微波滤波器小型化技术研究

谭小花，金宝龙，钱志芳，张荣君

（1.中国电子科技集团公司第51研究所，上海 201802；2.复旦大学，上海 200433）

0 引 言

微波滤波器的小型化、集成化、便捷化是现代武器装备发展的重要方向之一，现代雷达侦察设备在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。所以新型化、小型化的微波滤波器是目前元器件研究开发的重要目标。

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［1-2］。Cristal和Frankel将半波长的开路谐振器折叠，形成发夹线谐振器［3］。1989年，Sagawa等提出四分之波长、二分之波长和全波长的阶跃阻抗谐振器（SIR），既减小了电路尺寸又将滤波器的寄生通带移至频率更高端［4］。与此同时，各种新颖的微型结构大量涌现，比如：缺陷地结构（DGS）［5］、慢波结构［6］及双模结构［7］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（HTS）［8］、低温共烧陶瓷（LTCC）［9］、微机电系统技术（MEMS）等。

总之，这些年人们对微波滤波器的小型化技术进行了很多方面的探究，本文致力于探索与研究采用阶跃阻抗谐振器、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，以求对微波滤波器的工程应用提供有价值的参考。

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段，本文着重讨论以下几种新技术，并通过EDA软件建模仿真来研究它们在微波电路上的应用。

（2）采用DGS慢波结构。DGS是在传输线的金属接地板上刻蚀缺陷实现的［10］。电磁波在缺陷地结构中传播时，某些频带内的电磁波将被禁止，即DGS具有阻带特性；同时形成一种慢波结构，具有慢波特性。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。

（3）采用高介电常数材料。高介电常数材料作微带滤波器介质基片或填充腔体滤波器，可以减小传统滤波器的体积［11］。这是因为波导波长与介电常数成反比，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（LTCC）技术的出现，使微波器件小型化得到快速发展，如低通／高通／带通滤波器、双工器等叠层微波器件获得广泛应用。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）

SIR的微带形式如图1，是一种非常有用的谐振器结构。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80年代初期，日本的Makimoto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谐振器的长度，并在两倍频处会出现寄生通带。而使用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 1／2λ0短截线带通滤波器

带通滤波器中的串联或并联电感电容（LC）谐振电路可以利用1／2λ0或1／4λ0的短路或开路线取代。1／2λ0短路线可等效为串联LC谐振电路，1／2λ0开路线等效为并联LC共振电路；同样地，1／4λ0开路线可等效为串联LC共振电路，1／4λ0短路线可等效为并联LC共振电路，这些概念对于设计电路相当有用。经由上述原理，设计带通滤波器可利用1／2λ0开路及1／4λ0短路短截线来实现。若考虑电路尺寸，使用1／4λ0短路短截线优于1／2λ0开路短截线。然而，使用1／4λ0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1／2λ0开路短截线来设计带通滤波器。图2所示为1／2λ0短截线带通滤波器及其等效电路。

图2 1／2λ0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4.5GHz，通带插损小，约为-0.20dB，且回波损耗都低于-10dB，但这种滤波器在通带外的高次谐波靠得很近，电路的尺寸偏大（20mm×60mm）。

图3 1／2λ0短截线带通滤波器的仿真结果图

2.1.2 SIR联接线带通滤波器

图4 传输线及其等效电路

如果该传输线够短（例如ωl／v＜π／4），且特性阻抗很高，则X≈Z0ωl／v，B≈0，其等效电路中只有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，B≈Y0ωl／ν，其等效电路中只有1个并联电容。由高阻抗线与低阻抗线结合而成的SIR如图5所示，高阻抗（Z0＝Zh，Zh为高阻抗）线可近似为一串联电感，而并联电容用低阻抗（Z0＝Zl，Zl为低阻抗）线近似，Zh／Zl的比值越高越好，应参考其实际加工能力。

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＜λ／8），所以电路尺寸大大缩小。对应的带通滤波器电路及其仿真结果如图6所示。

图6 SIR带通滤波器及其仿真结果

由图6可知，相对于传统的1／2λ0短截线带通滤波器，SIR联接线带通滤波器的带外抑制更高，二次谐波被抑制使得阻带更宽，更重要的是，电路尺寸缩小至14mm×24mm，缩小比例高达70%。

2.2 采用缺陷地（DGS）慢波结构

DGS起源于光波领域，是光子带隙结构的一种新的发展形式。它是在传输线的金属地平面上蚀刻规则的几何图形和缝隙作为DGS单元结构［10］，相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。

DGS作为近年来的研究热点之一，被广泛应用于设计低通、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，从而节省了电路尺寸（实例中的电路尺寸为20mm×14mm），很适宜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εr成反比，εr越大，谐振器的波长就越短，而一般滤波器都是由1／2λ0或1／4λ0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（εr＝9.8）的1／2λ0短截线带通滤波器电路与原2.1.1节中低介电常数（εr＝2.55）时的电路，图9为该电路的仿真结果。显然，采用高介电常数材料能在几乎不增加通带插损负担的情况下，大大缩减电路尺寸［11］。

图8 高εr与低εr带通滤波器电路对比图

2.4 采用多层技术

图9 1／2λ0 短截线（εr＝9.8）带通滤波器的仿真结果图

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80年代初，而国内直到最近几年，才开始对其进行研究。层叠片式LTCC微波滤波器中，不但在同一层中存在电磁耦合，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2.4mm×4.2mm，使微波滤波器进一步微型化。

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振器（SIR）、慢波结构（DGS）、高介电常数材料、多层技术（LTCC）等微波滤波器的小型化设计技术。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器体积，达到小型化的目的。比方说以高介电常数材料为基板，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以拓宽其阻带。当然，由于微波滤波器的尺寸体积非常小，不仅谐振器之间，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微波滤波器的小型化技术，给今后微波滤波器的设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。

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