[科普中国]-微波滤波器

微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号，使其不能通过滤波器, 只让需要的信号通过。分类可以按功能、组成元件和传输线结构进行：按功能分类有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器；按组成的元件分类有集中参数滤波器、分布参数滤波器和集中参数与分布参数混合型滤波器。

简介

微波滤波器，用来过滤或分离不同微波频率信号的元件。微波滤波器分低通、高通、带通和带阻四种类型（高通常用宽频带的带通滤波器代替），它们的结构、参数和设计方法因不同的工作频率、频带宽度、功率容量等指标而有显著差别。在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响，因此如何设计出一个具有高性能的滤波器，对设计微波电路系统具有很重要的意义。微带电路具有体积小，重量轻、频带宽等诸多优点，近年来在微波电路系统应用广泛，其中用微带做滤波器是其主要应用之一。1

原理微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以通过低通滤波器的原型转化过来。最大平坦滤波器和切比雪夫滤波器是两种常用的低通滤波器的原型。微带滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路串联短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。这类滤波器的带宽较窄，虽然不能满足所有的应用场合，但是由于它设计简单，因此在某些地方还是值得应用的。2

分类最普通的滤波器的分类方法通常可分为低通、高通、带通及带阻四种类型。

按滤波器的频率响应来划分，常见的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及椭圆型等；按滤波器的构成元件来划分，则可分为有源型及无源型两类；按滤波器的制作方法和材料可分为波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器、微带滤波器。2

技术结构微波滤波器采用分布参数电路，或集总与分布参数电路相结合的电路，结构以微波传输线、波导为主体(图a～c)，也可以直接利用金属谐振腔或介质谐振器。光学和准光学滤波器的结构也可用于毫米波频率（图f，g）。各种结构都可设计成宽带或窄带的滤波器。此外，滤波器的结构决定受击穿强度、温升等限制的功率容量，只有金属波导结构才可能承受较高的功率。

微波滤波器输出端的频域响应函数(电压或电流)与输入端的频域激励函数（电压或电流）之比称为频域传递函数H（jω）。表示滤波器相位－频率特性的相时延为Tp=ω/β，用分贝表示；衰减－频率特性（简称频率响应）常采用最平坦型、切比雪夫型和椭圆函数型。

微波滤波器的技术指标包括工作频率、频带宽度、带内衰减、带外衰减、时延特性等设计指标；功率容量、温度稳定性、机械强度及稳定性等结构指标。

微波滤波器的设计法有近似综合法、准确综合法和计算机辅助设计等方法。近似综合法是先根据预期的频率响应综合出低通原型，然后应用近似频率变换得出所需要的微波低通、高通、带通或带阻滤波器，再用适当的微波结构来实现。频率变换是指在衰减相同的条件下低通原型的归一化频率与微波滤波器频率之间的关系。不同的滤波器特性和结构对应不同的近似变换式。

准确综合法是先引入准确的频率变换S =Λtgθ，其中θ与滤波器频率有关，S是变换频率，Λ是带宽因子。滤波器结构中长度相等的短截线、开路线和联接线（通常是1/4中心波长）可分别用S面上的L、C 和单位元件来表示。滤波器的频率响应也变换成用S表示，然后根据S面上网络综合的结果，将其中的L、C 和单位元件逆变换成对应的短截线，用微波结构来实现滤波器。准确综合法仅限于设计等长度短截线滤波器，应用并不普遍。

用近似综合法和准确综合法通常的设计都是在理想电路结构的假定下进行的，不易达到预定指标。借助计算机辅助设计可以计入微波结构中的损耗和不连续性等非理想因素的影响，并能利用最优化方法设计出性能符合预定指标的滤波器。1

设计指标微波滤波器的设计指标主要包括：

1绝对衰减（Absoluteattenuation）：阻带中最大衰减（dB）。

2带宽（Bandwidth）：通带的3dB带宽（flow—fhigh）。

3中心频率：fc或f0。

4截止频率。下降沿3dB点频率。

5每倍频程衰减（dB/Octave）：离开截止频率一个倍频程衰减（dB）。

6微分时延（differentialdelay）：两特定频率点群时延之差以ns计。

7群时延（Groupdelay）：任何离散信号经过滤波器的时延（ns）。

8插入损耗（insertionloss）：当滤波器与设计要求的负载连接，通带中心衰减，dB。

9带内波纹（passbandripple）：在通带内幅度波动，以dB计。

10相移（phaseshift）：当信号经过滤波器引起的相移。

11品质因数Q（qualityfactor）：中心频率与3dB带宽之比。

12止带（stopband或rejectband）：对于低通、高通、带通滤波器，指衰减到指定点（如60dB点）的带宽。

工程应用中，一般要求我们重点考虑通带边界频率与通带衰减、阻带边界频率与阻带衰减、通带的输入电压驻波比、通带内相移与群时延、寄生通带。前两项是描述衰减特性的，是滤波器的主要技术指标，决定了滤波器的性能和种类(高通、低通、带通、带阻等)；输入电压驻波比描述了滤波器的反射损耗的大小；群时延是指网络的相移随频率的变化率，定义为dU/df，群时延为常数时，信号通过网络才不会产生相位失真；寄生通带是由于分布参数传输线的周期性频率特性引起的，它是离设计通带一定距离处又出现的通带，设计时要避免阻带内出现寄生通带。1

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学