浅析超宽带滤波器作用与设计方法

沈钻　杨肖俊

摘 要：超宽带滤波器不仅能应用于定位、探测、武器制导等军事项目的微波电路，还可用于高速无线局域网等民用设备的微波电路，有着巨大的经济价值。由此，超宽带滤波器逐渐走入了研究者的视野。混合微带/共面波导法和微带多模谐振器法对超宽带滤波器的设计意义重大，加强对其的研究可以进一步推动超宽带滤波器的应用进程。

关键词：超宽带滤波器；混合微带/共面波导法；微带多模谐振器法

伴随着科技革命的深入，无线通信技术及无线多媒体行业得到了高速发展，超宽带技术逐渐步入了研究者的视野，越来越受到人们的关注。美国联邦通讯委员会（FCC）于2002年批准了超宽带技术在短距离无线通信领域的应用，规定了超宽带滤波器的通带带宽为3.1GHz 到 10.6GHz，以中心频率为 6.85GHz 为中心频率，相对带宽为110%。超宽带滤波器以“两高”“一低”“一抗”的优势，赢得了巨大的市场价值和发展前景。“两高”就是高速率、低功耗，“一低”就是功耗低，“一抗”就是抗干扰，这些特征构成了超宽带滤波器独特的价值魅力。

一、超宽带滤波器的作用

美国军方以及航空界对于开放超宽带频段民用仍然存在着意见分歧，但是由于超宽带技术潜在的诱人的应用前景，超宽带系统及其器件研究、超宽带技术产品的商业化还是有序进行着。为了便于管理，美国联邦通讯委员会科学划分了超产带系统，主要分为了三大类：一是成像系统。成像系统主要指地面穿透雷达系统、墙壁成像系统、墙壁穿透成像系统、监视系统和医疗成像系统。二是车载雷达系统。三是室内超宽带系统。美国联邦通讯委员会不但对超产道系统进行了划分，而且还规定了不同通信系统使用频带范围。目前，备受研究者、研究机构关注的是室内超宽带系统，该系统具有巨大的商业价值。

根据美国联邦通讯委员会的规定，室内超宽带通信系统使用的频带为3.1GHz～10.6GHz。超宽带滤波器作为超宽带通信系统如接收机前端的重要核心部件，其性能的优劣直接影响整个通信系统的质量。微波集成电路小型化对超宽带滤波器提出了新的要求，只有性能好、体积小、结构紧凑且便于集成于互联的滤波器，才能有效发挥其功能与作用。超宽带系统采用的是脉冲方式传输信息，由于脉冲信号产生和消失时间非常短暂，因此要求整个系统具有较小并平坦的群时延特性，滤波器也必须满足此要求。由于射频低端大多已被使用于现代无线通信中，因此美国联邦通讯委员会对低频端的使用有相当严格的要求，超宽带滤波器可以将带宽严格限制在美国联邦通讯委员会规定的范围之内，超宽带滤波器的价值得到了凸显。

二、超宽带滤波器的设计方法

超宽带滤波器随着超宽带技术的发展不断向前推进，设计方法、设计理论也日益多样化，综合看来，笔者认为超宽带滤波器的的主要设计方法有以下两种。

1.混合微带/共面波导法。混合微带/共面波导法的优点主要有两个：一是可以使电路更加紧凑。该方法可充分利用微带线上下两层空间，完善电路系统结构，使得电路系统更加的精干。二是可以满足现实所需要的强耦合。该设计可以微带与共面波导正对，两者间的电磁场耦合非常强，可方便实现所需要的强耦合。混合微带/共面波导法最为常见的是微带馈电共面波导谐振器超宽带滤波器。另一种常用的混合结构是共面波导馈电，微带谐振器产生通带。共面波导的间隙宽度影响传输线特性阻抗，从而可用来改变耦合线的阻抗，来控制谐振器各谐振峰的位置。然而共面波导馈电很难实现源负耦合，从而阻带特性不如微带馈电的滤波器。微带/共面波导混合结构可以结合多模滤波器设计方法，可以得到结构更紧凑的滤波器，但是这种设计方法也存在阻带特性不够好等问题。

2.微带多模谐振器法。多模谐振器是指在通带内有多个谐振模式的谐振器，它由两端相同的高阻抗段和中间一个低阻抗段的阶梯阻抗结构构成，各个部分的初始电长度分别为所需设计多模谐振频率的和波长，根据具体的滤波器结构对其电长度进行调节，可以获得所需要的滤波特性。多模谐振器有很多种形式，其中最早应用于超宽带滤波器的为半波长阶跃阻抗谐振器（SIR）。半波长阶跃阻抗谐振器的原理是利用阻抗比和电长度来控制基频和谐波位置，使得谐振器的前3个谐振点分布于整个超宽带内，然后通过平行耦合线馈电，实现平坦的超宽带带通特性。SIR为了得到较强的耦合，对平行耦合线宽与间距有着严格的要求，通常为0.05 mm，这就使得实现的难度大大增加。滤波器带宽虽然达到了要求，但是其边带不够陡峭，离FCC室外辐射掩蔽的要求还存在不小的差距。

总之，目前超宽带滤波器普遍存在着带外抑制差以及矩形系数较差的特点，但随着新技术、新材料、新方法、新需求的不断出现，定会将超宽带滤波器的研究开展得更加的深入和成熟。

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