戚楠　李勝先

摘 要： 超寬帶技術具有低功耗、高速率、保密性強等優(yōu)勢，在空間導航、空間通信、雷達等領域有廣泛的應用與良好的發(fā)展前景。綜合了國內外超寬帶技術的最新進展，介紹了超寬帶微波濾波器的作用、特點及關鍵問題。從[z]變換法、多模諧振器法、濾波器級聯(lián)法等設計方法和微帶結構、多層電路結構、腔體結構及新材料等實現(xiàn)結構對近期超寬帶微波濾波器的設計進行歸納總結并舉例說明。最后展望了超寬帶濾波器小型化、高集成、高性能的發(fā)展趨勢。

關鍵詞： 超寬帶微波濾波器； 超寬帶技術； 微帶結構； 濾波器改聯(lián)法

中圖分類號： TN713+.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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，美國國防部首先提出了超寬帶（UWB）技術并對它做了定義：發(fā)射信號的相對帶寬為0.2，或者傳輸信號的絕對帶寬至少為500 MHz，則該信號為超寬帶信號。自2002年美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）批準無需許可證便可以使用3.1～10.6 GHz的超寬帶通信頻譜后，超寬帶技術受到了學術界和工業(yè)界的極大關注。超寬帶技術具有低功耗、高速率、保密性強等特點，早期主要應用于軍事通信、軍事脈沖雷達等方面[1]，近年來在民用雷達、成像、室內短距離通信、監(jiān)視系統(tǒng)等領域也有廣泛應用，歐盟、日本、新加坡等國也制定了各自的超寬帶技術標準。在宇航方向，NASA約翰遜空間中心開展了超寬帶綜合通信、月球/火星漫游者系列超寬帶定位系統(tǒng)、UWB?RFID等技術的研究，取得了很多成果[2]。目前對星載微波與激光鏈路混合通信系統(tǒng)的研究使微波光子技術在未來衛(wèi)星通信中呈現(xiàn)出很大的優(yōu)勢與潛力，而光波段廣闊的頻譜幾乎沒有帶寬限制，不僅可提供THz大容量通信，而且電磁干擾小，重量輕，是超寬帶概念的擴展，有著良好的發(fā)展前景[3]。

1 超寬帶微波濾波器關鍵問題

和傳統(tǒng)濾波器一樣，超寬帶濾波器用來去除帶外信號及噪聲，在某些UWB系統(tǒng)接收端承擔著天線與放大器之間的匹配作用。由于UWB系統(tǒng)的脈沖信號產生和消失時間非常短暫，一個符合FCC規(guī)范的超寬帶濾波器必須要在110%的帶寬內具有較小并平坦的群時延特性和較遠的寄生通帶。因為頻帶低端大部分已被其他通信系統(tǒng)占用，所以濾波器同時要對頻帶低端有良好的抑制。有一些超寬帶濾波器還要考慮通帶內其他通信系統(tǒng)，如GPS，3G，4G，X波段衛(wèi)星通信的干擾。另外為了適應微波集成電路小型化的要求，濾波器要體積小，結構緊湊，便于集成與互聯(lián)。這些都對超寬帶濾波器的設計與實現(xiàn)提出了很大的挑戰(zhàn)。

2 超寬帶濾波器設計方法

傳統(tǒng)窄帶濾波器帶寬一般都在1%左右，其綜合方法將濾波器參數(shù)都確定在中心頻率附近，而且頻率變換過程中進行了一些窄帶近似，因而綜合中所用到的計算公式只適合于精確設計窄帶或者中等帶寬的濾波器。如果用這些窄帶濾波器的設計公式來設計超寬帶濾波器將會造成很大的誤差[4]。以往超寬帶濾波器的設計多基于優(yōu)化算法，設計結構主要采用微帶線或耦合線，結構單一，計算量大，時間成本高，這就要求用新的思路來綜合超寬帶濾波器的設計。

2.1 新型帶通濾波器綜合的方法

2010年，Amari等人發(fā)表了一種能夠在帶通域內直接進行廣義切比雪夫帶通濾波器綜合的方法[5]。與傳統(tǒng)方法有所不同，此方法在濾波器帶通域內直接綜合得到通帶內的傳輸與反射函數(shù)，適用于綜合寬帶及傳輸零點位于任意頻率處的廣義切比雪夫帶通濾波器。該方法導出的網(wǎng)絡矩陣與經(jīng)典綜合方法導出的耦合矩陣類似，并具有物理意義，而經(jīng)典方法導出的耦合矩陣可以看作是它的窄帶近似[6]。該方法為超寬帶濾波器的綜合提供了新思路，值得深入研究并指導濾波器的設計。圖1是直接綜合方法中所使用的帶通橫向耦合等效電路及其支路等效電路。2.2 基于[z]變換的短路/開路枝節(jié)法

由于傳輸線級聯(lián)式電路實現(xiàn)超寬帶濾波器結構簡單，計算方便，加工容易，因此基于這種結構的[z]域變換法綜合理論得到很大的發(fā)展[7]?；赱z]變換技術的綜合理論是一種優(yōu)化算法，主要是分析短路或開路枝節(jié)線結構的[z]域的理想傳輸函數(shù)；再推導出各個枝節(jié)的鏈形散射矩陣，并將其轉化成離散時域形式；然后優(yōu)化得到濾波器的實際傳輸函數(shù)和各部分阻抗參數(shù)。圖2是一種開路枝節(jié)超寬帶濾波器，測試結果顯示濾波器具有近110%的相對帶寬。這種綜合方法設計出來的濾波器響應曲線良好，但是體積偏大，且只適用于級聯(lián)形式枝節(jié)并聯(lián)微帶電路。

2.3 多模諧振器（MMR）法

多模諧振器是指在通帶內有多個諧振模式的諧振器。多模諧振器有很多種形式，如環(huán)型、階梯型等，其中廣泛應用于超寬帶濾波器的是階梯阻抗諧振器（Stepped Impedance Resonators，SIR）[8]。多模諧振器法的核心是將諧振器的前幾個模式合理分布在通帶內，以達到寬帶響應。圖3是最簡單的單級對稱結構SIR濾波器，采用奇偶模分析法構造濾波器傳輸函數(shù)，通過給定通帶內反射零點的數(shù)目與位置后，確定各部分的阻抗參數(shù)[9]。

為克服單級結構的濾波器邊帶抑制不好的問題，級聯(lián)形式的SIR超寬帶濾波器也有很大的發(fā)展。級聯(lián)形式的SIR濾波器將耦合線，各阻抗線的阻抗特性參數(shù)表示為濾波器的響應函數(shù)，優(yōu)化出所需要的響應曲線 [10]，得到各阻抗參數(shù)。帶開路/短路枝節(jié)加載的SIR濾波器，通過調整加載枝節(jié)的長度來控制多模及傳輸零點的位置產生較寬的阻帶[11]。為增強輸入輸出耦合，可以采用交指結構，有些加載結構還利用空氣橋來抑制其他模式。由于SIR具有小型化，高次模式可控的優(yōu)點，而且SIR的加載形式非常靈活，給設計帶來極大的自由度，這使利用SIR結構逐漸成為設計超寬帶濾波器的主流形式。

2.4 高低通濾波器級聯(lián)的設計方法

用一個低通濾波器和一個高通濾波器串聯(lián)起來實現(xiàn)帶通特性，這個思想已經(jīng)被應用于寬帶濾波器的設計中，同時用一個帶阻濾波器和一個低通濾波器串聯(lián)起來也是一個行之有效的方案[12]。圖4的濾波器結構由一個截止頻率為10.6 GHz的低通濾波器和一個截止頻率為3.1 GHz的高通濾波器組合而成，這種級聯(lián)結構的濾波器阻帶特性較好，邊帶衰減比較陡峭。但是最大的缺點就是體積大，帶內插入損耗比較差，由于高通濾波器和低通濾波器自身諧波的局限性，這種濾波器的帶寬不能做得很寬。2.5 互補耦合方法

互補耦合技術是諧振腔采用了互補耦合方式，在一個濾波器中同時使用電感或電容耦合，電容及電感隨頻率相互影響而使濾波器表現(xiàn)出類似于傳統(tǒng)濾波器的耦合效果。為了產生互補的作用，諧振器的個數(shù)必須是奇數(shù)，才能達到理想的切比雪夫響應。圖5是一個5階互補耦合技術超寬帶濾波器，中心頻率為2 GHz，帶寬為600 MHz，測試結果驗證了這種理論在寬帶濾波器綜合上的正確性[13]。

3 超寬帶濾波器的實現(xiàn)結構

3.1 多層電路結構

采用多層電路的形式，可以將諧振器與傳輸線分布在不同層次當中，對實現(xiàn)強耦合結構及濾波器小型化極為有利。多層電路的形式主要有共面波導/微帶混合法，低溫共燒陶瓷（LTCC）技術以及液晶聚合物（LCP）技術[14]。圖6（a）是共面波導/微帶混合結構制作的超寬帶濾波器，這種結構可以方便地實現(xiàn)強耦合以增加帶寬，群時延比較平穩(wěn) [15]，主要問題是兩層傳輸線的側面耦合不好實現(xiàn)以及寄生通帶不好控制。LTCC及LCP技術有Q值高、導熱性好的特性，制作的超寬帶濾波器體積很小，便于集成。但是新材料結構復雜，加工困難，制造成本高。圖6（b）是LTCC技術制作的超寬帶濾波器[16]，諧振器位于第三層，利用第二層和第四層的貼片增加電容耦合。3.2 SIW及腔體結構

用腔體實現(xiàn)寬帶濾波器，結構上不如微帶靈活多變，一直是一個設計難點。腔體及波導結構的綜合通常采用全波仿真技術，增加帶寬的方法主要有兩種：一種是增加濾波器級數(shù)，一種是增加耦合量，顯然這兩種方法會帶來結構成本與體積問題。腔體寬帶濾波器一般采用膜片耦合，通過引入非諧振腔來增加傳輸零點，減少全波仿真的計算量，改善阻帶特性。SIW技術在單層結構中具有比平面?zhèn)鬏斁€更好的Q值，進一步縮小了體積，但是與波導結構一樣，難以實現(xiàn)更寬通帶的目標[17]。圖7是一種采用Z型拓撲結構的SIW濾波器，輸入和輸出采用傳輸線連接，集成度高，通過交叉耦合增加傳輸零點改善了帶外抑制。

3.3 復合左右手材料技術

復合左右手（Composite Right?left Handed，CRLH）技術指的是采用傳輸線實現(xiàn)左手結構中引入了部分右手效應。圖8是一個CRLH結構的寬帶濾波器，由于結構的色散問題比較復雜，分析理論也比較欠缺，這種結構的濾波器帶寬有限，損耗比較大，能否激勵起合適的諧振頻率有待進一步研究[18]。

3.4 具有陷波特性的結構

在實際通信中，為避免和其他通信頻段相沖突，往往會在超寬帶通信頻段中對部分頻帶陷波，即形成阻帶。目前主要的陷波結構有：嵌入開路短截線法，非對稱輸入輸出耦合結構法，加載諧振器法及缺陷地（DGS）法等，其原理是利用加載的枝節(jié)或諧振器反射需要陷波的頻率以達到阻帶的效果。其中，由于嵌入開路短截線法利于集成，工藝簡單受到廣泛的應用。而加載諧振器的方式容易增大濾波器的體積，理想的形式是利用缺陷地產生諧振，充分利用了微帶上下兩層結構，是未來發(fā)展的方向。圖9是一種DGS陷波超寬帶濾波器[19]，在3.1～10.6 GHz通帶范圍內插損低于0.88 dB，頻帶高端抑制也比較理想。

4 超寬帶濾波器發(fā)展趨勢

在超寬帶濾波器精確綜合方面，以[z]變換技術為代表的超寬帶濾波器綜合技術為超寬帶濾波器的綜合理論發(fā)展提供了新思路，將會對精確實現(xiàn)超寬帶濾波器的綜合產生重大影響；采用單諧振器結構的超寬帶濾波器的研究也已經(jīng)趨于成熟；以SIR為代表的多模諧振器結構的超寬帶濾波器，由于結構緊湊、成本低廉和實現(xiàn)靈活，已經(jīng)被國內外學者廣泛地研究與使用，是今后超寬帶濾波器結構的設計趨勢；多層電路結構可以大大降低濾波器體積，尤其以LTCC技術為代表，是濾波器小型化、集成化的必經(jīng)之路，但是多層電路融合后的相互影響問題有待進一步研究；多個濾波器級聯(lián)的形式由于體積大限制了其使用范圍；復合左右手材料及LCP等新材料與新技術的應用，將進一步促進超寬帶濾波器技術的設計與發(fā)展。隨著超寬帶技術在軍用、民用及航天等領域展現(xiàn)的廣闊前景，采用新型綜合理論、新結構和新材料的超寬帶濾波器將會更加小型化、高集成、高性能。

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