《现代微波滤波器的结构与设计》读书笔记

第一章微波滤波器的地位、发展和选用

1.1概述

本章的目的是：

（1）对微波滤波器提供一个纲要性的介绍，以便从品种繁多、性能各异的微波滤波器选用所需的结构和设计方法。

（2）简要地讨论微波滤波器的在微波工程中的地位、发展和应用，以使读者明确，本书的对象不仅是微波滤波器的研制人员，而且可能为更广大的读者服务，例如需要宽频带天线馈电设备的天线研制人员；需要宽频带阻抗匹配装置的微波电子器件的研制人员；需要微波时延网络的总体工程技术人员，以及其他特殊微波电路设计的广大工程技术人员等等。

1.2微波滤波器的进展

这里只对近年来的主要进展和发展趋势作一简单的概括。

（1）从个别应用到一般应用

随着微波理论和技术的发展，微波波段中电子设备的增多、频谱的拥挤，加之电子对抗技术的普遍应用，促使微波滤波器在应用的广度和深度上都进展极大。

（2）设计方法从繁到简、从粗糙到精确

（3）形式多样和元件化、标准化

由于应用广泛和设计制造工艺的进展，微波滤波器已从极少的几个品种发展到数以十记的结构类型。一些常用的结构已元件化和标准化。印刷电路式或微波集成电路式的微波滤波器亦开始广泛研制。

（4）与其他有源或无源的微博元件和器件的结合日益密切

现在，微波滤波器已成为无源微波元件的主角之一，它不仅能完成本身的任务，而且还代替其他一些微波元件的功能，或者把另外一些微波元件看成微波滤波器结构来设计。

半导体器件工艺飞跃进步及其向更高频的发展，已使得微波滤波器技术也用于各种半导体器件中，例如倍频器、变频器、放大器以及二极管相移器、开关和调制器等等，在微波集成电路中它们结合成一个整体。

（5）各种新型材料用于微波滤波器

微波材料的进步及其在微波滤波器中的应用，大大地提高了滤波器的性能。例如微波铁氧体、铁电体、等离子体、超导体都已开始成功地用于微波滤波器中。

（6）调谐的高速和自动化

众所周知，当初微波单腔谐振器的调谐已相当困难，更不用说多个谐振器组合成的滤波器了。但现在已可对微波滤波器进行快速电调，例如钇铁石榴石磁调滤波器和变容管电调滤波器就是最好的范例。

（7）向新波段进军

人们对毫米波和亚毫米波滤波器的兴趣正在日益增长，研制这一新波段的滤波器除发展厘米波波段已有的技术外，还广泛引用光学上的成果。可以预料，随着新型功率源和传输线的研制，这些新波段滤波器的研制工作将更加活跃。

1.3微波滤波器的流程图

补充说明：

（1）区别于低频滤波器，微波滤波器的主要特点之一就是其尺寸可与波长相比拟。因而当波长变化时，它必然表现出周期特性，即滤波器除主响应外，还有周期性的副响应。因此，其第二个附加响应的位置常是一个十分重要的指标。

（2）描述微波滤波器响应优劣的指标之一是从通带过渡到阻带的快慢，称之为响应的“边缘陡度”或滤波器的“选择性”。

（3）在分析微波滤波器时，常忽略其谐振器的损耗，但事实上谐振器的Q值是有限的。无载Q值越高，对于一定的相对带宽，该滤波器通带的插入衰减就越小，因此无载Q值也是选用滤波器时应当注意的问题。

1.4常用微波滤波器的比较

（1）直接耦合或1/4波长耦合谐振器滤波器

这是一种端耦合滤波器，它适用于同轴线、带状线、波导各种形式。其设计方法有而，一是基于集总元件低通原型，另一是基于阶梯阻抗变换器原型。前法适用于较小的相对带宽（＜20%）和中等通带纹波的窄带带通滤波器的设计，而后法则适用于较大的相对带宽（＞20%乃至倍频程）和较小的通带纹波（例如0.01dB）的宽带带通或高通滤波器的设计。实用中，同轴线高通滤波器以这种结构最为流行。在波导带通滤波器中，它是最简单应用最广而性能又相当优良的形式。显然，当做成同轴线或带状线形式时，需要介质支撑。

（2）平行耦合式带通滤波器

当谐振器不用端耦合，而用边耦合时，则较大的不太精确的间隙是可行的，从而制造容易。有开路耦合线和短路耦合线两种对偶形式。较少用于宽带，窄带应用广泛，用印刷电路的开路平行耦合线形式却非常方便。然而，其阻带特性并不十分理想。

（3）交指型带通滤波器

其结构紧凑、坚实，性能优良，制造公差要求低，有适用于各种带宽的结构和设计方法，故应用极广。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，既可做成印刷薄带形式，又可做成圆杆或矩形杆自撑式，还可用人为地电容加载来减小体积。

（4）梳妆线带通滤波器

这是一种结构更为紧凑的滤波器。在许多方面，它与电容加载的交指型滤波器很相似，但它所有的电容都加在同一边。谐振器长度取决于加载电容的大小，通常为1/8波长。其衰减特性不对称，故适于需要宽阻带应用的场所。现用的设计方法只适于窄带设计。

（5）带阻滤波器

波导型的带阻滤波器只适于窄带，而ＴＥＭ带阻滤波器则有适于各种带宽的优良结构。（６）椭圆函数型滤波器

在各种滤波器响应中，椭圆函数响应是最为优越的，因为，这种类型的滤波器通带和阻带均为等波纹特性，陡度较大，因此同样的选择性，它可以有更为紧凑的结构。

１.５用滤波器来分离和叠加信号

滤波器结构最直接最基本的应用当然是抑制不需要的信号频率，而使需要的信号频率顺利传输。

实用中常把几个滤波器组合成双工器或多工器，以分离或叠加信号。图１.５.２为一个三信道多工器示意图，它能将２－４千ＭＨｚ的信号分到三个信道中，为了使输入端电压驻波比很低，必须专门设计各信道滤波器和特殊的接头匹配网络。反之，如果将图中信号流的方向反过来，就可以使三个信道的信号叠加在一起。显然，如果不用多工器而直接将各分信道用简单的传输线接头来叠加，则由于反射和泄露，将造成很大的能量损耗。

１.６阻抗匹配网络和耦合结构

为了使信号源和负载间无反射传输，需要恰当设计阻抗匹配网络和耦合网络。可以证明，有效的宽频带阻抗匹配网络和耦合结构必须是滤波器结构。

１.７时延网络和慢波结构

有时需要使微波能量延迟若干时间，用一段微波传输线当然可达到此目的，但不方便，若利用微波滤波器的时延特性，则可顺利地达到此目的。