淺析超寬帶濾波器作用與設計方法

沈鉆　楊肖俊

摘 要：超寬帶濾波器不僅能應用于定位、探測、武器制導等軍事項目的微波電路，還可用于高速無線局域網等民用設備的微波電路，有著巨大的經濟價值。由此，超寬帶濾波器逐漸走入了研究者的視野。混合微帶/共面波導法和微帶多模諧振器法對超寬帶濾波器的設計意義重大，加強對其的研究可以進一步推動超寬帶濾波器的應用進程。

關鍵詞：超寬帶濾波器；混合微帶/共面波導法；微帶多模諧振器法

伴隨著科技革命的深入，無線通信技術及無線多媒體行業得到了高速發展，超寬帶技術逐漸步入了研究者的視野，越來越受到人們的關注。美國聯邦通訊委員會（FCC）于2002年批準了超寬帶技術在短距離無線通信領域的應用，規定了超寬帶濾波器的通帶帶寬為3.1GHz 到 10.6GHz，以中心頻率為 6.85GHz 為中心頻率，相對帶寬為110%。超寬帶濾波器以“兩高”“一低”“一抗”的優勢，贏得了巨大的市場價值和發展前景。“兩高”就是高速率、低功耗，“一低”就是功耗低，“一抗”就是抗干擾，這些特征構成了超寬帶濾波器獨特的價值魅力。

一、超寬帶濾波器的作用

美國軍方以及航空界對于開放超寬帶頻段民用仍然存在著意見分歧，但是由于超寬帶技術潛在的誘人的應用前景，超寬帶系統及其器件研究、超寬帶技術產品的商業化還是有序進行著。為了便于管理，美國聯邦通訊委員會科學劃分了超產帶系統，主要分為了三大類：一是成像系統。成像系統主要指地面穿透雷達系統、墻壁成像系統、墻壁穿透成像系統、監視系統和醫療成像系統。二是車載雷達系統。三是室內超寬帶系統。美國聯邦通訊委員會不但對超產道系統進行了劃分，而且還規定了不同通信系統使用頻帶范圍。目前，備受研究者、研究機構關注的是室內超寬帶系統，該系統具有巨大的商業價值。

根據美國聯邦通訊委員會的規定，室內超寬帶通信系統使用的頻帶為3.1GHz～10.6GHz。超寬帶濾波器作為超寬帶通信系統如接收機前端的重要核心部件，其性能的優劣直接影響整個通信系統的質量。微波集成電路小型化對超寬帶濾波器提出了新的要求，只有性能好、體積小、結構緊湊且便于集成于互聯的濾波器，才能有效發揮其功能與作用。超寬帶系統采用的是脈沖方式傳輸信息，由于脈沖信號產生和消失時間非常短暫，因此要求整個系統具有較小并平坦的群時延特性，濾波器也必須滿足此要求。由于射頻低端大多已被使用于現代無線通信中，因此美國聯邦通訊委員會對低頻端的使用有相當嚴格的要求，超寬帶濾波器可以將帶寬嚴格限制在美國聯邦通訊委員會規定的范圍之內，超寬帶濾波器的價值得到了凸顯。

二、超寬帶濾波器的設計方法

超寬帶濾波器隨著超寬帶技術的發展不斷向前推進，設計方法、設計理論也日益多樣化，綜合看來，筆者認為超寬帶濾波器的的主要設計方法有以下兩種。

1.混合微帶/共面波導法。混合微帶/共面波導法的優點主要有兩個：一是可以使電路更加緊湊。該方法可充分利用微帶線上下兩層空間，完善電路系統結構，使得電路系統更加的精干。二是可以滿足現實所需要的強耦合。該設計可以微帶與共面波導正對，兩者間的電磁場耦合非常強，可方便實現所需要的強耦合。混合微帶/共面波導法最為常見的是微帶饋電共面波導諧振器超寬帶濾波器。另一種常用的混合結構是共面波導饋電，微帶諧振器產生通帶。共面波導的間隙寬度影響傳輸線特性阻抗，從而可用來改變耦合線的阻抗，來控制諧振器各諧振峰的位置。然而共面波導饋電很難實現源負耦合，從而阻帶特性不如微帶饋電的濾波器。微帶/共面波導混合結構可以結合多模濾波器設計方法，可以得到結構更緊湊的濾波器，但是這種設計方法也存在阻帶特性不夠好等問題。

2.微帶多模諧振器法。多模諧振器是指在通帶內有多個諧振模式的諧振器，它由兩端相同的高阻抗段和中間一個低阻抗段的階梯阻抗結構構成，各個部分的初始電長度分別為所需設計多模諧振頻率的和波長，根據具體的濾波器結構對其電長度進行調節，可以獲得所需要的濾波特性。多模諧振器有很多種形式，其中最早應用于超寬帶濾波器的為半波長階躍阻抗諧振器（SIR）。半波長階躍阻抗諧振器的原理是利用阻抗比和電長度來控制基頻和諧波位置，使得諧振器的前3個諧振點分布于整個超寬帶內，然后通過平行耦合線饋電，實現平坦的超寬帶帶通特性。SIR為了得到較強的耦合，對平行耦合線寬與間距有著嚴格的要求，通常為0.05 mm，這就使得實現的難度大大增加。濾波器帶寬雖然達到了要求，但是其邊帶不夠陡峭，離FCC室外輻射掩蔽的要求還存在不小的差距。

總之，目前超寬帶濾波器普遍存在著帶外抑制差以及矩形系數較差的特點，但隨著新技術、新材料、新方法、新需求的不斷出現，定會將超寬帶濾波器的研究開展得更加的深入和成熟。

參考文獻：

[1]Federal Communications Commission. Revision of Part 15 of the Commissions Rules Regarding Ultra-Wide band Transmission Systems [R]. USA：FCC，2002.

[2]官雪輝，陳 鵬，劉海文，蔡 鵬.超寬帶濾波器的研究現狀與進展[J].華東交通大學學報，2011（1）：7-14.

[3] LI K，KURITA D，MATSUI T. A novel UWB band pass filter and its application to UWB pulse generation [C]//IEEE International Conference on Ultra-Wideband，Zurich，Switzerland，2005：446-451.

[4]ZHU L，SUN S，WOLFGANG M. Ultra-Wideband（UWB）bandpass filters using multiple-mode resonator [J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2005，15（11）：796-798.