现代通信系统中的微波滤波器研究.docx

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文献综述

题 目 现代通信系统中

的微波滤波器研究

学生姓名 周杨

专业班级 通信工程

学 号 541007040154

院 （系） 计算机与通信工程学院

指导教师（职称） 李素萍

完成时间 2014年 4月 30日

现代通信系统中的微波滤波器研究

1 前言

随着科技不断进步，无线通信前所未有地融入到生活中，尤其以贴近日常应用的短距离无线数据业务更是迅速发展。

例如 GPS、WLAN、WiFi、UWB、Bluetooth等短距离无线通信等广泛应用，极大地推动了滤波器技术的快速发展，也对滤波器的性能提出了更高的要求。

同时，对应多频通信、宽带通信的多通带和宽带滤波器技术成为近年来的研究热点。

微波滤波器是现代微波中继通信、微波卫星通信、电子对抗等系统中必不可少的组成部分。

本文对各类微波滤波器的用途和发展过程作了分析, 微波滤波器及多工器在通信系统中占有十分重要的地位，并且也是大量使用的部件。

微波滤波技术广泛应用于卫星通信移动通信雷达系统导航系统电子对抗等，可谓无处不在，无时不有。

微波滤波技术的发展经历了多半个世纪，它可谓品种繁多，性能各异。

按频率响应特性，分低通高通带通带阻；按网络函数可分为最大平坦型、切比雪夫型、线性相位型、椭圆函数型；按加载方式分单终端滤波器形式双终端滤波器形式；按传输能量的形式分电磁波和声波形式；按工作模式分单模双模三模至多模；按频段分集总参数滤波器微波毫米波滤波器光波滤波器。

还有按功率按频带划分等等。

面对现代通信对滤波器性能要求日趋严格，微波滤波技术的发展朝着小体积（表面安装集成）、重量轻、低损耗、高可靠性、高温补性能、高隔离特殊函数（主要是椭圆函数、线性相位）及大功率综合特性滤波器。

目前，各个国家都在利用新型材料和新技术来提高器件的性能和集成度，但是就滤波器的小型化还存在很多问题。

2 通信系统中的微波滤波器

2.1 研究背景及意义

无线通信是一双无形的大手，它拉近了人与人之间的距离！

通信行业一直是最具活力的行业之一。

信息传递方式的进步，改变了人们的工作和生活方式，企业的生产方式，极大地促进了经济与社会的发展。

无线通信的产生，与人们对电磁波的认识和运用密不可分。

早在 1901 年，马可尼就利用电磁波实现了横跨大西洋的无线通信[1]。

但在 20 世纪初，由于缺少可靠的微波源和其它元件，无线电技术的发展主要局限于高频和甚高频范围。

直到20 世纪 40 年代，雷达技术的出现才使微波通信有了飞速发展[2-3]。

1947 年，美国贝尔实验室发明了双极型晶体管，取代了体积大且功耗高的真空管电子器件，引发了通信领域的一场革命。

此后，无线通信的业务范围快速拓展，从军事卫星通信到无线移动通信，从窄带语音通信到宽带综合业务通信，从模拟调制信号通信到数字调制信号通信；应用领域从军用的遥控指挥、探测制导、信息对抗、雷达跟踪，到民用的广播电视系统，全球卫星定位系统（GPS：

GlobelPositioningSystem），全球移动通信系统（GSM：

GlobelSystemforMobileCommunications）、无线局域网（WLAN：

 WirelessLocalAreaNetwork）等，通信系统越来越先进，通信业务也越来越多样化[4]。

20 世纪 90 年代，移动通信产业的繁荣为无线通信的发展注入了新的血液，其应用功能从最初的语音传输向文件传输、图像传输和多媒体传输等方向迈进。

在短短的二十年间，就已经从基于频分多址（FDMA）的第一代移动通信，发展到目前基于宽带码分多址（WCDMA）的第三代移动通信[5]。

无线通信技术的快速发展和人类信息化进程的日益加快，使人们一方面更加注重信息传输的速度与品质，另一方面也不断追求更加方便、快捷和形式多样的信息传递方式，这就给无线通信系统的关键部件——滤波器的发展带来了机遇和挑战[6-7]。

对于无线通信系统而言，滤波器是一种至关重要的射频器件。

滤去镜频干扰、衰减噪声、频分复用以及在高性能的振荡、放大、倍频和混频电路中，无不需要滤波器来实现。

随着无线通信的个人化、宽带化，越来越需要人性化和高性能的终端设备，促使了包括滤波器在内的射频元器件的微型化和可集成化，同时也产生了各种结构和性能的射频滤波器来进一步满足小体积、轻重量的系统要求[8]。

而在结构形式纷繁复杂、设计方法层出不穷的滤波器领域，研究者反而容易无适从，如何筛选和提炼出具有共性的设计方法，具有特别的指导意义。

2.2微波滤波器的发展历史和研究概况

2.2.1发展历史

早在 1910 年，载波电话系统的出现，使得电信领域引发了一场技术革命，开创了电信史的新纪元。

它的发展促成了在特定频带提取和检出信号的新技术的发展，这种技术也逐步演生为后来的滤波器技术。

1915 年，德国科学家 K .W .Wagner 提出了闻名于世的“瓦格纳滤波器”设计方法，同时美国科学家 G .A .Canbell 发明了后来被称为“图像参数法”的滤波器设计方法。

随着这些创新性突破，O .J .Zobel,R .M .Foster,W .Cauer 和 E .L .Norton 等众多知名的科学家开始系统地研究集总元件 LC 滤波器设计理论[9]。

1940 年形成了一种精确的滤波器设计方法：

第一步确定符合特定要求的传递函数；第二步由传递函数所估计的频率响应来综合出滤波器电路。

该方法高效准确，成为了现在许多滤波器设计方法的基础。

此后，无线通信向甚高频乃至微波频段的拓展，使滤波器由原来的集总元件谐振器扩展到各种分布元件谐振器，例如同轴谐振器、微带谐振器、波导谐振器等。

与此同时，材料科学的进步也极大地刺激了滤波器结构的更新换代[10-11]。

1939 年，P . D .Richtmeyer 首次提出了介电谐振器，它具有尺寸小和 Q 值高的优点，之后几十年逐渐成为射频和微波通信中最常见的谐振元件之一。

自 60 年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为 70 年代以后的主攻方向。

80 年代之后，移动通信的飞速发展，大大增加了滤波器的需求。

尤其，不断涌现的新技术和新材料也刺激了滤波器技术的快速发展，其中包括：

高温超导（HTS）、低温共烧陶瓷（LTCC）、微波单片集成电路（MMIC）、微机电系统和显微机械技术[12-14]等。

我国广泛使用滤波器是 50 年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。

经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。

2.2.2研究现状

1. 滤波器的综合理论不断发展

滤波器的网络综合，指的是预先给定滤波器的频率响应特性，选用可能的函数去逼近实现预先给定的频率响应，再采用网络元件去实现的一个过程。

根据采用的逼近函数不同，一般有 Butterworth 综合、Chebyshev 综合、椭圆函数综合等经典的滤波器设计方法，以及目前发展出的耦合矩阵综合和优化综合等方法。

 在微波滤波器理论的研究和发展过程中，许多专家和学者作出了重大的贡献。

G .L .Matthaei 在专著中对微波滤波器的经典设计方法做了比较全面和系统的介绍；S .B .Cohn 在集总低通原型基础上首次提出了简单实用的直接耦合谐振式滤波器理论；L .Young 在分布低通原型基础上将该理论推广到宽带和低带内纹波情形；R .Levy 综合了前两种方法的优势，给出了简单而准确的原型元件推导公式；S .O .Scanla 建立了线性相位滤波器理论；S .B .Cohn 第一次把计算机优化技术用于微波滤波器的设计；H .J .Orchard 提出了用于微波滤波器综合的迭代分析法；A .E .Atia 和 R .J .Cameron 先后提出了用耦合矩阵来综合滤波器的方法；S .Amari 则给出了耦合矩阵的梯度优化以及具有源和负载耦合的滤波器综合的通用迭代技术，这些都可以说是微波滤波器发展史上的重大突破。

70 年代以来，我国的老一代微波专家甘本祓、吴万春、李嗣泓和林为干等，在国外研究的基础上，对微波滤波器的设计理论和方法进行了补充和完善，为我国微波滤波器的研究奠定了良好的基础。

2. 滤波器形式的多样化

按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。

根据采用器件形式可以分为无源滤波器和有源滤波器。

据滤波器的频率响应，可以分为四种基本类型：

低通滤波器（LPF），高通滤波器（HPF），带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BSF）。

但是按照实现形式来分类，滤波器可以分为如下所示的很多种类。

随着无线通信向微波频段和更高的频段扩展，使滤波器由原来的集总元件谐振器扩展到各种分布元件谐振器，例如同轴谐振器、微带谐振器、波导谐振器等。

不同的形式利用于不同的方面，这是滤波器设计发展的重要体现[15]。

2.2.3发展趋势

在微波技术突飞猛进的发展过程中，微波滤波器主要的发展趋势可以概括为以下几点[11]：

（1）从个别应用到一般应用

单个空腔谐振器作为微波滤波器的基本单位，早期曾得到广泛应用。

但是随着信息技术的快速发展，微波系统中电子设备的增多、频谱的拥挤，促使各种复杂结构的滤波器在各类微波通信系统中得到普遍应用。

（2）设计方法由繁到简、从粗略到精确

过去人们用场的方法对一些简单的微波滤波器结构进行分析和设计，已感到相当的困难。

而现在却可以成套的应用现代网络综合理论和功能强大的仿真软件来分析和设计结构复杂的滤波器。

（3）型式多样和元件化、标准化

由于应用的广泛和设计制造工艺的进展，微波滤波器已从极少的几个产品中发展到数以百计的类型，一些常见的结构已经元件化和标准化。

（4）与其它有源或无源微波元件的结合日益密切

现在，微波滤波器已成为微波元件的主角之一，它不仅能完成本身的功能，而且还能替代其它一些微波元件的功能，或者把另外一些微波元件看成微波滤波器结构来设计。

随着半导体工艺的飞速进步及其向更高频率的发展，已使得微波滤波器技术也用于各种半导体器件中，如倍频器、变频器、放大器以及二极管相移器、开关和调制器等，在微波集成电路中它们结合成为一个整体。

（5）各种新材料、新工艺用于微波滤波器的设计和制造

微波材料的发展及其在微波滤波器中的应用，例如微波铁氧体、铁电体、等离子体、光子晶体、陶瓷材料、超导体以及低温共烧陶瓷材料，大大提高了滤波器的性能。

（6）向更高的频段发展

随着无线通信向更高频谱范围拓展，毫米波和亚毫米波的滤波器技术日趋成熟，而太赫兹、红外、光学等频段的滤波器技术也不断引起学者的研究兴趣。

（7）体积越来越小、集成度越来越高

随着移动通信技术的快速发展，对适合移动通信的滤波器的需求也越来越大，但小型化和集成化的要求也越来越高。

总之，无线通信的发展刺激了微波滤波器的技术进步，而微波滤波器的技术革新也必将给无线通信产业的发展注入新的活力。

3交叉耦合及广义切比雪夫滤波器综合

3.1交叉耦合的基本理论

随着滤波器的指标要求越来越高，高选择性、小尺寸、窄过度带和高带外抑制度的滤波器变得越来越重要。

通常在不相邻的谐振腔中引入额外的交叉耦合，会得信号有多条通路，从而在阻带产生有限个传输零点，零点的引入可以缩短过度带，提高滤波器特性，通过这种方法可能有效减少滤波器的阶数，减小设计尺寸，从而满足特定的设计要求。

由于其优点，交叉耦合谐振滤波器的综合和设计开始得到广泛的研究。

交叉耦合滤波器的综合[9]是基于广义切比雪夫函数的，通过自己综合交叉耦合滤波器多项式，提取耦合矩阵，经过变换，最终得到可实现的物理结构。

图 3-1所示为交叉耦合滤波器网络。

图3-1所示电路的阻抗矩阵为

其中，i1、i2 …in是各个谐振回路的电流，e 1是激励电压源，M为耦合系数，s=j（