1、微波濾波器基礎知識微波濾波器基礎知識微波及其特點微波及其特點所謂微波是一種具有極高頻率（通常為300MHz-300GHz ），波長很短，通常為1m-1mm的電磁波。微波具有似光性和似聲性、穿透性、信息容量大等特點。0光速波長 =頻率f3電磁波波段代號波段代號波段代號波段代號頻率范圍頻率范圍/GHZ/GHZ頻率范圍頻率范圍/GHZ/GHZUHF 0.31 K 1827 L 12 Ka 2740 S 24 U 4060 C 48 V 6080 X 812 W 80 100 Ku 1218微微波波波波段段的的劃劃分分300MHz3000G3000GHzHz可可見見光光1m1m電磁波譜電磁波譜0.1m

2、m0.1mm頻率頻率波長波長3GHz30GHz300GHz10cm10cm1cm1cm1mm1mm普通無線電波普通無線電波紅外線紅外線紫外線紫外線亞毫米亞毫米微微 波波 分米分米厘米厘米毫米毫米中波中波短波短波 超短波超短波長波長波濾波器的基本原理濾波器的基本原理 濾波器定義濾波器定義 顧名思義就是對電磁波信號進行過濾，讓需要的信號通顧名思義就是對電磁波信號進行過濾，讓需要的信號通過，抑制不需要的信號，主要目的為了解決不同頻段、不過，抑制不需要的信號，主要目的為了解決不同頻段、不同形式的無線通訊系統之間的干擾問題，其特性可以用通同形式的無線通訊系統之間的干擾問題，其特性可以用通帶工作頻段、插入

3、損耗、帶內波動、帶外抑制、端口駐波帶工作頻段、插入損耗、帶內波動、帶外抑制、端口駐波比、隔離度、矩形系數、功率容量、群時延指標來描述。比、隔離度、矩形系數、功率容量、群時延指標來描述。濾波器的基本形式濾波器的基本形式 低通濾波原型低通濾波原型低通濾波器電路原型低通濾波器電路原型 低通原型濾波器的理想化衰減一頻率特性如圖1所示。縱坐標代表衰減量，橫坐標代表頻率。當田w小于w1,時,信號的衰減量近似等于零,稱之為通帶;當ww1,時,信號的衰減量近似為無窮大,稱之為阻帶,其中w1稱為“截止頻率”。 實際上,濾波器根據其所逼近的函數不同分為：最平坦低通濾波器（巴特沃茲濾波器）、切比雪夫低通濾波器、橢圓

4、函數低通濾波器。低通原型濾波器的衰減一頻率特性；(a)巴特沃斯響應；(b) 切比雪夫響應 (c)橢圓函數低通原型 （a） （b） （c）(1) 巴特沃斯低通濾波器：如圖(a)所示,通帶內衰減曲線內十分平坦,被稱為“最平坦響應”又被稱做“巴特沃斯（Butterworth）響應”。其逼近函數為:（2）切比雪夫低通濾波器如圖(b)所示,通帶內的衰減曲線幅度相等,而且具有規律性的起伏、變化,于是被叫做“等波紋響應”,又被稱為“切比雪夫(Tchebyscheff)響應”。其逼近函數：其中（3）橢圓函數低通濾波器其原型濾波器又被叫做考爾(Cauer)濾波器,它的通帶和阻帶都具有切比雪夫的波紋特性。其低通原

5、型的逼近函數為:其中濾波器頻率變換（1）低通到高通的變換如圖2.4所示,分別給出了低通原型濾波器和高通濾波器的頻率一衰減曲線,令它們的頻率分量分別為w和w。通過相應的頻率變換準則,可將低通原型濾波器轉換成高通濾波器,即將低通原型的通帶和阻帶分別變換成高通濾波器的阻帶和通帶。直觀地說就是將圖2.4中的頻率一衰減曲線中的w=0和w=無窮大的點分別變換成w=無窮大。和w=o的點，其頻率變換的數學表達式為:低通原型和高通濾波器中的電感、電容變換公式為：（2）低通到帶通同理，其頻率變換數學表達式為： 低通原型濾波器和帶通濾波器的電感、電容變換公式分別為：（3）低通到帶阻的頻率變換低通到帶阻的頻率變換表達

6、式：低通原型與帶阻濾波器電感、電容之間的變換關系：帶通濾波器技術指標帶通濾波器技術指標通帶工作頻段通帶工作頻段指濾波器允許通過電磁波的頻率范圍。通帶的理解在生產過程提供的技術指標規定嚴格了的，不需要怎樣的去按照上面的定義去具體計算。也可以這樣說，如果我們的差損要求是0.8db，通帶需要10M的帶寬，那么我們的通帶就可以說成是0.8db帶寬為10M.帶通濾波器技術指標帶通濾波器技術指標 插入損耗插入損耗 又稱衰減又稱衰減, ,在理想情況下，插入到射頻電路中的理想濾波在理想情況下，插入到射頻電路中的理想濾波器，不應在其通帶內引入任何功率損耗器，不應在其通帶內引入任何功率損耗. .然而現實中我們然而

7、現實中我們無法消除濾波器固有的，某種程度的功率損耗。插入損無法消除濾波器固有的，某種程度的功率損耗。插入損耗定量的描述了功率響應幅度與耗定量的描述了功率響應幅度與0dB0dB基準的插值基準的插值, ,其數學其數學表達式為表達式為: : 其中其中PL PL 是濾波器向負載輸出的功率，是濾波器向負載輸出的功率，Pin Pin 是濾波器從信是濾波器從信號源得到的輸入功率，一般希望插入損耗越小越好。號源得到的輸入功率，一般希望插入損耗越小越好。帶通濾波器技術指標帶通濾波器技術指標 帶內波動帶內波動 在規定的帶寬內,插入損耗最大點減去最小點的即為帶內波動。又叫帶內波紋或者通帶波紋。指通帶內信號幅度的起伏

8、程度，也受限于諧振器的固有Q值，一般希望盡可能的小。 帶通濾波器技術指標帶通濾波器技術指標 帶外抑制帶外抑制 又稱阻帶抑制又稱阻帶抑制, ,理想的濾波器是矩形的，通帶內的信號全理想的濾波器是矩形的，通帶內的信號全部通過，通道外的信號全部過濾掉。部通過，通道外的信號全部過濾掉。 實際情況是，只能過濾掉一部分能量，帶外抑制度反應了實際情況是，只能過濾掉一部分能量，帶外抑制度反應了對過濾信號的衰減幅度，對不需要的頻率點，信號的抑制對過濾信號的衰減幅度，對不需要的頻率點，信號的抑制能力，一般希望盡可能的大，并在通帶范圍外陡峭的下降，能力，一般希望盡可能的大，并在通帶范圍外陡峭的下降，通常取帶外與帶寬為

9、一定比值的某一頻率的衰減值作為此通常取帶外與帶寬為一定比值的某一頻率的衰減值作為此項指標。項指標。 帶外抑制這個概念實際上還是屬于損耗的范疇，只是我們帶外抑制這個概念實際上還是屬于損耗的范疇，只是我們現在所說指的是在通帶外，信號的衰減已經被抑制得比較現在所說指的是在通帶外，信號的衰減已經被抑制得比較充分，這個具體的損耗值就是帶外抑制的值。充分，這個具體的損耗值就是帶外抑制的值。帶通濾波器技術指標帶通濾波器技術指標 端口駐波比端口駐波比 端口駐波是衡量濾波器性能的一個關鍵指標，反應濾波器端口駐波是衡量濾波器性能的一個關鍵指標，反應濾波器件與系統中其它部件的匹配程度。件與系統中其它部件的匹配程度。

10、 當系統不匹配時當系統不匹配時, , 饋線上同時存在入射波饋線上同時存在入射波EiEi和反射波和反射波ErEr。在入射波和反射波相位相同的地方，入射波電壓與反射波在入射波和反射波相位相同的地方，入射波電壓與反射波電壓的幅度相加形成一個最大電壓振幅電壓的幅度相加形成一個最大電壓振幅EmaxEmax，稱為波腹；，稱為波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓幅度相減形成一而在入射波和反射波相位相反的地方電壓幅度相減形成一個最小電壓振幅個最小電壓振幅EminEmin，稱為波節。，稱為波節。 其它各點電壓的幅度值則介于波腹與波節之間，這種合成其它各點電壓的幅度值則介于波腹與波節之間，這種合成波稱為駐波

11、。波稱為駐波。 帶通濾波器技術指標帶通濾波器技術指標 電壓駐波比則是波腹電壓與波節電壓的比值，即電壓駐波比則是波腹電壓與波節電壓的比值，即 Ei Ei 為入射波電壓為入射波電壓, Er, Er為反射波電壓為反射波電壓, ,當當ZLZL和和Z0Z0都為實數時都為實數時iiEmax|E|+|Er|VSWR=Emin|E| |Er|iLi0Emax|E|+|Er|ZVSWR=Emin|E| |Er|Z帶通濾波器技術指標帶通濾波器技術指標帶通濾波器技術指標帶通濾波器技術指標 駐波比的另一個含義相同的名稱是回波損耗，單駐波比的另一個含義相同的名稱是回波損耗，單位為分貝（位為分貝（dBdB），二者可如下換

12、算：），二者可如下換算：帶通濾波器技術指標帶通濾波器技術指標 隔離度隔離度為了區分在有兩個或者兩個以上通帶情況下（例為了區分在有兩個或者兩個以上通帶情況下（例如雙工器，合路器）相互通帶之間的帶外抑制，如雙工器，合路器）相互通帶之間的帶外抑制，這時我們統一稱帶外抑制為隔離。這時我們統一稱帶外抑制為隔離。以雙工器為例說明：收發隔離是指在網絡分析儀以雙工器為例說明：收發隔離是指在網絡分析儀的兩個通道分別接的兩個通道分別接rxrx與與txtx端，而端，而ATNATN端接端接5050歐姆負歐姆負載時，整個頻段（載時，整個頻段（TXTX的高端點與的高端點與RXRX的低端點之間的低端點之間的帶寬）或者兩個通

13、帶內（的帶寬）或者兩個通帶內（RXRX頻帶內和頻帶內和TXTX頻帶內）頻帶內）s12s12或者或者s21s21的值。的值。 帶通濾波器技術指標帶通濾波器技術指標矩形系數矩形系數矩形系數是矩形系數是60dB60dB帶寬帶寬3dB3dB帶寬的比值帶寬的比值, ,它描述了濾它描述了濾波器在截止頻率附近響應曲線變化的陡峭程度波器在截止頻率附近響應曲線變化的陡峭程度: :60dBU60dB- L60dB3dBU3dB- L3dBBWffBWffSF帶通濾波器技術指標帶通濾波器技術指標 功率容量功率容量 濾波器能承受的最大信號通過功率，濾波器的脈沖功率容濾波器能承受的最大信號通過功率，濾波器的脈沖功率容量

14、由其中強電場對介質的擊穿來確定，這與濾波器的結構量由其中強電場對介質的擊穿來確定，這與濾波器的結構和介質強度有關。通常同軸線和帶狀線結構的功率容量至和介質強度有關。通常同軸線和帶狀線結構的功率容量至少要比矩形波導小少要比矩形波導小6 6、7 7倍，而矩形波導又比圓波導小倍，而矩形波導又比圓波導小4 4倍倍左右左右. . 帶通濾波器技術指標帶通濾波器技術指標 群時延群時延 信號通過濾波器時的延遲時間，可用以下公式表示：信號通過濾波器時的延遲時間，可用以下公式表示： 其中其中 為濾波器電壓轉移函數為濾波器電壓轉移函數Ea/EL Ea/EL 的相位，對于的相位，對于N N個諧振個諧振器的帶通濾波器，

15、通帶內的群時延可近似估計為：器的帶通濾波器，通帶內的群時延可近似估計為：ddtddntBW濾波器的分類濾波器的分類 微波濾波器的分類方法很多，根據通頻帶的不同，微波微波濾波器的分類方法很多，根據通頻帶的不同，微波濾波器可分為低通、帶通、帶阻、高通濾波器；按濾波器的濾波器可分為低通、帶通、帶阻、高通濾波器；按濾波器的插入衰減地頻響特性可分為最平坦型和等波紋型；根據工作插入衰減地頻響特性可分為最平坦型和等波紋型；根據工作頻帶的寬窄可分為窄帶和寬帶濾波器；按濾波器的傳輸線分頻帶的寬窄可分為窄帶和寬帶濾波器；按濾波器的傳輸線分類可分為微帶濾波器、交指型濾波器、同軸濾波器、波導濾類可分為微帶濾波器、交指

16、型濾波器、同軸濾波器、波導濾波器、梳狀線腔濾波器、螺旋腔濾波器、陶瓷介質濾波器、波器、梳狀線腔濾波器、螺旋腔濾波器、陶瓷介質濾波器、SIR(SIR(階躍阻抗諧振器階躍阻抗諧振器) )濾波器、高溫超導材料等。這里按照濾波器、高溫超導材料等。這里按照傳輸線的分類來對各種微波濾波器的主要特性進行詳盡的分傳輸線的分類來對各種微波濾波器的主要特性進行詳盡的分析析。（一）微帶濾波器（一）微帶濾波器主要性能指標：主要性能指標：頻率范圍：頻率范圍：500MHz500MHz6GHz6GHz帶寬：帶寬：10%10%30%30%插入損耗：插入損耗：5dB(5dB(隨帶寬不同而不同隨帶寬不同而不同) )輸入輸出形式：

17、輸入輸出形式：SMASMA、N N、L16L16等等輸入輸出駐波輸入輸出駐波:1.8:1:1.8:1 微帶濾波器微帶濾波器微帶濾波器主要包括平行耦合微帶線濾波器、發夾型濾波器、微帶濾波器主要包括平行耦合微帶線濾波器、發夾型濾波器、微帶類橢圓函數濾波器、交指型濾波器。微帶類橢圓函數濾波器、交指型濾波器。半波長平行耦合微帶線帶通濾波器是微波集成電路中廣為應半波長平行耦合微帶線帶通濾波器是微波集成電路中廣為應用的帶通濾波器形式。其結構緊湊、第二寄生通帶的中心頻用的帶通濾波器形式。其結構緊湊、第二寄生通帶的中心頻率位于主通帶中心頻率的率位于主通帶中心頻率的3 3倍處、適應頻率范圍較大、適用倍處、適應頻

18、率范圍較大、適用于寬帶濾波器時相對帶寬可達于寬帶濾波器時相對帶寬可達20%20%。其缺點為插損較大，同。其缺點為插損較大，同時，諧振器在一個方向依次擺開，造成濾波器在一個方向上時，諧振器在一個方向依次擺開，造成濾波器在一個方向上占用了較大空間。占用了較大空間。 半波長諧振器平行耦合濾波器（帶通）半波長諧振器平行耦合濾波器（帶通）(a) 窄帶結構(b) 寬帶結構發夾型濾波器：發夾型濾波器：和平行耦合線濾波器結構相比，發夾型濾波器具有緊湊的電路結構，減小了濾波器占用的空間，容易集成，并且降低了成本。發夾型濾波器是由發夾型諧振器并排排列耦合而成，是半波長耦合微帶濾波器的一種變形結構，是將半波長耦合諧

19、振器折合成U字型構成的，因此與交指式、梳狀線式等其他微波濾波器結構相比，其電路結構更加緊湊，具有體積小，微帶線終端開路無需過孔接地，易于制造等優點。 發夾型濾波器發夾型濾波器5階發夾型濾波器電路圖微帶類橢圓函數濾波器：微帶類橢圓函數濾波器：平行耦合線濾波器、交指型濾波器等，獲得在帶內較平坦的幅頻特性，但帶外抑制特性較差。微帶類橢圓函數濾波器，通過在帶外引入衰減極點，能明顯改善濾波器的帶外特性，比平行耦合線濾波器、交指型濾波器有更好的電特性。并且微帶類橢圓函數濾波器具有較小的體積，同時，在超導狀態，由于導體薄膜的無載Q值很高，該種濾波器將在具有較高選擇性的同時又具有較低的插損，具有很好的應用前景

20、。微帶類橢圓函數濾波器微帶類橢圓函數濾波器4階微帶開路環帶通濾波器交指型微帶濾波器（微帶、腔體皆可）：交指型微帶濾波器（微帶、腔體皆可）：頻率范圍：頻率范圍：800MHz16GHz帶寬：帶寬：10%100%，特殊要求，特殊要求370插入損耗：插入損耗：0.52dB(隨帶寬不同而不同隨帶寬不同而不同)阻帶抑制：近端過渡帶決定于濾波器節數，遠端一般大于阻帶抑制：近端過渡帶決定于濾波器節數，遠端一般大于70dB輸入輸出阻抗：輸入輸出阻抗：50輸入輸出駐波：輸入輸出駐波：VSWR1.7:1（特別要求時可（特別要求時可1.5:1）通過功率：通過功率：5W（特別要求時可達（特別要求時可達100W）溫度：溫

21、度：-55+85輸入輸出形式：輸入輸出形式：SMA、N、L16等等交指型濾波器：交指型微帶帶通濾波器的工作原理可以這樣解釋:將平行藕合微帶濾波器相鄰的兩個藕合線節從中點處切斷，并折迭起來，合并為一根藕合線節，將其一端短路接地，另一端開路，并保持相鄰兩級線節之間的藕合間隙不變，形成交指型結構。交指型濾波器：平行耦合線到交指耦合型濾波器的演變（二）同軸濾波器主要性能指標：頻率范圍：800MHz16GHz帶寬：0.1%10插入損耗：0.525dB(隨帶寬不同而不同)輸入輸出形式：SMA、N、L16等輸入輸出駐波：1.4:1溫度：-55+85同軸腔濾波器：同軸腔濾波器廣泛應用于通信、雷達等系統,按腔體

22、結構不同一般分為標準同軸、方腔同軸等。同軸腔體具有Q值高、易于實現的特點,特別適用于通帶窄、帶內插損小、帶外抑制高的場合。這類濾波器非常適合大規模生產，因此成本也非常低廉。但要在10 GHz以上使用時，由于其微小的物理尺寸，制作精度很難達到。具體的設計有方法負阻線子網絡構造了多腔耦合的同軸帶通濾波器電路模型；同軸腔體濾波器溫度補償法；階躍阻抗諧振器等。 主要由諧振腔、諧振導體、調諧釘組成主要由諧振腔、諧振導體、調諧釘組成無加載電容無加載電容 濾波器的結構（三）波導濾波器（三）波導濾波器主要性能指標：主要性能指標：頻率范圍：頻率范圍：1.71.726GHz26GHz帶寬：帶寬：0.1%0.1%2

23、020插入損耗：插入損耗：0.50.53dB(3dB(隨帶寬不同而不同隨帶寬不同而不同) )輸入輸出形式：輸入輸出形式：SMASMA、N N、L16L16等等輸入輸出駐波：輸入輸出駐波：1.3:11.3:1溫度：溫度：-55-55+85+85（三）波導濾波器（三）波導濾波器波導濾波器波導濾波器Q值高，插損小，溫度穩定性好，特別值高，插損小，溫度穩定性好，特別適合于窄帶應用。在適合于窄帶應用。在1.726GHz的頻率范圍內可實的頻率范圍內可實現現0.23.5帶通濾波，在各種要求高性能濾波特帶通濾波，在各種要求高性能濾波特性的軍用電子產品中被廣泛使用。波導濾波器中比性的軍用電子產品中被廣泛使用。波

24、導濾波器中比較常見的有兩種：金屬波導濾波器（直接耦合式）較常見的有兩種：金屬波導濾波器（直接耦合式）和基片集成波導濾波器。和基片集成波導濾波器。金屬波導濾波器：金屬波導濾波器由于其適用頻段高、插入損耗小、功率容量大、加工簡單,現在仍然被廣泛應用于微波工程領域,尤其在雷達系統的信號發射端,由于其較高的工作頻段和功率容量、使其相對于微帶濾波器和腔體濾波器,都有明顯的優勢。金屬波導濾波器實物圖基片集成波導濾波器：基片集成波導(Substrate integrated waveguide,簡稱SIW)是一種新型的平面化波導結構。SIW通過在介質的上下表面渡上導體,并周期性地在基片的兩側嵌入孔距較小的金

25、屬孔，這兩排金屬孔構成了波導的窄壁,上面表面的金屬涂層形成波導結構的長邊,因此可以起到和金屬壁一樣限制電磁波向外福射的效果,從而把電磁波限制在一定范圍內向前傳播。基片集成波導濾波器示意圖：文獻中的基片集成波導濾波器實物：（四）MEMS毫米波濾波器MEMS 是Micro Electro Mechanical System（微電子機械系統）的縮寫,它是一種智能系統,具備能量轉換和信息處理的能力,可以在類似于桂這樣的襯底材料上實現大批量加工生產，廣泛用于毫米波電路系統中。MEMS濾波器 基于MEMS 工藝的毫米波帶通濾波器, 該濾波器結構采用高阻硅作為襯底材料的薄膜支撐結構, 選用平行耦合濾波器形式。工藝流程工藝流程1. 上蓋板的制作上蓋板的制作ICP刻蝕3m2. 薄膜支撐基板制作薄膜支撐基板制作(L)成品 李倩、楊志、胡小東. MEMS 毫米波濾波器的設計與制作 J .微納電子技術 , 2010年3月, 第47卷第3期 http:/ 階躍阻抗諧振器(SIR)是由兩個以上具有不同特性阻抗的傳輸線組合而成的橫向電磁場或準橫向電磁場模式的諧振器。4型SIR是其中最具吸引力的一種形式。它既能減小濾波器尺寸，又能通過調節阻抗比來很好控制雜散頻率，實現濾波器小型化和寬阻帶的要求。