微波射频滤波器归类

摘要：按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。

关键词：微波滤波器；性能指标；设计方法

前言：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