微波滤波器的发展历史趋势及种类

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。

发展历史：

在1937年，由W．P Mason和R．A．Sykes发表的文章中首先研究了微波滤波器，他们是利用了ABCD参数推导出了大量有用滤波器相位和衰减函数。应用映像参数方法当时主要在美国各大实验室中，例如在Mn’实验室里，他们重点研究波导滤波器，而在Harvard实验室重点研究宽带低通、带通同轴及窄带可调谐滤波器。映像参数方法的工作大多在MIT实验室由Fano和Lawson完成，他们的著作对于微波滤波器有比较清晰的介绍，甚至在40年后还有应用价值。在随后的微波滤波器理论的研究和发展过程中，许多专家和学者作出了重大的贡献。Cohn在集总元件低通滤波器原型机的基础上第一个提出了方便实用的直接耦合空腔滤波器理论。上世纪60年代，G．L．Matthaei在其专著中对微波滤波器的经典设计方法作出了较全面、系统的介绍，但主要针对最平坦型和契比雪夫型，未涉及椭圆函数型和广义契比雪夫型。70年代初，A．E．Williams和Kurzrok提出用于分析交叉耦合的低阶滤波器。A．E．Atia,A．E．Williams和R．W．Newcomb对交叉耦合合展开研究，总结出传输零点对称分布时的偶模网络和相应的偶模矩阵的综合方法。Levy建立了集总和分布原型的元件公式间的联系，给出了推导原型元件的简单而准确的公式；Rhode建立起了线性相位滤波器理论。1999年Richard J．Cameron把广义契比雪夫滤波器的传输零点由实数扩展到复数，从而将传输零点和时延结合起来研究，提出用循环递归的方法构成广义契比雪夫的传输和反射函数多项式，根据导纳矩阵和部分分式展开求取留数，再利用施密特正交变换的方法综合耦合矩阵，其矩阵综合和消零计算量较大。如何将不可实现或不是最简的耦合元素消零成为研究热点，但目前国际上主要采用相似变换(矩阵旋转)尽可能多地消去非零元。这一系列贡献，都可以说是微波滤波器发展史上的重大突破。

七十年代初期，我国的老一辈微波专家甘本拔、吴万春、李嗣范、林为干等，在国外研究成果的基础上,滤波器的设计理论和方法进行了补充和完善，为我国微波滤波器的研究奠定了良好的基础。近年来，随着军事、科研、通信的发展，市场对微波滤波器在性能方面的需求不断地提升。而在微波滤波器的研究方面又有了新的突破。一些学者相继提出了滤波器的综合方法，并将这些方法应用于滤波器的工程设计，取得了良好的效果。对于两个相同的谐振腔，既有电耦合，也有磁耦合，其非对称同步调谐耦合模型如下图所示:

腔体耦合电路模型

经过计算可得耦合系数： K=2222e

m e m f f f f +- 其中m f 和e f 分别为对称面放置PMC 或PEC 时的单腔谐振频率，在HFSS 中建立耦合模型.

耦合系数计算模型

滤波器种类

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×f

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