沈鉆　楊肖俊

摘 要：超寬帶濾波器不僅能應(yīng)用于定位、探測、武器制導(dǎo)等軍事項目的微波電路，還可用于高速無線局域網(wǎng)等民用設(shè)備的微波電路，有著巨大的經(jīng)濟(jì)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(dǎo)法和微帶多模諧振器法對超寬帶濾波器的設(shè)計意義重大，加強(qiáng)對其的研究可以進(jìn)一步推動超寬帶濾波器的應(yīng)用進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：超寬帶濾波器；混合微帶/共面波導(dǎo)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(shù)及無線多媒體行業(yè)得到了高速發(fā)展，超寬帶技術(shù)逐漸步入了研究者的視野，越來越受到人們的關(guān)注。美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）于2002年批準(zhǔn)了超寬帶技術(shù)在短距離無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用，規(guī)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(yōu)勢，贏得了巨大的市場價值和發(fā)展前景?！皟筛摺本褪歉咚俾省⒌凸?，“一低”就是功耗低，“一抗”就是抗干擾，這些特征構(gòu)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(shù)潛在的誘人的應(yīng)用前景，超寬帶系統(tǒng)及其器件研究、超寬帶技術(shù)產(chǎn)品的商業(yè)化還是有序進(jìn)行著。為了便于管理，美國聯(lián)邦通訊委員會科學(xué)劃分了超產(chǎn)帶系統(tǒng)，主要分為了三大類：一是成像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)主要指地面穿透雷達(dá)系統(tǒng)、墻壁成像系統(tǒng)、墻壁穿透成像系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)和醫(yī)療成像系統(tǒng)。二是車載雷達(dá)系統(tǒng)。三是室內(nèi)超寬帶系統(tǒng)。美國聯(lián)邦通訊委員會不但對超產(chǎn)道系統(tǒng)進(jìn)行了劃分，而且還規(guī)定了不同通信系統(tǒng)使用頻帶范圍。目前，備受研究者、研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的是室內(nèi)超寬帶系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有巨大的商業(yè)價值。

根據(jù)美國聯(lián)邦通訊委員會的規(guī)定，室內(nèi)超寬帶通信系統(tǒng)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(tǒng)如接收機(jī)前端的重要核心部件，其性能的優(yōu)劣直接影響整個通信系統(tǒng)的質(zhì)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(jié)構(gòu)緊湊且便于集成于互聯(lián)的濾波器，才能有效發(fā)揮其功能與作用。超寬帶系統(tǒng)采用的是脈沖方式傳輸信息，由于脈沖信號產(chǎn)生和消失時間非常短暫，因此要求整個系統(tǒng)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(xiàn)代無線通信中，因此美國聯(lián)邦通訊委員會對低頻端的使用有相當(dāng)嚴(yán)格的要求，超寬帶濾波器可以將帶寬嚴(yán)格限制在美國聯(lián)邦通訊委員會規(guī)定的范圍之內(nèi)，超寬帶濾波器的價值得到了凸顯。

二、超寬帶濾波器的設(shè)計方法

超寬帶濾波器隨著超寬帶技術(shù)的發(fā)展不斷向前推進(jìn)，設(shè)計方法、設(shè)計理論也日益多樣化，綜合看來，筆者認(rèn)為超寬帶濾波器的的主要設(shè)計方法有以下兩種。

1.混合微帶/共面波導(dǎo)法?；旌衔?共面波導(dǎo)法的優(yōu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得電路系統(tǒng)更加的精干。二是可以滿足現(xiàn)實所需要的強(qiáng)耦合。該設(shè)計可以微帶與共面波導(dǎo)正對，兩者間的電磁場耦合非常強(qiáng)，可方便實現(xiàn)所需要的強(qiáng)耦合。混合微帶/共面波導(dǎo)法最為常見的是微帶饋電共面波導(dǎo)諧振器超寬帶濾波器。另一種常用的混合結(jié)構(gòu)是共面波導(dǎo)饋電，微帶諧振器產(chǎn)生通帶。共面波導(dǎo)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(dǎo)饋電很難實現(xiàn)源負(fù)耦合，從而阻帶特性不如微帶饋電的濾波器。微帶/共面波導(dǎo)混合結(jié)構(gòu)可以結(jié)合多模濾波器設(shè)計方法，可以得到結(jié)構(gòu)更緊湊的濾波器，但是這種設(shè)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(nèi)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(jié)構(gòu)構(gòu)成，各個部分的初始電長度分別為所需設(shè)計多模諧振頻率的和波長，根據(jù)具體的濾波器結(jié)構(gòu)對其電長度進(jìn)行調(diào)節(jié)，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(yīng)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(nèi)，然后通過平行耦合線饋電，實現(xiàn)平坦的超寬帶帶通特性。SIR為了得到較強(qiáng)的耦合，對平行耦合線寬與間距有著嚴(yán)格的要求，通常為0.05 mm，這就使得實現(xiàn)的難度大大增加。濾波器帶寬雖然達(dá)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(shù)較差的特點，但隨著新技術(shù)、新材料、新方法、新需求的不斷出現(xiàn)，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(xiàn)：

[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(xiàn)狀與進(jìn)展[J].華東交通大學(xué)學(xué)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.