微波濾波器技術(shù)研究

吳文信

摘要：隨著無線通信的快速發(fā)展和頻率資源的日益短缺，用于分離有用和無用信號的微波濾波器已經(jīng)成為通信系統(tǒng)中的重要組成部分。它們的性能直接影響整個通信系統(tǒng)的質(zhì)量。目前，微波濾波器已廣泛應(yīng)用于微波、毫米波通信、微波導航、制導、遙測遙控、衛(wèi)星通信、軍事電子對抗等領(lǐng)域，對微波濾波器的要求越來越高。

關(guān)鍵詞：微波濾波器；微波技術(shù)；技術(shù)研究

中圖分類號：T964 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3178（2018）20-0368-01

1 微波濾波器技術(shù)

通常，微波濾波器中使用的電路主要是分布參數(shù)電路以及總參數(shù)和總參數(shù)收集電路。該結(jié)構(gòu)主要使用波導和微波傳輸線作為主體。如有必要，它也可以直接用于金屬或電介質(zhì)諧振器。此外，準光學和光學濾波器采用的結(jié)構(gòu)在特殊情況下也可用于毫米波頻率。上述結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)為寬帶或窄帶濾波器。此外，濾波器結(jié)構(gòu)在確定功率容量（如溫升和擊穿強度）方面起著決定性作用。一般來說，只有金屬波導結(jié)構(gòu)能夠承受高功率。微波濾波器有許多主要技術(shù)指標，一般分為兩大內(nèi)容，即設(shè)計指標和結(jié)構(gòu)指標。設(shè)計指標主要包括濾波器完成單位時間、帶寬、帶外和帶內(nèi)衰減以及時延特性等周期性變化的次數(shù)。結(jié)構(gòu)指標主要包括功率容量、機械強度、機械穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。

目前，設(shè)計微波濾波器的方法有很多，如精確合成法、計算機輔助設(shè)計法和近似合成法。近似合成方法包括以下步驟：首先，根據(jù)濾波器在單位時間內(nèi)完成周期性變化的預(yù)期次數(shù)合成低通原型，然后估計微波高通、低通或帶阻濾波器，最后設(shè)計合適的濾波器結(jié)構(gòu)。其中，濾波器特性和結(jié)構(gòu)的差異將影響近似變換的選擇。

2 微波濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀

從微波濾波器的發(fā)展來看，大多數(shù)專家和學者已經(jīng)做出了巨大的努力。早在上世紀初期，著名的科學家瓦格納最先創(chuàng)造了“瓦格納濾波器”設(shè)計法，緊接著作為美國科學家之一的 G.A.Canbell 創(chuàng)造了以“圖像參數(shù)法”為核心的設(shè)計濾波器的方法。直到1917年，德國和美國的科學家都發(fā)明了LC濾波器。1918年，第一個多路復(fù)用系統(tǒng)首次在美國生產(chǎn)。自那以后，對過濾器的研究越來越多，大多數(shù)國內(nèi)外科學家已經(jīng)逐漸投資于過濾器技術(shù)的研究。直到1937年，當代濾波器合成方法的著名創(chuàng)始人w·考勒在廣泛使用函數(shù)最佳逼近法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種名叫Chebyshev的濾波器。20世紀40年代，經(jīng)過30多年的發(fā)展，一種非常精確的現(xiàn)代過濾器設(shè)計方法很快被創(chuàng)造出來。該設(shè)計方法的具體步驟如下：首先，確定滿足相關(guān)要求的傳遞函數(shù)；其次，通過分析傳遞函數(shù)，估計信號波在單位時間內(nèi)周期性變化的次數(shù)，并根據(jù)估計的次數(shù)綜合設(shè)計濾波電路。用這種方法設(shè)計的濾波器具有效率高、精度高的優(yōu)點。其原理已經(jīng)成為其他濾波器設(shè)計方法的重要基礎(chǔ)。20世紀50年代，一種新型濾波器——無源濾波器被迅速生產(chǎn)和發(fā)展。在計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)材料和集成技術(shù)的支持下，過濾器設(shè)計進入了一個新的階段。隨著單位時間內(nèi)信號波周期變化數(shù)量的不斷增加，現(xiàn)代社會中使用的微波濾波器的深度和廣度迅速擴展。

3 微波濾波器的應(yīng)用

現(xiàn)代無線電系統(tǒng)，包括微波衛(wèi)星通信、中繼通信、電子對抗、雷達等，正在迅速發(fā)展。濾波器的性能直接影響整個系統(tǒng)的性能。因此，微波濾波器一直在不斷更新和發(fā)展。為了滿足各種應(yīng)用環(huán)境的需要，出現(xiàn)了許多不同類型的微波濾波器。

3.1 微帶線濾波器

微帶線濾波器因其易于與其他電路集成以及便于平面繪制和制版而被廣泛應(yīng)用于射頻和微波電路中。它具有體積小、易于加工的特點，可以使用不同的基材來改變頻率范圍。

半波長并聯(lián)耦合微帶帶通濾波器廣泛應(yīng)用于微波集成電路中。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，第二寄生通帶中心頻率是主通帶中心頻率的3倍，適用頻率范圍大，相對帶寬可達20。它的缺點是在一個方向上插入損耗大，濾波器占用空間大。發(fā)夾型濾波器結(jié)構(gòu)是通過并排布置和耦合發(fā)夾型諧振器而形成的，結(jié)構(gòu)更緊湊。其信號輸入輸出模式可采用并聯(lián)耦合型或分接型。其他類型的微帶濾波器包括叉指濾波器和微帶橢圓函數(shù)濾波器等。

3.2 波導濾波器

波導濾波器是一種無源濾波器，被廣泛應(yīng)用，尤其是在大功率和高頻天線饋電系統(tǒng)中。波導濾波器是一種頻率選擇電路，適用于大功率系統(tǒng)，性能良好，易于與波導天線的饋電裝置連接。波導濾波器的主要功能是在插入損耗和帶內(nèi)紋波較小的前提下，提供足夠的阻帶選擇性和帶外抑制。其應(yīng)用范圍約為8 - 100 GHz。波導帶通濾波器也用于許多微波多路復(fù)用器中，但是其最大的缺點是在同一頻率濾波器中波導濾波器的尺寸明顯更大。隨著微波技術(shù)的發(fā)展和天線系統(tǒng)的復(fù)雜性，對波導濾波器的需求也在增加。它需要更好的性能和尺寸，需要研究人員不斷改進和提高。

3.3 腔體濾波器

空腔濾波器在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用與波導濾波器一樣廣泛。它的特點是插入損耗低，一般小于1db，阻帶抑制高，調(diào)諧方便，同時承載能力相對較大。其中同軸腔具有電磁屏蔽、高q值、低損耗等特點。與波導濾波器相比，它具有體積小、重量輕的優(yōu)點，但是當它在10g Hz以上使用時，由于物理尺寸的微笑，制造精度非常高，并且相對難以實現(xiàn)。同軸腔形式的帶通濾波器通常分為標準同軸腔、方形腔同軸等。

3.4 同軸腔體濾波器

與波導濾波器一樣，同軸腔濾波器也廣泛用于通信系統(tǒng)中。它們的特點是插入損耗低，一般小于1db，阻帶抑制高，調(diào)諧方便，以及相對較大的耐受功率。具有電磁屏蔽、高q值、低損耗等特點。與波導濾波器相比，它具有體積小、重量輕的優(yōu)點，但是當它在10g Hz以上使用時，由于其太小的物理尺寸和高的制造精度，很難實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，過濾器越來越受到人們的關(guān)注。濾波器的目的是分離和選擇信號波在單位時間內(nèi)周期性變化的次數(shù)。因此，可以看出，濾波器的性能直接關(guān)系到通信系統(tǒng)的質(zhì)量。因此，相關(guān)企業(yè)應(yīng)該加強微波濾波器技術(shù)的研究和應(yīng)用，從而為通信系統(tǒng)的完善奠定基礎(chǔ)。微波濾波器向高頻化、集成化和小型化發(fā)展是必然趨勢。為了適應(yīng)迅速發(fā)展的通信領(lǐng)域，設(shè)計者已經(jīng)取得了進展，改進了各種濾波器的結(jié)構(gòu)，擴大了它們的工作頻率和相對帶寬，并降低了制造濾波器的成本。

參考文獻

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