich—tmever报道了介电滤波器，由于当时材料的温度稳定性不高使该种滤波器不足以实际应用。2O世纪70年代以来，随着陶瓷材料的发展，介电滤波器的应用得到了迅速发展。近年来，小型化的趋势促进了各种类型微带线滤波器的发展。20世纪80年代，出现了高临界温度超导材料，被认为极有可能用于设计出极低损耗和极小尺寸的新颖微波滤波器。目前，高温超导滤波器已逐步使用在军事和商业领域。常见参数为了讨论滤波器的性能和特点。下面给出几个常见参数的定义。插入衰减(IL)：传输功率PL只与输入功率Pin之比，以dB为单位，表示为：IL=10log(Pin/PL)=一10log(1-|Γin|2)(1)式(1)中，|Γin|是输入端的反射系数。波纹：表示相应幅度的最大值与最小值之差，以dB为单位。带宽：对于带通滤波器，定义为通带内对应于3dB衰减量的上变频与下边频的频率差，即B3dB=fU3dB-fL3dB(2)阻带抑制：通常以60dB作为阻带抑制的设计值。品质因素(Q)：定义为在谐振频率下，平均储能与一个周期内平均耗能之比。Q描述了滤波器的频率选择性，Q越高，带宽越窄，谐振曲线越尖锐，频率选择能力越强。各种品质因素的关系为EFLDQQQ111(3)式(3)中，总功耗(对应有载品质因素LDQ)包含滤波器的功耗(对应无载品质因素FQ)及外界负载的功耗(对应外部品质因素EQ。FQ越高，插入损耗IL越低。微波滤波器的现状及分类从频率通带范围分类，可分为低通、高通、带通、带阻、全通5种类别；按低通原型的函数模型可分为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆函数滤波器等。下面，着重从物理概念上谈谈射频与微波段常用的滤波器。◆微带线滤波器在射频和微波电路中最常用的便是微带线滤波器。由于微带线滤波器具有小尺寸，用光刻技术易于加工，易与其他有源电路元件(如MMIC)集成在一起；另外，能通过采用不同的衬底材料在很大的频率范围内(从几百MHz到几十GHz)应用。(1)平行耦合微带线滤波器图1所示，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、适应频率范嗣较大、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。人们在此基础上，又引伸和发展了多种变形结构，如平行耦合线分裂环滤波器、应用阶跃阻抗谐振器的平行耦合微带线滤波器等。图一半波长平行耦合微带线滤波器(2)发夹型滤波器图2所示，发夹型滤波器是由发夹型谐振器并排排列耦合而成的。和平行耦合带通滤波器相比，其结构更为紧凑，在电路尺寸较严格的场合，发夹型滤波器得到较为广泛的应用，其信号输入输出方式可采用抽头式和平行耦合方式。图二发夹型滤波器(3)交指型滤波器图3所示，交指型滤波器是由2个平行耦合线谐振器阵相互交叉组成的结构，具有良好的带通滤波器特性：它的谐振器波长近似等于1/4λ0，第二通带中心在3w0，其问不会有寄生响应。交指型滤波器在w=O和w=w0的偶数倍上具有高次衰减极点，因而阻带衰减和截止率都比较大。交指型滤波器有终端短路和终端开路两种基本形式，前者适于窄带，后者适于宽带，既可做成印刷电路形式，又可做成圆杆或矩形自撑式，还可人为地电容加载来减小体积。图三交指型滤波器(4)微带类椭圆函数滤波器平行耦合线滤波器、交指型滤波器等，到目前为止，最多只能实现切比雪夫特性，获得在带内较平坦的幅频特性，但带外抑制特性较差。如图4所示，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。由于类椭圆函数谐振器是一个方形，而非在一个方向展开，因而缩小了体积。同时，在超导状态，由于导体薄膜的无载()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，前景诱人。图四4阶微带类椭圆函数滤波器◆同轴滤波器同轴带通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。同轴腔体具有高Q值、电磁屏蔽、低损耗特性和小尺寸等优异特点，但要在10GHz以上使用时，由于其微小的物理尺寸，制作精度很难达到。◆波导滤波器波导带通滤波器是一种选频电路，应用在通信、电子战、雷达、自动测量设备等的微波设备中，它易于与波导天线的馈电装置连接，适于高功率的应用，并且性能良好。在小信号电平上，它基本上是用在8～100GHz的频率范同。波导滤波器的主要功能是在通带插入损耗和失真很小的前提下，提供足够的阻带选择性。例如，在微波接收机中，波导带通滤波器滤掉不需要的带外信号，保持前端噪声特性；在微波发射机中，减小不需要的频谱，抑制发射机噪声传到接收机。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。◆声表面波(SAW)滤波器SAW滤波器的体积小，质量轻，一致性好，便于批量生产，性能价格比较合理，品质因数和带阻高，可广泛用于射频前端和中频系统，并可满足多模、多频段移动终端的SAW双工器或多工器。然而，SAW器件的插损一般较大(1～2dB)，难于集成，同时在高频下难以处理大功率，一般只能用于2GHz以下的无线通信系统中。◆陶瓷介质滤波器陶瓷介质滤波器是用微波陶瓷介质按照TMo、TEM等模式要求制成的圆柱、圆环等形状的介质谐振器，再按微波网络传输原理用电容集总参数或分布参数耦合而成。压电陶瓷振子是制作陶瓷滤波器的核心元件，而压电陶瓷材料是制作压电陶瓷振子的关键材料。当材料和具体工艺确定后，采用不同的电路结构，可得到不同通带宽度的陶瓷滤波器。陶瓷介质滤波器的性能优良，插损小，有较高的功率承受能力，并可与天线、开关集成，原则上可用于很高频率，且价格低廉。但是，陶瓷滤波器的体积大，形状因子与品质因数较小，较难用于多带多功能3G移动通信系统。微波滤波器的发展趋势◆SIR(阶跃阻抗谐振器l滤波器阶跃阻抗结构的传输线谐振器久为人知，但一般用作阻抗变换器，直到近年才用于微带滤波器。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。根据SIR原理设计的带通滤波器比一般的发夹线微带滤波器尺寸小一半以上，同时显示了极大的优越性。此外，通过调节耦合线段与非耦合线段的阻抗比，还可以控制寄生通带在频率轴上的位置，从而具有较好的抑制谐波性能。另外，SIR与已知的平行耦合线、发夹型、交指型等结构相结合，又能设计出满足不同性能要求的滤波器。在基于多媒体的全球个人通信系统中将表现出极大的优越性。◆有源微波滤波器蜂窝通信、GPS和电视广播等微波系统，一般要求使用低价格、高性能、全集成的商用收发设备。但该频段的集成谐振器的值较低、损耗较高。利用有源器件的负阻特性去抵消谐振电路的损耗来改善Q值，是微波有源滤波器的基本原理，Q值的改善降低了滤波器的通带损耗，提高了阻带抑制，使矩形系数得到明显改善。微波有源滤波器的目的是不失真地通过所要求的通带信号，同时尽可能大地抑制不需要的阻带信号。因此，研究和发展微波有源滤波器是实现该频段低损耗和高性能微波集成滤波器的重要手段，具有很大的市场潜力。◆薄膜声学体波共振技术近年来，薄膜声学体波共振技术(FBAR)给射频前端滤波器小型化和集成化带来一线曙光。当然，许多问题涉及工艺控制与封装过程，有待解决。典型FBAR试结果显示，FBAR技术带来的高Q和高耦合系数可与高级的陶瓷和声表面波振子相媲美。目前达到的Q值已超过1000，与基于陶瓷的产品相比，FBAR技术在小型化方面占有绝对的优势，可实现体积小于目前基于陶瓷产品l0％的产品。FBAR的电特性已达到目前CDMA和PCS陶瓷双工器的性能标准。◆高温超导材料微波、毫米波通信，雷达、测量仪表等系统和设备，要求微波器件与电路达到更高、更新的水平，超导材料的出现为微波技术的发展带来新的推动力。高温超导材料在微波频段的表面电阻接近于零，因此，用这种材料制备的滤波器具有理想的滤波性能，是常规金属滤波器无法比拟的。超导滤波器具有很高的0值，插损小、带边陡峭、带外抑制好，可以充分利用信号频带，增加互不干扰的信道数量，并能避免信号传输失真。超导滤波器不仅带内衰减低，而且相位延时和色散特性也大为改善。用由超导滤波器、低噪声前置放大器、小型制冷机和电子控制系统组成的超导滤波器系统代替现有移动通信基站中由普通金属滤波器组成的常规滤波器系统，可较大幅度地提高通话质量，增加通话容量，扩大基站的覆盖面积，增强基站的抗干扰能力，降低手机发射功率，具有诱人的发展前景。小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。我国的微波滤波器研制和生产它们相比还存在一定差距。为缩小差距，微波工程和科技人员肩负着重大的责任。