星载微波无源滤波器技术发展分析

王琼 胡冬冬 党丽芳 赵云鹏

摘   要：微波无源滤波器是微波射频器件中重要的一类，在微波技术中占有非常重要的地位，同时是星载设备非常重要的组成部分，其性能决定着地面发射的信号是否能够有效地进行接收、放大等处理。本文分析选取抗低通滤波器、螺旋滤波器、可调滤波器、介质滤波器、高功率滤波器、双通带滤波器、微带及LTCC滤波器和超宽带滤波器等八大技术作为分析对象，对该领域相关技术进行分析，进而获得关键技术方案和发展方向。

关键词：微波  无源滤波器  星载  专利分析

中图分类号：TN713                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）07（c）-0097-03

1  无源滤波器技术发展趋势分析

如图1，无源滤波器技术专利申请1999—2000年达到阶段性高峰，研究主要集中在介质滤波器，技术成果众多得益于新技术理论不断地涌现，如1995年美国专利US5382931A首次提到在低温共烧陶瓷（LTCC）上实现了多层介质滤波器，该专利先后被70篇文献所引用，至今仍被引用。2009—2012年无源滤波器的专利申请开始有所起伏，总体呈现震荡上升趋势。2012年高峰期后专利申请开始下降，技术进入成熟期，推测一是因为无源滤波器技术发展越来越成熟，理论和结构的创新越来越少;二是对于一些新材料和多层结构的滤波器关键技术始终无法突破，造成专利申请较少。美国专利在各领域申请量相当，尤其最先理论多由美国企业提出。日本专利申请主要集中在微带及LTCC滤波器上，以富士通申请为主，申请高峰集中在2009年左右。中国专利主要集中在基片集成波导上，并且在2009年以后，中国在专利申请上出现赶超美国和日本的趋势，中国在微波无源器件研发投入巨大，参与机构多达160家[1-2]。

2  无源濾波器技术构成与产地分析

如表1，无源滤波器八个技术分支中，介质滤波器共申请专利440件，主要申请来自日本的254件，占到介质滤波器专利总量的58%。通过重点专利分析，介质滤波器是实现无源滤波器小型化的重要方式之一，而且民用产品较多，市场化充分。

高功率滤波器和可调滤波器分别申请296件和227项，主要来自美国，该领域核心专利多由美国创造。通过重点专利分析发现，高功率滤波器主要是通过多模方式和加入减少损耗的元素来提高滤波器输出功率。美国军方对可调滤波器的研发相当重视，重点支持了一些研发项目，如洛克马丁公司专利US4338582A，记载了一种用于微波频率的可调滤波器，美国军方合同号为N00173-77-C-0201，说明专利已应用于美军军方型号，借鉴意义较大[3]。

3  无源滤波器小型化技术路线跟踪分析

星载无源滤波器小型化关系到星载微波器件的载重和成本问题，对星载设备的可靠性、长寿命以及有效载荷具有重要意义。本节将从无源滤波器小型化出发，力争能够梳理出无源滤波器小型化的主要技术手段和未来发展趋势。如图3，本小节将通过引证关系等手段进行技术路线分析，其中图中带箭头的连接线表示专利和文献之间不仅存在技术继承性而且存在相互引用关系，非箭头连接线表示技术上存在继承性，专利文献之间不存在引用关系。

3.1 缺地陷结构DGS

如图2，1999年专利KR2002004314A和专利KR2002044748A中首次提出DGS结构以及如何利用DGS结构制作滤波器。2002年AHN在KR2002044748A的基础上首次提到了螺旋形DGS结构，可提高了等效电感，降低了谐振频率。2005年专利KR623517B在DGS结构的基础上提出了槽线加载结构，并给出了其等效电路模型。2007年专利KR858970B1中首次提到在共面波导（CPW）上并在该技术的基础上，通过在共面波导上刻蚀回形凹槽结构，实现了带宽为0.8GHz左右，中心频点为1.2Ghz的带阻滤波器。2009—2010是DGS结构大量应用的时期，出现了非对称DGS结构级联型滤波器和两个DGS结构组成低通滤波器登。2014年专利KR1530964B1中记载了一种基于基片集成人工介质、并具有DGS结构的微带传输线，该微带传输线可用于制作超高频滤波器。

通过分析，基片集成技术以及LTCC等新工艺和新技术与DGS结构结合将使得DGS结构更加的小型化，是未来的主要发展趋势[1-5]。

3.2 多层结构

20世纪90年代，美国和日本开始将波导集成于平面电路方面开展研究，1995年专利US5382931A中提到低温共烧陶瓷（LTCC）上利用金属化通孔实现多层介质的滤波器，该技术被70篇文献所引用。2003 年平面与非平面波导集成化—基片集成波导（SIW）的全新概念被提出，开始了真正将集成波导技术应用在滤波器上;同年，中心频率为28GHz的金属通孔耦合的三阶切比雪夫带通滤波器通过利用基片集成波导结构实现，从此很多研究者开始了利用普通金属波导带通滤波器的设计理念来研究SIW滤波器。2005年专利CN2796131Y中提出了半模基片集成波导的概念，并将其应用在椭圆滤波器上，半模基片集成波导具有可以比SIW结构减少一半的电路面积，而电路性能可以保持基本一致。2008年以折叠基片集成波导为平台设计的波导带通滤波器被提出，结构更为紧凑。2011年专利CN102361113A首次提出了硅基多层腔体滤波器，利用硅材料的优异机械性能以及硅微机械加工技术的灵活性，实现了具有极小辐射损耗的腔体滤波器，新技术的探索应用。2014年在SIW传输特性基础上，高性能的微波毫米波滤波器问世。2015年超高频波段LTCC双工滤波器，成功应用于超高频波段的移动通信、北斗导航系统等通信卫星中。

未来无源微波器件的多层化、多层元件片式化、片式元件集成化将成为小型化发展的主要方向[1-3]。

4  结语

技术的发展对通信卫星的性能、体积与重量要求越来越严格，而采用具备优良性能的无源微波滤波器件将是必然选择，通过本文分析希望能够对国内该领域的技术发展有所借鉴。

参考文献

[1] 顾墨琳，林守远.微波集成电路技术—回顾与展望[J]. 微波学报，2000（3）：278-290.

[2] 应鲁曲.高温超导微波无源器件及其应用[J].微波与卫星通信，1999（4）：7-12.

[3] Sagawa.Morikazu. Miniaturized hairpin resonator filters and their application to receiver front-edn MIC. IEEE，1989.

[4] 张先荣.微波腔体无源器件关键技术研究[D].电子科技大学，2013.

[5] 王瑞.微波无源器件综合与诊断技术研究[D].电子科技大学，2012.