现代通信系统中的微波滤波器研究.

文献综述

题目现代通信系统中

的微波滤波器研究学生姓名周杨

专业班级通信工程

学号541007040154

院（系）计算机与通信工程学院指导教师(职称)李素萍

完成时间2014年4月30日

现代通信系统中的微波滤波器研究

1 前言

随着科技不断进步，无线通信前所未有地融入到生活中，尤其以贴近日常应用的短距离无线数据业务更是迅速发展。例如GPS、WLAN、WiFi、UWB、Bluetooth等短距离无线通信等广泛应用，极大地推动了滤波器技术的快速发展，也对滤波器的性能提出了更高的要求。同时，对应多频通信、宽带通信的多通带和宽带滤波器技术成为近年来的研究热点。

微波滤波器是现代微波中继通信、微波卫星通信、电子对抗等系统中必不可少的组成部分。本文对各类微波滤波器的用途和发展过程作了分析,微波滤波器及多工器在通信系统中占有十分重要的地位，并且也是大量使用的部件。微波滤波技术广泛应用于卫星通信移动通信雷达系统导航系统电子对抗等，可谓无处不在，无时不有。微波滤波技术的发展经历了多半个世纪，它可谓品种繁多，性能各异。按频率响应特性，分低通高通带通带阻；按网络函数可分为最大平坦型、切比雪夫型、线性相位型、椭圆函数型；按加载方式分单终端滤波器形式双终端滤波器形式；按传输能量的形式分电磁波和声波形式；按工作模式分单模双模三模至多模；按频段分集总参数滤波器微波毫米波滤波器光波滤波器。还有按功率按频带划分等等。面对现代通信对滤波器性能要求日趋严格，微波滤波技术的发展朝着小体积(表面安装集成)、重量轻、低损耗、高可靠性、高温补性能、高隔离特殊函数(主要是椭圆函数、线性相位)及大功率综合特性滤波器。

目前，各个国家都在利用新型材料和新技术来提高器件的性能和集成度，但是就滤波器的小型化还存在很多问题。

2 通信系统中的微波滤波器

2.1 研究背景及意义

无线通信是一双无形的大手，它拉近了人与人之间的距离！通信行业一直是最具活力的行业之一。信息传递方式的进步，改变了人们的工作和生活方式，企业的生产方式，极大地促进了经济与社会的发展。

无线通信的产生，与人们对电磁波的认识和运用密不可分。早在1901 年，

马可尼就利用电磁波实现了横跨大西洋的无线通信[1]。但在20 世纪初，由于缺少可靠的微波源和其它元件，无线电技术的发展主要局限于高频和甚高频范围。直到20 世纪40 年代，雷达技术的出现才使微波通信有了飞速发展[2-3]。1947 年，美国贝尔实验室发明了双极型晶体管，取代了体积大且功耗高的真空管电子器件，引发了通信领域的一场革命。此后，无线通信的业务范围快速拓展，从军事卫星通信到无线移动通信，从窄带语音通信到宽带综合业务通信，从模拟调制信号通信到数字调制信号通信；应用领域从军用的遥控指挥、探测制导、信息对抗、雷达跟踪，到民用的广播电视系统，全球卫星定位系统（GPS：Globel Positioning System），全球移动通信系统（GSM：Globel System for Mobile Communications）、无线局域网（WLAN：Wireless Local Area Network）等，通信系统越来越先进，通信业务也越来越多样化[4]。

20 世纪90 年代，移动通信产业的繁荣为无线通信的发展注入了新的血液，其应用功能从最初的语音传输向文件传输、图像传输和多媒体传输等方向迈进。在短短的二十年间，就已经从基于频分多址（FDMA）的第一代移动通信，发展到目前基于宽带码分多址（WCDMA）的第三代移动通信[5]。无线通信技术的快速发展和人类信息化进程的日益加快，使人们一方面更加注重信息传输的速度与品质，另一方面也不断追求更加方便、快捷和形式多样的信息传递方式，这就给无线通信系统的关键部件——滤波器的发展带来了机遇和挑战[6-7]。

对于无线通信系统而言，滤波器是一种至关重要的射频器件。滤去镜频干扰、衰减噪声、频分复用以及在高性能的振荡、放大、倍频和混频电路中，无不需要滤波器来实现。随着无线通信的个人化、宽带化，越来越需要人性化和高性能的终端设备，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来进一步满足小体积、轻重量的系统要求[8]。而在结构形式纷繁复杂、设计方法层出不穷的滤波器领域，研究者反而容易无适从，如何筛选和提炼出具有共性的设计方法，具有特别的指导意义。

2.2微波滤波器的发展历史和研究概况

2.2.1发展历史

早在1910 年，载波电话系统的出现，使得电信领域引发了一场技术革命，开创了电信史的新纪元。它的发展促成了在特定频带提取和检出信号的新技术的

发展，这种技术也逐步演生为后来的滤波器技术。

1915 年，德国科学家K .W .Wagner 提出了闻名于世的“瓦格纳滤波器”设计方法，同时美国科学家G .A .Canbell 发明了后来被称为“图像参数法”的滤波器设计方法。随着这些创新性突破，O .J .Zobel, R .M .Foster, W .Cauer 和E .L .Norton 等众多知名的科学家开始系统地研究集总元件LC 滤波器设计理论[9]。1940 年形成了一种精确的滤波器设计方法：第一步确定符合特定要求的传递函数；第二步由传递函数所估计的频率响应来综合出滤波器电路。该方法高效准确，成为了现在许多滤波器设计方法的基础。

此后，无线通信向甚高频乃至微波频段的拓展，使滤波器由原来的集总元件谐振器扩展到各种分布元件谐振器，例如同轴谐振器、微带谐振器、波导谐振器等。与此同时，材料科学的进步也极大地刺激了滤波器结构的更新换代[10-11]。

1939 年，P . D .Richtmeyer 首次提出了介电谐振器，它具有尺寸小和Q 值高的优点，之后几十年逐渐成为射频和微波通信中最常见的谐振元件之一。自60 年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70 年代以后的主攻方向。80 年代之后，移动通信的飞速发展，大大增加了滤波器的需求。尤其，不断涌现的新技术和新材料也刺激了滤波器技术的快速发展，其中包括：高温超导（HTS）、低温共烧陶瓷（LTCC）、微波单片集成电路（MMIC）、微机电系统和显微机械技术[12-14]等。

我国广泛使用滤波器是50 年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。

2.2.2研究现状

1. 滤波器的综合理论不断发展

滤波器的网络综合，指的是预先给定滤波器的频率响应特性，选用可能的函数去逼近实现预先给定的频率响应，再采用网络元件去实现的一个过程。根据采用的逼近函数不同，一般有Butterworth 综合、Chebyshev 综合、椭圆函数综合