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微波滤波器

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微波滤波器的发展历程

1915 年，德国科学家 K.W.Wagn-er 开创了一种以“瓦格纳滤波器”闻名于世的滤波器设计方法，与此同时，在美国，G.A.Canbell 则发明了另一种以图像参数法而知名的设计方法。1917 年，两国的科学家分别发明了 LC 滤波器，次年美国第一个多路复用系统面世。从此许多科研人员开始积极地和系统地对采用集总元件电感和电容的滤波器设计理论的研究。随着滤波器设计理论的深入研究、材料领域的不断进步及工作频率的日益升高，滤波器设计由原先的集总参数元件滤波器逐渐扩展到分布参数元件滤波器。1939 年， P.D.Rich-temeyer 报道了介电滤波器，由于当时材料的温度稳定性不高使用该种滤波器不足以实际应用。20 世纪 70 年代以来，随着陶瓷材料的发展，介电滤波器的应用得到了迅速发展。近年来，小型化的趋势促进了各种类型微带滤波器的发展。20 世纪 80 年代，出现了高临界温度超导材料，被认为极有可能用于设计出极低损耗和极小尺寸的新颖微波滤波器。目前，高温超导滤波器已逐步使用在军事和商业领域。

微波滤波器的概述

微波滤波器，作用是控制信号的频率响应，使有用的信号频率分量几乎无衰减地通过滤波器，而阻断无用信号频率分量的传输。微波滤波器分低通、高通、带通和带阻四种类型（高通常用宽频带的带通滤波器代替），它们的结构、参数和设计方法因不同的工作频率、频带宽度、功率容量等指标而有显着差别。在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响，因此如何设计出一个具有高性能的滤波器，对设计微波电路系统具有很重要的意义。微带电路具有体积小，重量轻、频带宽等诸多优点，近年来在微波电路系统应用广泛，其中用微带做滤波器是其主要应用之一。

微波滤波器的分类

微波滤波器的分类方法很多，根据通频带的不同，微波滤波器可分为低通、带通、带阻、高通滤波器；按滤波器的插入衰减地频响特性可分为最平坦型和等波纹型；根据工作频带的宽窄可分为窄带和宽带滤波器；按滤波器的传输线分类可分为微带滤波器、交指型滤波器、同轴滤波器、波导滤波器、梳状线腔滤波器、螺旋腔滤波器、小型集总参数滤波器、陶瓷介质滤波器、SIR(阶跃阻抗谐振器)滤波器、高温超导材料等。

微波滤波器的主要参数

插入衰减（IL）：传输功率 PL 与输入功率 Pin 之比，以 dB 为单位，表示为：
式中丨Γin丨是输入端的反射系数。
波纹：表示相应幅度的最大值与最小值之差，以 dB 为单位。
带宽：对于带通滤波器，定义为通带内对应于 3dB 衰减量的上变频与下变频的频率差，即
阻带抑制：通常以 60dB 作为阻带抑制的设计值。
品质因数（Q）：定义为在谐振频率下，平均储能与一个周期内平均耗能之比。Q 描述了滤波器的频率选择性，越高， Q 带宽越窄，谐振曲线越尖锐，频率选择能力越强。各种品质因素的关系为：
式中总功耗（对应有载品质因素 QLD ）包含滤波器的功耗（对应无载品质因数 QF ）及外界负载的功耗（对应外部品质因素 QE ） QF 越高，插入损耗 IL 越低。

微波滤波器的发展趋势

阶跃阻抗谐振器滤波器：阶跃阻抗结构的传输线谐振器久为人知，但一般用阻抗变换器。阶跃阻抗谐振器是由两个以上具有不同特性阻抗的传输线组合而成的横向电磁场或准横向电磁场模式的谐振器。根据此谐振器设计的带通滤波器比一般的发夹线微带滤波器尺寸小一半以上，此外，通过调节耦合线段与非耦合线段的阻抗比，还可以控制寄生通带在频率轴上的位置，从而具有较好的抑制谐波性能。另外，此谐振器与已知的平行耦合线、发夹型、交指型等结构相结合，又能设计出满足不同性能要求的滤波器。在基于多媒体的全球个人通信系统中将表现出极大的优越性。
有源微波滤波器；蜂窝通信、GPS 和电视广播等微波系统，一般要求使用低价格、高性能、全集成的商用收发设备。但该频段的集成谐振器的 Q 值较低、损耗较高。利用有源器件的负阻特性去抵消谐振电路的损耗来改善 Q 值，是微波有源滤波器的基本原理， Q 值得改善降低了滤波器的通带消耗提高了阻带抑制，使矩形系数得到了明显改善。微波有源滤波器的目的是不失真地通过所要求的通带信号，同时尽可能大地抑制不需要的阻带信号。因此，研究和发展微波有源滤波器是实现该频段低损耗和高性能微波集成滤波器的重要手段，具有很大的市场潜力。
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