超宽带微波滤波器研究现状

2014-09-17 18:02戚楠李胜先

现代电子技术 2014年17期

戚楠　李胜先

摘要：超宽带技术具有低功耗、高速率、保密性强等优势，在空间导航、空间通信、雷达等领域有广泛的应用与良好的发展前景。综合了国内外超宽带技术的最新进展，介绍了超宽带微波滤波器的作用、特点及关键问题。从[z]变换法、多模谐振器法、滤波器级联法等设计方法和微带结构、多层电路结构、腔体结构及新材料等实现结构对近期超宽带微波滤波器的设计进行归纳总结并举例说明。最后展望了超宽带滤波器小型化、高集成、高性能的发展趋势。

关键词：超宽带微波滤波器；超宽带技术；微带结构；滤波器改联法

中图分类号： TN713+.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0074?05

Abstract： With the advantages of low power consumption， high transmission speed and good confidentiality， the UWB technology has broad prospect in application and development of space navigation， space communication and radar. The latest research progress of UWB technology around the globe is summarized in this paper. The functions， characteristics and some key points of UWB microwave filter are introduced. The design methods （[z] transform technique， multimode resonator technique and filter cascaded technique） and structures （microstrip structure， multilayer structure， cavity structure and new materials） of UWB filters are discussed and illustrated. The development trend of miniaturization， high integration and high performance UWB filters is prospected.

Keywords： UWB microwave filter； UWB technology； microstrip structure； filter cascaded technique

1989年，美国国防部首先提出了超宽带（UWB）技术并对它做了定义：发射信号的相对带宽为0.2，或者传输信号的绝对带宽至少为500 MHz，则该信号为超宽带信号。自2002年美国联邦通信委员会（FCC）批准无需许可证便可以使用3.1～10.6 GHz的超宽带通信频谱后，超宽带技术受到了学术界和工业界的极大关注。超宽带技术具有低功耗、高速率、保密性强等特点，早期主要应用于军事通信、军事脉冲雷达等方面[1]，近年来在民用雷达、成像、室内短距离通信、监视系统等领域也有广泛应用，欧盟、日本、新加坡等国也制定了各自的超宽带技术标准。在宇航方向，NASA约翰逊空间中心开展了超宽带综合通信、月球/火星漫游者系列超宽带定位系统、UWB?RFID等技术的研究，取得了很多成果[2]。目前对星载微波与激光链路混合通信系统的研究使微波光子技术在未来卫星通信中呈现出很大的优势与潜力，而光波段广阔的频谱几乎没有带宽限制，不仅可提供THz大容量通信，而且电磁干扰小，重量轻，是超宽带概念的扩展，有着良好的发展前景[3]。

1 超宽带微波滤波器关键问题

和传统滤波器一样，超宽带滤波器用来去除带外信号及噪声，在某些UWB系统接收端承担着天线与放大器之间的匹配作用。由于UWB系统的脉冲信号产生和消失时间非常短暂，一个符合FCC规范的超宽带滤波器必须要在110%的带宽内具有较小并平坦的群时延特性和较远的寄生通带。因为频带低端大部分已被其他通信系统占用，所以滤波器同时要对频带低端有良好的抑制。有一些超宽带滤波器还要考虑通带内其他通信系统，如GPS，3G，4G，X波段卫星通信的干扰。另外为了适应微波集成电路小型化的要求，滤波器要体积小，结构紧凑，便于集成与互联。这些都对超宽带滤波器的设计与实现提出了很大的挑战。

2 超宽带滤波器设计方法

传统窄带滤波器带宽一般都在1%左右，其综合方法将滤波器参数都确定在中心频率附近，而且频率变换过程中进行了一些窄带近似，因而综合中所用到的计算公式只适合于精确设计窄带或者中等带宽的滤波器。如果用这些窄带滤波器的设计公式来设计超宽带滤波器将会造成很大的误差[4]。以往超宽带滤波器的设计多基于优化算法，设计结构主要采用微带线或耦合线，结构单一，计算量大，时间成本高，这就要求用新的思路来综合超宽带滤波器的设计。

2.1 新型带通滤波器综合的方法

2010年，Amari等人发表了一种能够在带通域内直接进行广义切比雪夫带通滤波器综合的方法[5]。与传统方法有所不同，此方法在滤波器带通域内直接综合得到通带内的传输与反射函数，适用于综合宽带及传输零点位于任意频率处的广义切比雪夫带通滤波器。该方法导出的网络矩阵与经典综合方法导出的耦合矩阵类似，并具有物理意义，而经典方法导出的耦合矩阵可以看作是它的窄带近似[6]。该方法为超宽带滤波器的综合提供了新思路，值得深入研究并指导滤波器的设计。图1是直接综合方法中所使用的带通横向耦合等效电路及其支路等效电路。2.2 基于[z]变换的短路/开路枝节法

由于传输线级联式电路实现超宽带滤波器结构简单，计算方便，加工容易，因此基于这种结构的[z]域变换法综合理论得到很大的发展[7]。基于[z]变换技术的综合理论是一种优化算法，主要是分析短路或开路枝节线结构的[z]域的理想传输函数；再推导出各个枝节的链形散射矩阵，并将其转化成离散时域形式；然后优化得到滤波器的实际传输函数和各部分阻抗参数。图2是一种开路枝节超宽带滤波器，测试结果显示滤波器具有近110%的相对带宽。这种综合方法设计出来的滤波器响应曲线良好，但是体积偏大，且只适用于级联形式枝节并联微带电路。

2.3 多模谐振器（MMR）法

多模谐振器是指在通带内有多个谐振模式的谐振器。多模谐振器有很多种形式，如环型、阶梯型等，其中广泛应用于超宽带滤波器的是阶梯阻抗谐振器（Stepped Impedance Resonators，SIR）[8]。多模谐振器法的核心是将谐振器的前几个模式合理分布在通带内，以达到宽带响应。图3是最简单的单级对称结构SIR滤波器，采用奇偶模分析法构造滤波器传输函数，通过给定通带内反射零点的数目与位置后，确定各部分的阻抗参数[9]。

为克服单级结构的滤波器边带抑制不好的问题，级联形式的SIR超宽带滤波器也有很大的发展。级联形式的SIR滤波器将耦合线，各阻抗线的阻抗特性参数表示为滤波器的响应函数，优化出所需要的响应曲线 [10]，得到各阻抗参数。带开路/短路枝节加载的SIR滤波器，通过调整加载枝节的长度来控制多模及传输零点的位置产生较宽的阻带[11]。为增强输入输出耦合，可以采用交指结构，有些加载结构还利用空气桥来抑制其他模式。由于SIR具有小型化，高次模式可控的优点，而且SIR的加载形式非常灵活，给设计带来极大的自由度，这使利用SIR结构逐渐成为设计超宽带滤波器的主流形式。

2.4 高低通滤波器级联的设计方法

用一个低通滤波器和一个高通滤波器串联起来实现带通特性，这个思想已经被应用于宽带滤波器的设计中，同时用一个带阻滤波器和一个低通滤波器串联起来也是一个行之有效的方案[12]。图4的滤波器结构由一个截止频率为10.6 GHz的低通滤波器和一个截止频率为3.1 GHz的高通滤波器组合而成，这种级联结构的滤波器阻带特性较好，边带衰减比较陡峭。但是最大的缺点就是体积大，带内插入损耗比较差，由于高通滤波器和低通滤波器自身谐波的局限性，这种滤波器的带宽不能做得很宽。2.5 互补耦合方法

互补耦合技术是谐振腔采用了互补耦合方式，在一个滤波器中同时使用电感或电容耦合，电容及电感随频率相互影响而使滤波器表现出类似于传统滤波器的耦合效果。为了产生互补的作用，谐振器的个数必须是奇数，才能达到理想的切比雪夫响应。图5是一个5阶互补耦合技术超宽带滤波器，中心频率为2 GHz，带宽为600 MHz，测试结果验证了这种理论在宽带滤波器综合上的正确性[13]。

3 超宽带滤波器的实现结构

3.1 多层电路结构

采用多层电路的形式，可以将谐振器与传输线分布在不同层次当中，对实现强耦合结构及滤波器小型化极为有利。多层电路的形式主要有共面波导/微带混合法，低温共烧陶瓷（LTCC）技术以及液晶聚合物（LCP）技术[14]。图6（a）是共面波导/微带混合结构制作的超宽带滤波器，这种结构可以方便地实现强耦合以增加带宽，群时延比较平稳 [15]，主要问题是两层传输线的侧面耦合不好实现以及寄生通带不好控制。LTCC及LCP技术有Q值高、导热性好的特性，制作的超宽带滤波器体积很小，便于集成。但是新材料结构复杂，加工困难，制造成本高。图6（b）是LTCC技术制作的超宽带滤波器[16]，谐振器位于第三层，利用第二层和第四层的贴片增加电容耦合。3.2 SIW及腔体结构

用腔体实现宽带滤波器，结构上不如微带灵活多变，一直是一个设计难点。腔体及波导结构的综合通常采用全波仿真技术，增加带宽的方法主要有两种：一种是增加滤波器级数，一种是增加耦合量，显然这两种方法会带来结构成本与体积问题。腔体宽带滤波器一般采用膜片耦合，通过引入非谐振腔来增加传输零点，减少全波仿真的计算量，改善阻带特性。SIW技术在单层结构中具有比平面传输线更好的Q值，进一步缩小了体积，但是与波导结构一样，难以实现更宽通带的目标[17]。图7是一种采用Z型拓扑结构的SIW滤波器，输入和输出采用传输线连接，集成度高，通过交叉耦合增加传输零点改善了带外抑制。

3.3 复合左右手材料技术

复合左右手（Composite Right?left Handed，CRLH）技术指的是采用传输线实现左手结构中引入了部分右手效应。图8是一个CRLH结构的宽带滤波器，由于结构的色散问题比较复杂，分析理论也比较欠缺，这种结构的滤波器带宽有限，损耗比较大，能否激励起合适的谐振频率有待进一步研究[18]。

3.4 具有陷波特性的结构

在实际通信中，为避免和其他通信频段相冲突，往往会在超宽带通信频段中对部分频带陷波，即形成阻带。目前主要的陷波结构有：嵌入开路短截线法，非对称输入输出耦合结构法，加载谐振器法及缺陷地（DGS）法等，其原理是利用加载的枝节或谐振器反射需要陷波的频率以达到阻带的效果。其中，由于嵌入开路短截线法利于集成，工艺简单受到广泛的应用。而加载谐振器的方式容易增大滤波器的体积，理想的形式是利用缺陷地产生谐振，充分利用了微带上下两层结构，是未来发展的方向。图9是一种DGS陷波超宽带滤波器[19]，在3.1～10.6 GHz通带范围内插损低于0.88 dB，频带高端抑制也比较理想。

4 超宽带滤波器发展趋势

在超宽带滤波器精确综合方面，以[z]变换技术为代表的超宽带滤波器综合技术为超宽带滤波器的综合理论发展提供了新思路，将会对精确实现超宽带滤波器的综合产生重大影响；采用单谐振器结构的超宽带滤波器的研究也已经趋于成熟；以SIR为代表的多模谐振器结构的超宽带滤波器，由于结构紧凑、成本低廉和实现灵活，已经被国内外学者广泛地研究与使用，是今后超宽带滤波器结构的设计趋势；多层电路结构可以大大降低滤波器体积，尤其以LTCC技术为代表，是滤波器小型化、集成化的必经之路，但是多层电路融合后的相互影响问题有待进一步研究；多个滤波器级联的形式由于体积大限制了其使用范围；复合左右手材料及LCP等新材料与新技术的应用，将进一步促进超宽带滤波器技术的设计与发展。随着超宽带技术在军用、民用及航天等领域展现的广阔前景，采用新型综合理论、新结构和新材料的超宽带滤波器将会更加小型化、高集成、高性能。

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