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文 献 综 述 一、研究背景及意义 随着科学技术的发展以及微波技术的日益成熟，日常生活以及科学研究领域对于无线通讯的依赖程度逐渐提高，因此学术界和工业界非常重视对微波及其相关技术的研究与应用。按照电磁波的频率来划分，微波主要是指频率在300MHz-300GHz这一频段的电磁波[1]。目前微波在通信、医疗、雷达、制导、遥测遥控、探测、导航以及电子对抗等民用以及军用场合均有广泛应用。没有一个完善的微波系统不使用微波滤波器或其类似的结构[2]。在射频和微波技术的快速发展中，微波滤波器作为微波接收与发射系统中不可或缺的重要组成部分，近年来也受到了广泛的关注并对其进行了深入的研究。 同时，随着半导体器件技术的飞速发展以及集成电路技术的成熟，电子电路逐渐向高集成化、微型化方向发展。并且随着现代无线通信技术及其他相关技术的发展，可利用的频谱资源越来越紧缺，滤波器的应用频段越来越高。经过多年的发展，滤波器已经从极少数的几个类型朝着更加复杂、更加多样、更加标准的方向发展，其体积越来越小，集成度越来越高，种类也非常丰富。另外，材料技术的发展给微波器件的发展提供了很大的空间，随着铁电体、微波铁氧体、等离子体等新材料的应用，滤波器的性能被极大地提高。 二、技术发展历史 在滤波器的发展历史中，许多科学家都做出了重大的贡献。1915年，德国科学家K.W.Wagner开创了一种现以“瓦格纳滤波器”闻名于世的滤波器设计方法，同时在美国G.A.Canbell发明了另一种后来以图像参数法而知名的设计方法。随后，1940年出现了包括两个特定设计步骤的精确的滤波器设计方法。第一步是确定符合特性要求的传递函数，第二步是由先前的传递函数所估定的频率响应来合成电路[3]。不久，滤波器的设计由原先的集总元件LC谐振器扩展到一个新的领域，即分布元件同轴谐振器和波导谐振器[4]。同时，滤波器材料领域取得了很大的进步，极大推动了滤波器的发展。1939年，P.D.Richtmeyer提出了介电谐振器[5],它利用了电磁波谐振，具有小尺寸和高Q值两个显著的特点。到20世纪50年代，有源RC滤波器也开始发展并逐渐崛起。1938 年 |
Scott研究出了 RC 选频放大器[6]，相对于前面发明的的无源滤波器，这是最早的有源 RC 滤波器的粗糙模型。1955 年 Sallen-Key 开辟了新的使用途径，将有源 RC 滤波器应用于单放大器上[7]。1966年，美国科学家 Kurzrok 等人将交叉耦合引入多腔体中，成功设计出了多腔体滤波器[8]。1972年，Levy 建立了集总和分布原型组件公式间的联系，推导出了原型组件简单而准确的计算公式[9]。1985年，H.J.Orchard 提出了用于微波滤波器综合的迭代分析方法[10]。1997年，Macchiarella 将插入损耗引入到滤波器设计中并使用多项式函数表征滤波器的插入损耗，获得了滤波器的频率响应[11]。1999年，R.J.Cameron 等人对广义切比雪夫滤波器的综合方法做了进一步的改进，提出了针对不同拓扑耦合矩阵的消元方法[12]。2000年，Amari 提出了非谐振节点技术并采用优化的方法提取耦合矩阵，这种技术的最大优势是传输零点的产生不需要斜对角元件的交叉耦合来实现，而是在横/纵向的元件之间的耦合产生传输零点[13]。
此外，随着计算机技术的发展，各种商业电磁全波仿真软件陆续出现，滤波器的设计变得相对容易。一些商业软件可以进行滤波器的原理电路综合，另外一些商业软件可以进行滤波器的结构优化。目前，射频领域主要的EDA工具包括Ansys公司的HFSS、Designer软件和Agilent公司的ADS软件。这些商业软件的出现在降低滤波器调试难度的同时极大地提高了滤波器的设计效率。
三、课题实现方案
微波滤波器作为一个选频部件，希望它能够在特定的频率范围内无失真地传输信号，并且将信道之外的无用信号和干扰完全抑制。但是理想信道特性的滤波器在实际中很难实现，在滤波器的设计与制造过程中，应当尽量使实际滤波器的特性无限逼近于理想特性。
按照不同的标准，可以将滤波器分成不同的类型。根据滤波器的幅度频率响应特性，可以分为四种基本类型：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。在设计方法上，一般以低通滤波器原型为基础，通过频率变换实现高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。而在结构上，主要又有一下几种类型：集总元件滤波器、声表面波滤波器、螺旋滤波器、同轴滤波器、梳妆线滤波器、微带滤波器、陶瓷介质滤波器以及波导滤波器等[14]。
集总元件滤波器是一种历史最久、应用最广的低频滤波器，其理论比较完整，结构非常简单，是设计其他类型滤波器的基础。但是集总元件滤波器工作频率比较低，当频率高于1 GHz时，由于分布参数影响严重，应用受到限制[15]。声表面波滤波器具有小型化、高性能、便于批量生产、性价比高等优点，已经广泛用于射频前端和中频系统，
并可以满足多模、多频段移动端需求。但是声表面波器件有插入损耗较大，难以集成，高频下难以适应大功率等缺点。螺旋滤波器可以覆盖高频到微波低端的频段。由于内导体采用螺旋慢波结构而得名，其优点在于功率容量较大，但是其加工难度大。同轴滤波器具有高品质因子、电磁屏蔽好、低损耗以及小尺寸等优点，广泛应用于通信、雷达等系统，但是在10 GHz以上频段使用时，制作精度难以达到[16]。梳状线滤波器具有体积小、品质因子适中、高端寄生通带较远等优势。陶瓷介质滤波器是用微波陶瓷介质按TE、TM等模式要求制作的圆环、圆柱等形状的介质滤波器。其性能优良，插损小，有较高的功率承受能力。波导滤波器主要应用在通信、电子战、雷达、自动化测量等微波设备中。它具有易于波导天线的馈电装置连接，适用于高功率应用，具有高品质因素以及低损耗的特性。微带滤波器具有体积较小、重量轻、频带宽、容易加工等优点，同时微带线滤波器容易与其他微波电路集成，近年来在微波系统中应用广泛[17]。
在微波滤波器的工作机理上，可以分为交叉耦合滤波器、直接耦合滤波器、双通带（多通带）滤波器、可调滤波器、双模滤波器和超宽带滤波器等。但是这种分类并没有严格的界限，而且往往相互交叠。
目前，随着集成电路技术的快速发展，滤波器尺寸的缩小和滤波器性能的提高将继续是滤波器研究的两大重点方向。在高性能小型化微波滤波器方面，很多科学家已经提出了多种解决方案，其中主要包括以下几种：
在[18]中，Lei Zhu提出了使用微带线多模谐振器来构成一种新型的小型超宽带带通滤波器。该滤波器由一个位于中心的半波长（lambda;/2）低阻抗线段和两个相同的位于两边的lambda;/4高阻抗线段构成。该滤波器结构紧凑体积较小，长宽仅为15.6 mm*2.24mm。该滤波器在插入损耗、回波损耗以及延时等设计参数上均有较好表现，但是在超宽带（3.1-10.6 GHz）频段范围内，通常会包含大量的干扰信号，例如5G的WLAN信号等，这些信号的存在将会影响滤波器的性能。为了避免干扰信号对于滤波器性能的影响，在文献[19-21]中分别提出了几种具有带陷波的超宽带带通滤波器，这些超宽带带通滤波器可以通过调节滤波器尺寸、阻抗比等方式实现对于陷波频率的调节以实现在不同条件下的陷波功能。
在[22]中，Ko-Wen Hsu 和 Wen-Hua Tu 提出了一种使用双层结构的四通带带通滤波器。该滤波器主要由在顶部金属层和中间金属层之间的四个阶跃阻抗谐振器组成。与传统的四通带带通滤波器相比，该滤波器结构紧凑，在尺寸上减小超过30%。同时由于多径效应的存在，该滤波器在阻带部分也产生了传输零点，提升了滤波器的选择性和
阻带的抑制能力，具有较宽的阻带响应。
在[23]中，Shunzhou Li、Jiandong Huang等人提出了一种使用高温超导材料来实现滤波器小型化的设计方案，并提出了一种新型的谐振器结构。该滤波器采用了一种新型的12极级联四联体的结构配置，同时由于高温超导材料的使用，组成该滤波器的谐振器具有极高的Q值，使得滤波器可以使用较少阶数的谐振器来实现同样的高性能指标，从而达到滤波器小型化的目的。但是，由于该滤波器使用了高温超导材料，使用时对于温度条件的要求较为高，无法广泛使用。
在[24]中，介绍了一种使用电容负载方形环谐振器的二阶双模双通带带通滤波器。由于负载电容的使用，该滤波器具有杂质抑制效应，同时在尺寸上也更加紧凑。通过在单个谐振器中的较大扰动可以获得双频带响应，并且通过新的级联原理实现了二阶双模式双频带滤波器。该滤波器两个频带中两个谐振器之间的耦合系数以及外部品质因数都可以通过调节滤波器的相关参数来实现独立控制，具有较高的设计自由度。
在[25]中，ShihCheng Lin 提出了一种具有可控通带中心频率的微带四频带通滤波器。文章中研究了两种不同类型的具有不同双频产生机制的双频滤波器，然后基于并行路径传输理论将其组合以提供四频带响应。该滤波器使用并联耦合线作为其输入部分同时采用准集总电感器构建级间阻抗反相器，以实现中心频率为1.55、2.79、3.29和4.47 GHz的四通带滤波器，且理论预测与实际测得的实验数据吻合较好。同时，该滤波器具有单平面结构、可灵活控制通带以及尺寸较小等优点。
在[26]中，Arjun Kumar 和M.V. Kartikeyan 提出了一种使用缺陷地（DGS）结构来实现一个小型化微带结构带通滤波器。在此滤波器中，使用了一个50Omega;阻抗的四分之一波长的微带线来实现通带的设计，同时在微带线的接地平面中使用了圆头哑铃形DGS以提供带阻特性。为了实现在导电带中的带通特性，该滤波器引入了两个使用缺陷微带(DMS)结构的串联带隙槽。这样的结构布置可以在通带提供更好的耦合。通过缺陷地结构的使用，可以在满足设计指标的前提下大大降低滤波器的尺寸，实现微波滤波器的小型化。该滤波器在5.4 GHz的中心频率下有较好的性能表现，但是该滤波器只有500 MHz的带宽，带宽较窄。
在以上提到的各种方案中，对于微波滤波器的小型化设计主要包括以下几种设计思路：首先是针对谐振器的研究，谐振器作为滤波器的基本单元，谐振器的大小决定了整个滤波器的电路大小；同时，谐振器的性能在很大程度上决定了滤波器的性能。因此，
谐振器是滤波器小型化研究的重点之一。其次是针对电路整体布局的研究，在不影响滤波器整体性能的前提下，一个紧凑合理的电路布局可以在很大程度上降低滤波器的尺寸。同时，在满足滤波器性能指标的同时考虑如何减少谐振器的使用阶数也是研究的一个方向，通过使用特殊材料可以得到高Q值的谐振器，即可以使用较少阶数的谐振器来实现滤波器的设计，以此来降低滤波器的尺寸。
同时，由以上几种滤波器实现方案可以看出，平面结构滤波器是目前微波电路中较为常见的滤波器设计结构。平面结构滤波器具有尺寸较小，容易通过光刻技术加工，与其他电路元件容易兼容、集成等优点。另外，能通过采用不同介电常数的衬底材料而在很大的频率范围内得以应用也是平面结构滤波器的一大优点。因此，平面结构滤波器目前在电路中被广泛使用。传统的平面结构滤波器存在插入损耗比较大的问题，但是随着各种技术的研究与发展，出现了多种用于提高微带滤波器性能的新技术，其中主要包括以下几种：
1、缺陷地结构（DGS）滤波器
原理：DGS结构是通过在接地版上刻蚀缺陷的图形形成的，在接地板上刻蚀缺陷的图形扰乱接地板上传导电流的分布，进而改变传输线的特性，改善微波平面电路的性能参数，改变了有效电容和有效电感，使由DGS结构构成的微带线具有慢波特性以及带阻特性[27]。
2、缺陷微带结构（DMS）滤波器
原理：缺陷微带结构是在缺陷地结构的基础上提出的。DMS结构是通过在金属导带上刻蚀缺陷结构，从而在特定的频率处具有带阻特性，带阻特性与刻蚀缺陷结构的形状和尺寸密切相关，这些特性与缺陷地结构类似。DMS结构在高频段（10 GHz以上）没有出现阻带随导带长度变化而偏移的现象，比DGS结构适用的频段更宽。DMS结构刻蚀在金属导带上，能够有效避免因接地板缺陷造成的电磁波泄漏，不会对微波电路中其它部件形成干扰，并且DMS结构更容易与其他部件集成。
3、双模谐振器结构滤波器
原理：双模谐振器结构滤波器利用了谐振器的双模特性。在单个谐振器中通过加入一些微扰，如开槽、切角或加入小的切片等，这样可以改变原正交简并模的电场分布，使一对正交简并模之间发生耦合，两个耦合简并模的作用就相当于两个耦合谐振器，从而可以在保持谐振回路不变的情况下使得谐振器的个数减少一半。其中，通过改变微扰贴片和切角的大小即可调整耦合强度[28]。
4、平行耦合线滤波器
原理：平行耦合线滤波器由平行耦合线和开路枝节构成。通过奇偶模理论可以推导出平行耦合线滤波器的设计方程，利用不等长平行耦合线和开路枝节来实现高次谐波的抑制。平行耦合线滤波器具有设计简单，容易加工等优点。
本课题将主要基于平面结构微带滤波器及其相关技术，并在此基础上进行改进，完成小型化微波滤波器的设计。
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