无线通信中微波/射频滤波器的小型化设计
摘 要
随着宽带无线通信的发展，宽带滤波器的设计理论的研究受到了国内外学者的广泛关注，一些用于宽带滤波器的设计方法也陆续被提出来。基于离散时域技术的综合优化方法就是其中的一种方法，这种方法能够比较精确地设计宽带滤波器，但是用该方法设计出来的级数较少的滤波器都有一个共同的特点(characteristic)，那就是带外(outband)衰减(attenuation)缓慢、频率(frequency)选择性(selective)不高。如果要加快(improve)带外衰减，常用的方法就是增加(increase)滤波器的级数(degree)，但是这样会使得电路结构变得非常复杂而且庞大，设计调试(design)也比较困难。“如何能够采用尽可能少的级数，得到尽可能好的特性(performance)”，这不仅是滤波器小型化所需要的，而且也可以大大简化设计人员对滤波器的设计和调试过程。
本论文将采用一种改进(improved)的基于z变换的优化综合方法用于设计超宽带滤波器(ultra-wideband filter)。该方法从根据(according to)分布(distributed)参数(parameters)特性得到的传输函数(transfer function)出发，克服了传统离散时域技术的局限性，使滤波器的优化过程(process)比较容易实现，而且综合出来的滤波器的频响特性(frequency response)与理想(ideal)滤波器的频响特性也非常吻合(agree well with)。本论文力求从理论出发，研究滤波器的小型化，借鉴传统滤波器的设计思路，探索出解决提高滤波器性能与减小尺寸体积这一矛盾的一种方法。
【关键词】滤波器 小型化研究 超宽带 基于z变换的优化综合方法
无线通信中微波/射频滤波器的小型化设计
前言
随着通信技术的迅速发展，目前的宽带通信已经不能满足人们对通信的需求，在强大的需求刺激下，超宽带通信无疑是一种解决方案。射频滤波器是无线通信系统射频前端的关键部件之一，多年来高性能滤波器的设计一直是微波领域研究的一个重要课题。随着无线通信的个人化、宽带化，越来越要求人性化以及高性能的终端结构，促使了包括滤波器在内的射频元器件的微型化和可集成化，同时也产生了各种结构和性能的射频滤波器从而进一步满足了小体积、轻重量微波系统的要求。由此，滤波器的小型化设计研究逐渐成为了目前通信领域的研究热点。
但是目前滤波器的设计需要解决一个共同的难点，那就是如何加快带外衰减速度，提高滤波器的频率选择性。加快带外衰减速度，目前常用的方法之一就是增加滤波器的级数，但是这样会使得电路结构变得非常复杂而且庞大，设计调试也比较困难。“如何能够采用尽可能少的级数，得到尽可能好的频率选择特性”，这不仅是滤波器小型化所需要的，而且也可以大大简化设计人员对滤波器的设计和调试过程。因此，无线通信中微波/射频滤波器的小型化设计不仅能满足射频元器件的微型化和可集成化以及小体积、轻重量微波系统的要求，而且能在滤波器性能与尺寸体积之间找到最佳结合点，因而具有重要的理论意义和应用价值。
在滤波器的小型化方面，国内外专家对窄带滤波器进行了大量的研究，而对宽带滤波器的研究非常少。本章对此进行了初步的研究，将一种改善超宽带滤波器带外衰减特性的方法（即用两段四分之一波长开路枝节级联的结构替换四分之一波长短路枝节结构）应用于小型超宽带滤波器的设计当中。根据该方法，我们用三级结构就能够实现频率选择性比较理想、结构紧凑、低损耗的超宽带滤波器。
1微波滤波器的回顾与展望
对于无线通信电路来说，滤波器是一种关键的射频器件。滤去镜频干扰、衰减噪声、频分复用及在高性能的振荡、放大、倍频、混频电路中，无不需要滤波器来实现。另外，有效的宽频带阻抗匹配网络和祸合结构也要使用滤波器结构。随着无线通信的个人化、宽带化，越来越要求人性化以及高性能的终端结构，促使了包括滤波器在内的射频元器件的微型化和可集成化，同时也产生了各种结构和性能的射频滤波器从而进一步满足了小体积、轻重量微波系统的要求。
1.1微波滤波器发展历程简介[3]
1915年，德国科学家K. W. Warner开创了一种以“瓦格纳滤波器”闻名于世的滤波器设计方法，与此同时，美国人G.A.Canbell则发明了另一种以图像参数法而知名的设计方法。1917年，两国的科学家分别发明了LC滤波器，次年美国第一个多路复用系统面世。从此许多科研人员开始积极地和系统地对采用集总元件电感和电容的滤波器设计理论的研究。
随着滤波器设计理论的深入研究、材料领域的不断进步及工作频率的日益升高，滤波器设计由原先的集总参数元件滤波器逐渐扩展到分布参数元件滤波器。1939年，P.D.Richtmeyer报道了介质滤波器，由于当时材料的温度稳定性不高使该种滤波器不足以实际应用。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。20世纪70年代以来，随着陶瓷材料的发展，介质滤波器的应用得到了迅速发展。80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。直到20世纪90年代，出现的高临界温度超导材料，被认为极有可能用于设计出极低损耗和极小尺寸的新颖微波滤波器。目前，高温超导滤波器已逐步使用在军事和商业领域。
我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方而已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料上业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。
近年来，小型化的趋势促进了各种类型微带线滤波器的发展。随着无线通信的个人化、宽带化，越来越要求人性化以及高性能的终端结构，促使了包括滤波器在内的射频元器件的微型化和可集成化，同时也产生了各种结构和性能的射频滤波器从而进一步满足了小体积、轻重量微波系统的要求。由此，滤波器的小型化设计研究逐渐成为了目前通信领域的研究热点。
1.2微波滤波器的现状及种类与特性
从频率通带范围分类，可分为低通、高通、带通、带阻、全通5种类别;按低通原型的函数模型可分为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆函数滤波器等。实际的滤波器是对频率成分的过滤特性和设计滤波器是所用的函数形式的组合情形来区分和命名的，且其中的函数形式名称大都采用了某个数学家的名字。例如，所用函数形式为巴特沃思函数的低通滤波器就称为巴特沃思型低通滤波器，所用函数为切比雪夫函数的低通滤波器就称为切比雪夫型低通滤波器等，而所用函数为椭圆函数的高通（或其他）滤波器则直接称为椭圆函数型高通（或其他）滤波器。也就是说，滤波器的名称一般包括函数名称和过滤特性两部分 。
下面，从物理概念上谈谈射频与微波频段常用的滤波器。
微带线滤波器
微带线是一根带状导(信号线)．与地平面之间用一种电介质隔离开。如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。也可以说为带线是一种用电介质将导线与接地面隔开的传输线，印制迹线的厚度，以及电介质的介电常数，决定为带线特性阻抗的大小。
微带线是微波集成电路(MIC)中使用最多的一种传输线，随着MIC的日益的进步，微带电路在微波中的地位也越来显著。微带线可印制在很薄的介质基片上(可以薄到lmm以下)，故其横截面尺寸比波导、同轴线要小得多。其纵向尺寸虽和工作波长可以比拟，也可以方便地解决匹配问题。
目 录
前言
1 微波滤波器的回顾与展望
1.1 微波滤波器发展历程简介 (××)
1.2 微波滤波器的现状及种类与特性 (××)
1.3 微波滤波器的发展趋势 (××)
1.4 微波滤波器小型化方案 (××)
2 传统窄带设计理论
2.1 传输函数 (××)
2.2 低通原型 (××)
2.3 阻抗变换和频率变换 (××)
2.4 低通、高通和带通滤波器设计主要参数 (××)
3 基于Z变换技术的综合方法
3.1 理想z域传输函数的获得 (××)
3.2 链形散射矩阵及实际传输函数 (××)
3.2.1 λ0/4并联短路线 (××)
3.2.2 λ0/4并联开路线 (××)
3.2.3 λ0/2连接线 (××)
3.3 优化算法 (××)
4 小型化超宽带滤波器的设计
4.1 超宽带滤波器设计 (××)
4.2 滤波器结构的改进 (××)
4.2.1 实现传输零点的理论分析 (××)
4.2.2 用微带结构实现综合出来的滤波器 (××)
4.2.3 电磁场仿真结果 (××)
5 总结与展望
5.1 总结 (××)
5.2 展望 (××)
参考文献 (××)
致 谢 (××)
