1、腔体滤波器 1、 研究背景及意义 近些年来随着毫米波、微波技术的迅速发展，无线通信得到了空前的发展，微波频带出现了相对拥挤的状况。所以，能够选频的微波滤波器越来越受到研究者的重视。而微波滤波器作为一种频率选择装置，是现代毫米波、微波通信系统中一个非常重要的组成部分，是微波、毫米波系统中不可缺少的器件之一，其性能的优劣可以影响到整个系统的质量。 微波滤波器是无线通讯系统的重要组成部分 ， 可以 用于过滤或分离不同频率信号的一种元器件；其主要功能是只让需要的信号通过，抑制不需要的信号，使其不能通过滤波器。从而有效地解决了当前急剧发展的无线通信信号所带来的有限频谱资源不足和紧缺的问题。对于这些滤波器
2、我们的要求也越来越苛刻。差损小、功率大、体积小、重量轻等，另外在实际应用中，滤波器的生产周期也变得非常短，这就需要设计人员迅速而精确的设计出相应的滤波器。 滤波器种类很多，不同的场景和频段使用的滤波器不同。腔体滤波器就是众多滤波器的一种。它具有性能稳定、 Q 值高、功率大等特点，往往是同类型中最优秀的，所以具有 非常高的研究价值。滤波器设计的方法很多，可以概括如下： 分布参数法 影像参数法 集总参数法 网络综合法 分析参数法 ， 是根据插入相移函数和插入衰减函数 ， 再应用波导或传输线理论 ， 从而就可以得到微波滤波器的元件结构 。但 我们使用最多的还是集总参数法 ，其中 ， 影像参数法是以影
3、像参数为基础 ， 通过微波结构来模拟等效电路中的各个元件 ； 网络综合法是以相移和衰减函数为基础 ， 利用网络综合理论 ， 先得出集总元件低通原型电路 ， 再将集总元件原型电路中的各元件用微波结构来实现 。现在主要采用网络综合法，使滤波器的设计流程得到了简化。随着计算机技术的发展，我们也可以通过电磁仿真软件进行仿真。电磁仿真软件使设计滤波器的网络综合法得到不断的改进，这也极大的促进了滤波器设计技术的发展。 2、腔体滤波器的发展历史 1901 年，马可尼使用 800kHz 中波信号进行了横跨大西洋的无线电报试验，开创了人类通信的新纪元。 1915 年，德国的 K. W. Wagner 提出设计“
4、瓦格纳滤波器”的方法而享誉国内外；美国的 G A.Canbell 于同一年研究出了以图像参数法而知名的一种设计方法；直到 1917 年， LC 滤波器才被美、德两国科学家同时研究了出来被公布于世。 1918 年第一个多路复用系统在美国的应运而生。随后越来越多的知名科学家如 J.Zobel、 R.M.Foster、 W.Cauer 和 E. L. Norton 等开始研究这个领域， 从而掀起了滤波器研究的浪潮。 1937 年， R.A.Sykes 和W.P.Mason 利用 ABCD 参数公式推导出了大量的阻抗相位和衰减函数，为滤波器的研究奠定了理论基础；同年，现代滤波器综合法的奠基人 W.Ca
5、uer 设计出 了切比雪夫滤波器。而到 1940 年一种精确的滤波器设计方法才形成 :第一步确定符合特定要求的传递函数 ;第二步由传递函数所估计的频率响应来综合出滤波器电路。这种方法不但准确而且效率高，因此现在许多滤波器设计方法都来源于此。到50 年代，无源滤波器的设计已经逐渐成熟，从 50 年代开始，由于集成工艺、计算机、材料工业和技术等的发展，滤波器设计进了一个新的阶段。随着通信频率的升高，微波滤波器的研究与应用开始逐渐被重视。 1957 年， S.B.Cohn 在集总元件低通原型滤波器的基础上提出了耦合空腔滤波器理论，这是腔体滤波器发展 的雏形。 1964 年， G.L.Matthew、
6、 L.Young 和E.M.T.Jones 在他们的论著中对微波滤波器的经典设计方法和耦合结构作了系统、全面的总结，甚至在现在仍具有很好的参考价值，被誉为微波滤波器设计的圣经。到上世纪 60 年代后期，卫星通信技术的快速发展也加速了交叉耦合结构的发展，并逐步走向成熟 ; 1967 年 R.Levy 建立了集总参数滤波器和分布参数滤波器的元件之间的联系，并给出了低通原型滤波器的综合方法和常用滤波器函数的计算公式 ;在上世纪的七十年代初期，我国的老一代微波专家甘本祓、李嗣范、林为干、吴万 春等，在前人研究的基础上，等微波专家补充和完善了微波滤波器的理论以及设计方法，开创了国内滤波器研究的先河，为我
7、国后期研究提供了一个很好的平台。在 1980 年，极点提取技术被 R.J.Cameron 所提出，他通过在滤波器网络的并联分支中引入串联谐振器，以此来实现传输零点。他先在滤波器两端分别提取一段单位阻抗移相段，然后再进行极点谐振器的提取，重复上述过程直到所需虚数零点全部被提取，其余电路由传统交叉耦合电路模型来实现。在国内，强锐、王蕴仪等人利用 Solvopt 算法和遗传算法等对准椭圆函数滤波器的等效电路进行了参数 提取。 1982 年 R.J.Cameron 对滤波器网络函数做了大量的研究，他在原来切比雪夫函数的基础上提出广义切比雪夫函数，并将广义切比雪夫函数大量的应用到交叉耦合滤波器的网络综合
8、当中来，提出了网络综合法 ;而在1985 年， A.E.Williams 在微波滤波器的预失真技术上做了大量研究，并且非常详细的分析了交叉耦合微波滤波器的预失真 ;1998年 Atia提出了电路优化技术，该技术可得到与耦合矩阵相似变换相同的效果，通过设计合适的代价函数，然后经过有限次优化过程，从而将不需要的耦合矩阵元素优化为零，即可得到可实现的电 路网络的耦合矩阵。而后， S.Amari 利用这种技术做了大量的实际工作。从1999 年开始的四年期间， R.J.Cameron 研究出了一种新的方法来综合微波滤波器，这种方法巧妙的运用了耦合矩阵，使得微波滤波器的研究又有了新的突破。进入 2000
9、年后，微波滤波器已经在国内成为研究热点。研究员吴须大对腔体滤波器与低气压放电和同轴腔滤波器与微放电等问题进行了详细分析。东南大学的洪伟、尹雷，西安电子科技大学的梁昌洪、倪大宁和电子科技大学的王锡良、李家胤、聂在平等在滤波器的研制上做出了一些探索并取得了一系列重大的成果。 近 些年不断涌现的新材料和新技术也加速了滤波器技术的发展。其中包括 :高温超导 (HTS）、低温共烧陶瓷（ LTCC)、微波单片集成电路 (MMIC）、显微机械技术和微机电系统，结构也从传统的微带、带线向共面波导 (CPW）、基片集成波导(SIW)等方向拓展 ;而光子晶体 (PBG)材料，左手材料也日渐成为研究的热点 ;而多模
10、滤波器的设计也开始有所发展和运用。 此外，计算机电磁仿真技术的发展为微波滤波器设计带来了革命性的变化。目前，应用最广泛仿真软件有 HFSS、 CST Microwave Studio 、 IE3D 、 EMPro等，这些仿真软件具有了丰富的优化算法，可以提供准确的频域和时域仿真和精确的本征模计算，能够快速完成滤波器的设计仿真，在软件中可以很方便的对模型结构进行调整，同时，利用三维电磁仿真软件和二维电路仿真软件进行协同仿真，通过空间映射法或端口调试法可以快速的调试出理想的滤波器响应 ;并且这些电磁仿真软件提供了丰富的编 程软件接口，利用 VB、 MATLAB 等编程软件，可以完成滤波器的建模、仿
11、真和优化。这些促进了微波滤波器的 发展。 3、检索方法 数据库选用 中国知网（ ） 检索式为：滤波器、腔体滤波器、 首先在知网直接搜索 滤波器，文章数量很多，有用的很少。 主要搜索文献方法如下： （ 1）选择高级检索， （ 2）在左侧导航栏进行学科勾选 如不清楚学科可以通过指数检索来查看学科分 （ 3）所检索的范围将仅限于某个关键词。 这样搜索到的论文大大减少，有效数据的比例大大增大。然后可以直接在线阅读，从中再甄选贴合滤波器的文章。 外文文献同样适合上面的方法。 还可以通过指数检索查看滤波器研究近年的发展态势 4、检索结果及分析 我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率已基本上满足现有各种电信设备
12、。从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。从下面的生产应用比例可以看出我国各类滤波器的应用情况： LC 滤波器占 50%；晶体滤波器占 20%；机械滤波器占 15%；陶瓷和声表面滤波器各占 1%；其余各类滤波器共占 13%。从这些应用比例来看，我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍然是个重要课题。 随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高，功能也越来越多，并且要求它们向集成方向发展。我国滤波器研制和生产与上述要求相差 甚远，为缩短这个差距，电子工程和科技人员负有重大的历史责任。 滤波器的学术发展趋势如下图： 石墨烯的其他相关统计： 最终下载的文献和参考
13、书籍均列在后面的参考文献中。 5、结论： 腔体滤波器的研究现状 及展望 进入 21 世纪以来，人类信息化的进程不断加快，无线通信系统的发展极为快速，比如雷达系统、微波通信、远程遥测等技术的应用越来越普遍。同时，各种新兴的通信系统也不断涌现，包括 GPS、 WLAN、 3G、 LTE 等。这些也促发了微波有源和无源器件发展。而对于通信系统来说，微波滤波器是不可或缺的器件。其发展更是面临着前所未有的机遇和挑战。现如今，我们对微波滤波器的要求主要围绕低功耗、高精度、小体 积、多功能以及低成本、高效等这些方面。 滤波器可以大致分为三大类 : 腔体滤波器、 LC 滤波器、微带滤波器。 其中，腔体滤波器采
14、用是谐振腔体结构，即一个腔体可以等效成电感和电容并联，就能形成一个具有滤波功能谐振器。相比其他滤波器，腔体滤波器、体积小、结构牢固、 Q 值适中，而且散热性好。发展的速度非常快。通过引入负载耦合，可以使得实现 的零点增加到 N 个。还有一种设计方法 非谐振节点，也可以在有限频点内实现传输零点。这种方法设计的滤波器具有相当的优势。 但是腔体滤波器也有笨重、体积大的缺点，所以研发合适尺寸的腔体滤波器是业内的一个棘手的问题。现代的军事通信设备，如导弹制导系统、飞机雷达等都采用的是毫米波频段来收发信息。在此波段下， LC 和微带滤波器的功率容量低、插损大的缺点极为突出。此时，虽可以采取设计成多模或绝缘
15、腔体滤波器的方法，但其重量重、体积轻。所以，需要权衡多方面，合理设计腔体滤波器的尺寸，这是目前面临的重大难题。 目前 ， 国内外对腔体 滤波器的研究主要从以下几方面着手 ： 1、 腔体滤波器小型化的研究 如今 ， 传输信息的主要方式为 无线通信。在很多通信系统中，留给滤波器的空间很小，这就对滤波器的尺寸、重量等要求就变得相对苛刻，小型化的滤波器已经引起业内人士的广泛关注，目前常用的小型化方案有： （ 1） 通过加载技术 。 如脊波导的加载技术，可以增强谐振器之间的耦合，从而缩短滤波器的长度。 文献 7-9就通过加载脊的方式来设计滤波器。对加载脊波导腔使用模式匹配的方法对场进行详细分析，从而达到
16、减小体积、增强谐振腔的耦合。此外，这种方法还使基次膜和二次膜的截止频率的差值增大，使得设计出的滤波器的工作频带更宽。在这三篇文献中，加载脊的方法和方式各不相同，但设计出的腔体滤波器 的 结构均十分紧凑。 （ 2）新型谐振器技术。 文献 10-11中采用的是新型多阶谐振器结构，这类谐振器的无载 Q 值极高，可以实现高带外抑制、高选择性，并且在较高温环境下，也同样适用。相比其他同类型的滤波器，尺寸明显减少。此外，高温超导材料的使用 使谐振器的无载 Q值更高，这样可以减少谐振器使用的阶数。进一步提高性能指标，减小滤波器尺寸，实现小型化。 （ 3）利用不同的滤波器结构技术，如短路枝节结构技术，通过把一
17、个四分之一波长的短路枝节串联在传输线上，就可以得到一个传输零点，也能实现小型化。 以上的方案各有优点，设计人员可以根据具体的情况选择合适的方案。 现在 ， 微波电路系统很多结构都已实现了集成化 ， 滤波器的小型化已成为必然趋势 ， 新材料也加快了其发展 ，但由于微加工条件和技术还不是很完善，小型化的滤波器的研制费用相对昂贵，因此，还需要我们继续努力。 2、 可调腔体滤 波器的研究 滤波器 几乎 应用于 所有通信系统中，但很多时候我们只需要普通的滤波器，并不会花费时间和精力去研制一款特定滤波器，可调滤波器就能较好的满足我们的需求，十分方便。最初可调滤波器的性能十分差，频带宽、调谐范围窄，而且其插
18、入损耗、带外抑制随频率的微小变化差异很大。经过国内外的专家进行长期不懈的研究，今天可调滤波器的技术已经十分成熟。通过实践证明，把腔体滤波器的公共壁的矩形耦合窗作为耦合结构，可以使频率调节的范围增宽，并且滤波器的技术参数并不会随频率的变化而变化。此外，从理论上说，由矩形和三角形耦合环组成的耦 合结构可以设计出可调腔体滤波器。 文献 12主要的工作是设计一款新型机械可调腔体滤波器，文中介绍了可调滤波器的相关理论，详细叙述了侧面耦合窗模型，并推导出了带宽的计算公式。设计出的滤波器不但其中心频率可以调节，而且就算频率变化仍能保持很好的响应特性。 3、 腔体滤波器自动装配研究 腔体滤波器采用的是谐振腔体
19、结构 ，主要由盖板、螺母、螺钉、腔体和谐振柱组成，结构比较特殊。在装配过程中，调试步骤十分复杂。至今国内采用的还是人工调试和组装，但其质量差、过程长。很多要求苛刻的滤波器只能从其他区国家进口。发达国家对自动装配 技术的研究很早就开始，一些技术已经非常成熟，能用于生产中。但国内仍有很长的路要走。 文献 13介绍了滤波器自动装配技术的研究现状，对传统装配方法和自动装配技术进行了详尽的分析，找到突破口，从而达到自动组装、调试技术的一体化。通过对相关理论的分析，设计了一套自动装配的系统，对各个子模块进行了详尽的计算和仿真。并且最终进行了物理样机的试制。 参考文献： 1 S.B.Cohn.Direct
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