微波滤波器小型化技术研究_谭小花

２０１３年２月第３６卷第１期

舰船电子对抗

ＳＨＩＰＢＯＡＲＤＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＣＯＵＮＴＥＲＭＥＡＳＵＲＥ　　　

Ｆｅｂ．２０１３

Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．１

微波滤波器小型化技术研究

谭小花１，金宝龙１，钱志芳１，张荣君２

（）中国电子科技集团公司第５上海２复旦大学，上海２１．１研究所，０１８０２；２．００４３３

摘要：阐述了现代微波滤波器小型化技术的发展，分析了雷达对抗装备的需要、滤波性能、可嵌入性、工艺性等设计

要素，研究了采用阶跃阻抗谐振器、慢波结构、高介电常数材料和低温共烧陶瓷（的几种小型化结构，利用ＬＴＣＣ）试验结果对今后的工程设计方案有一定的指导意义。Ａｎｓｏｆｔ软件进行建模和仿真，

关键词：微波滤波器；小型化；阶跃阻抗谐振器；慢波结构；低温共烧陶瓷

（）中图分类号：ＴＮ７１３．７　　　　　　　文献标识码：Ａ　　　　　　　文章编号：ＣＮ３２１４１３２０１３０１００８３０５－－－

ＲｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｏＴｈｅＭｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｏｆＭｉｃｒｏｗａｖｅＦｉｌｔｅｒ　　　　　　ｇｙ　

１１１２

，ＴＡＮＸｉａｏｈｕａＪＩＮＢａｏｌｏｎＱＩＡＮＺｈｉｆａｎＺＨＡＮＧＲｏｎｕｎ　－　－　－　－ｇ，ｇ，ｇｊ

（；１．Ｔｈｅ５１ｓｔＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＥＴＣ，Ｓｈａｎｈａｉ２０１８０２，Ｃｈｉｎａ　　　　　　ｇ

，）２．ＦｕｄａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔＳｈａｎｈａｉ２００４３３，Ｃｈｉｎａ　　ｙｇ

：ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｉｓａｅｒｅｘａｔｉａｔｅｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｏｆｍｏｄｅｒｎｍｉｃｒｏｗａｖｅｆｉｌｔｅｒｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈ　　　　　　　　　　－ｐｐｐｐ

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，，ｕｓｅｓｓｔｅｅｄｉｍｅｄａｎｃｅｒｅｓｏｎａｔｏｒ（ＳＩＲ）ｓｌｏｗ－ｗａｖｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈｉｈｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔｍａｔｅｒｉａｌａｎｄ　　　　　　　　ｐｐｐｇ，ｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｃｏｆｉｒｅｄｃｅｒａｍｉｃ（ＬＴＣＣ）ｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｍｅａｎｓｏｆＡｎｌｏｗｅｒｆｏｒｍｓ　　－　　　　　　　－ｐｇｙｐ　　ｓｏｆｔｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｅｘｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｈａｖｅｄｅｆｉｎｉｔｅｕｉｄａｎｃｅｍｅａｎｉｎｆｏｒｆｕｔｕｒｅｅｎｉｎｅｅｒｉｎｄｅｓｉｎ　　　　　　　　　ｐｇｇｇｇｇ　　ｒｏｅｃｔ．ｐｊ

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３］

。１谐振器［二９８９年，Ｓａａｗａ等提出四分之波长、ｇ

０　引　言

微波滤波器的小型化、集成化、便捷化是现代武现代雷达侦察设备在器装备发展的重要方向之一，

要求其微波接收前端的电性能优异的同时，也需要其结构上高度集成，并严格控制尺寸和重量。所以小型化的微波滤波器是目前元器件研究开新型化、发的重要目标。

传统的平行耦合线式滤波器由一系列半波长谐振器级联而成，虽然其印刷电路形式相对简单，但体积较大，并且其阻带特性也不十分理想，在ω＝２ω０处稍有失谐，就会出现寄生通带

［］１２－

，分之波长和全波长的阶跃阻抗谐振器（既减ＳＩＲ）小了电路尺寸又将滤波器的寄生通带移至频率更高

４］

。与此同时，端［各种新颖的微型结构大量涌现，比［５］６］７］

）、如：缺陷地结构（慢波结构［及双模结构［ＤＧＳ

等。另外，近年来新材料和新技术的出现也刺激了滤波器小型化技术的飞速发展，如高温超导材料

［［８］９］

（）、、低温共烧陶瓷（微机电系统技ＨＴＳＬＴＣＣ）

）术（等。ＭＥＭＳ

总之，这些年人们对微波滤波器的小型化技术本文致力于探索与研究采进行了很多方面的探究，

用阶跃阻抗谐振器、慢波结构、高介电常数材料、多层技术等结构滤波电路的设计，以求对微波滤波器

。Ｃｒｉｓｔａｌ和

形成发夹线Ｆｒａｎｋｅｌ将半波长的开路谐振器折叠，

收稿日期：２０１２０９２６－－

基金项目：国家自然科学基金项目，项目编号：１１７４０５８

８４

的工程应用提供有价值的参考。

舰船电子对抗　　　第３６卷　

１　微波滤波器小型化技术分析

鉴于前文所提到的多种当前滤波器小型化手本文着重讨论以下几种新技术，并通过Ｅ段，ＤＡ软件建模仿真来研究它们在微波电路上的应用。（）采用阶跃阻抗谐振器（形式。Ｓ１ＳＩＲ）ＩＲ由

在传输２个以上不同特性阻抗的传输线组合而成，线上波的传输模式为横电磁波或者准横电磁波（。它的显著特点就是简单，用任何一种形式ＴＥＭ）

的传输线均能实现。但当频率偏离中心时，其电长度不再是，变换特性也随之恶化。它对频率的敏

２

２］

。使它仅适合于窄带运用［感，

）采用Ｄ（２ＧＳ慢波结构。ＤＧＳ是在传输线的１０］

。电磁波在缺陷金属接地板上刻蚀缺陷实现的［

地结构中传播时，某些频带内的电磁波将被禁止，即同时形成一种慢波结构，具有ＤＧＳ具有阻带特性；

慢波特性。由于慢波结构，电磁波的有效波长增加，因此使用ＤＧＳ可以获得更紧凑的电路结构设计。（）采用高介电常数材料。高介电常数材料作３

可以减小微带滤波器介质基片或填充腔体滤波器，

１１］

。这是因为波导波长与介电传统滤波器的体积［

日本的Ｍ８０年代初期，ａｋｉｍｏｔｏ和Ｓ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ等

人才把阶跃阻抗结构用于滤波器的设计。图１所示的均匀阻抗谐振器ＵＩＲ的谐振频率一般只决定于

并在两倍频处会出现寄生通带。而谐振器的长度，

使用ＳＩＲ谐振则可通过改变阻抗比来控制谐振器的谐振器频率和高次谐波，把滤波器的寄生移到更高频段

。

图１　ＵＩＲ和ＳＩＲ谐振器结构

／２．１．１　１２λ０短截线带通滤波器

谐带通滤波器中的串联或并联电感电容（ＬＣ）／／振电路可以利用１２λ４λ０或１０的短路或开路线／取代。１２λＣ谐振电路，０短路线可等效为串联Ｌ／／同样地，１２λＣ共振电路；１０开路线等效为并联Ｌ

／４Ｃ共振电路，１４λλ０开路线可等效为串联Ｌ０短路线可等效为并联Ｌ这些概念对于设计Ｃ共振电路，电路相当有用。经由上述原理，设计带通滤波器可／／利用１２λ４λ０开路及１０短路短截线来实现。若／／考虑电路尺寸，使用１４λ２λ０短路短截线优于１０／开路短截线。然而，使用１４λ０短路短截线必须将电路贯孔。这样一来不但在制作过程中多增添了一道手续，同时还会给电路本身带来不确定性而导致误差的产生。为了避免这些问题的产生，决定使用／１２λ０开路短截线来设计带通滤波器。图２所示为

／１２λ０短截线带通滤波器及其等效电路

。

常数成反比，介电常数越大，波导的波长就会越短，而一般滤波器都是由二分之一波长或四分之一波长谐振器构成的，因此，采用高介电常数材料能有效减小滤波器的体积。

（４）采用ＬＴＣＣ多层技术。低温共烧陶瓷

（技术的出现，使微波器件小型化得到快速ＬＴＣＣ）

如低通／高通／带通滤波器、双工器等叠层微波发展，

器件获得广泛应用。ＬＴＣＣ技术结合共烧技术和厚膜技术的优点，所有电路被叠层热压并一次烧结，节省了时间，降低了成本，也减小了电路的尺寸；而对于射频微波领域，更重要的是它具有高品质因数、高稳定性、高集成度等优点。因此ＬＴＣＣ成为民用和军品电子系统理想的选用材料。

２　滤波器小型化设计方法与实例

２．１　采用阶跃阻抗谐振器（ＳＩＲ）

是一种非常有用的谐ＳＩＲ的微带形式如图１，振器结构。在微波电路中，为了解决阻抗不同的元件、器件相互连接而又不使其各自的性能受到严重的影响，常用到各种形式的ＳＩＲ。然而直到２０世纪

／图２　１２λ０短截线带通滤波器及其等效电路

由图３可知，带通滤波器的中心频率为

，通带插损小，约为－０且回波损耗４．５ＧＨｚ．２０ｄＢ，

都低于－１但这种滤波器在通带外的高次谐波０ｄＢ，。靠得很近，电路的尺寸偏大（２０ｍｍ×６０ｍｍ）

图４　传输线及其等效电路

／／，例如ω且特性ｌｖ＜π４）　　如果该传输线够短（

／阻抗很高，则Ｘ≈Ｚ其等效电路中只ｌｖ，Ｂ≈０，０ω有１个串联感抗Ｘ；如果该传输线够短，且特性阻抗／很低，则Ｘ≈０，其等效电路中只有１个Ｂ≈Ｙ０ｌων，

并联电容。由高阻抗线与低阻抗线结合而成的ＳＩＲ如图５所示，高阻抗（ＺＺｈ为高阻抗）线可近０＝Ｚｈ，而并联电容用低阻抗（似为一串联电感，ＺＺ０＝Ｚｌ，ｌ

／为低阻抗）线近似，应参考ＺｈＺｌ的比值越高越好，

／图３　１２λ０短截线带通滤波器的仿真结果图

其实际加工能力

。

２．１．２　ＳＩＲ联接线带通滤波器

在微波波段，传输线应看作分布参数电路，只有才可近似地看作集总参数当其长度远小于波长时，

１］

，／通常选其长度ｌ＜λ或折算为电长度元件［８，

／／（。其中ｖ为波速）图４中串联元件为正电ｌｖ＜π４ω

抗即电感，而并联元件为负电抗即电容，有＝Ｚ０·

２

图５　ＳＩＲ及其等效电路

因为传输线的长度必须够短（通常选其长度ｌ＜／），所以电路尺寸大大缩小。对应的带通滤波器８λ

电路及其仿真结果如图６所示

。

ＢＹｓｔａｎ≈Ｚｎ≈Ｙ０｜｜＜，＝０ｉ０２ｖ２ｖｖ４ｖｖ其中Ｘ为感抗，ＺＢ为容抗

。０为阻抗，＜，ｖ４

图６　ＳＩＲ带通滤波器及其仿真结果

／相对于传统的１２λ　　由图６可知，０短截线带通滤波器，二ＳＩＲ联接线带通滤波器的带外抑制更高，次谐波被抑制使得阻带更宽，更重要的是，电路尺寸缩小至１缩小比例高达７４ｍｍ×２４ｍｍ，０％。

）慢波结构２．２　采用缺陷地（ＤＧＳ

是光子带隙结构的一种ＤＧＳ起源于光波领域，

新的发展形式。它是在传输线的金属地平面上蚀刻

［０］

，规则的几何图形和缝隙作为Ｄ相ＧＳ单元结构１

当于在传输线上引入等效电感和电容，改变了接地板上的电流分布及传输线的传输特性，使其具有了带隙特性和慢波特性。慢波结构中波导波长短，因此慢波结构可以减小传统滤波器的体积。

被广泛应用ＤＧＳ作为近年来的研究热点之一，于设计低通、带通和带阻滤波器。它能在不影响通

带性能的同时，有效地抑制高次谐波，拓宽了阻带范围。另外，ＤＧＳ是在微带板的接地面上蚀刻的简单结构，不增加原微波结构的尺寸，从而节省了电路尺，实例中的电路尺寸为２很适宜寸（０ｍｍ×１４ｍｍ）微波集成小型化的需求。图７所示为一种采用了哑铃型ＤＧＳ的带通滤波器电路及其仿真结果

。

图７　哑铃型ＤＧＳ带通滤波器及其仿真结果

２．３　采用高介电常数材料

由于谐振器的波长与ε谐振器εｒ成反比，ｒ越大，

／／的波长就越短，而一般滤波器都是由１２４λλ０或１０谐振器构成的，因此采用高介电常数材料可以有效减小滤波器的体积。

）图８为一种采用了高介电常数材料（９．８εｒ＝

／的１２．１．１节中低λ０短截线带通滤波器电路与原２）时的电路，介电常数（图９为该电路的仿．５５εｒ＝２显然，采用高介电常数材料能在几乎不增加真结果。

１１］

。通带插损负担的情况下，大大缩减电路尺寸［

／）图９　１带通滤波器的仿真结果图２λ９．８ε０短截线（ｒ＝

多维设计空间。比方说层叠片式ＬＴＣＣ微波滤波器就是一种新型的滤波器，它最早出现于２０世纪而国内直到最近几年，才开始对其进行８０年代初，

研究。层叠片式Ｌ不但在同一ＴＣＣ微波滤波器中，层中存在电磁耦合，在垂直的层与层之间也存在着电磁耦合，有些层与层之间由通孔相互连接。基于

图８　高εεｒ与低ｒ带通滤波器电路对比图

低温共烧陶瓷的层叠结构设计可有效减小器件体积，是实现元器件向小型化、片式化、高可靠性和低成本发展的有效途径。

图１０为采用ＬＴＣＣ技术的多层带通滤波器及其仿真结果，其电路尺寸为２使微．４ｍｍ×４．２ｍｍ，

２．４　采用多层技术

相比较微带单层滤波器而言，多层滤波器能大大减小滤波器的体积，并为微带滤波

器的设计提供

第１期

波滤波器进一步微型化

。

谭小花等：微波滤波器小型化技术研究

８７

图１０　ＬＴＣＣ带通滤波器及其仿真结果

３　结束语

本文通过实例仿真详细阐述了采用阶跃阻抗谐、、慢波结构（高介电常数材料、多振器（ＳＩＲ）ＤＧＳ）层技术（等微波滤波器的小型化设计技术。ＬＴＣＣ）在这里还要说明一点，这些方法并不是孤立的，在设计滤波器时可以根据实际情况，灵活应用这些方法尽可能将它们结合起来，从而最大程度地减小滤波达到小型化的目的。比方说以高介电常数器体积，

材料为基板，设计一阶跃阻抗谐振器的带通滤波器，在其背面的接地面上蚀刻哑铃型ＤＧＳ以拓宽其阻由于微波滤波器的尺寸体积非常小，不仅带。当然，

谐振器之间，而且谐振器与周围的屏蔽导体之间的距离都很近，相互影响非常大，所以实际设计过程中必须充分考虑这些相互影响，才能最终达到设计目标。

随着电子系统沿着体积小、重量轻和性能高的方向不断发展，研制尺寸小的高性能微波滤波器便成了一项紧迫的技术课题。本文通过探索研究多种给今后微波滤波器的设微波滤波器的小型化技术，

计提供了一个有价值的参考。至于设计过程中关于谐振器与屏蔽导体之间距离的相互影响，有待进一步探索和总结。参考文献

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ａｒａｌｌｅｌｌｉｎｅｈａｌｆａｖｅｃｏｕｌｅｄｌｉｎｅｆｉｌｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　－ｗ　－－　ｐｐ，ｏｎＭｉｃｒｏｗａｖｅＴｈｅｏｒＴｅｃｈｏｌｏ１９７２，Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　　　ｙｇｙ　（）：２０１１７１９７２８．－

［４］ａａｗａＭ，ＭａｋｉｍｏｔｏＭ．Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄ　Ｓ　　　　ｇ

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，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭｉｃｒｏｗａｖｅＴｈｅｏｒＴｅｃｈｏｌｏ　　　　ｙｇｙ　（）：１９９５５３７１３７２．－

［］康琳．高温超导滤波器在现代移动通信领域的８　熊予莹，

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［］Ａ，１０ｈｎＤ，ＰａｒｋＪＫｉｍＣ．Ａｄｅｓｉｎｏｆｔｈｅｌｏｗａｓｓｆｉｌｔｅｒ　　　　　　　－ｐ　ｇ

ｕｓｉｎｔｈｅｎｏｖｅｌｍｉｃｒｏｓｔｒｉｄｅｆｅｃｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｏｕｎｄ　　　　ｇｐｇ　　［］Ｊ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭｉｃｒｏｗａｖｅＴｈｅｏｒＴｅｃｈｏｌ　　　　－ｙ　，（）：ｏ２００１，４９１８６９３．－ｇｙ

［］Ｙ１１ｏｓｈｉｈｉｒｏＫｏｎｉｓｈｉ．Ｎｏｖｅ１ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｗａｖｅｕｉｄｅｃｏｍｏ　　　－ｇｐ

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0ha4.html