帶通濾波器寬阻帶技術(shù)解析

一、研究背景

當(dāng)今社會(huì)，隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)通信系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量和速率的要求是越來越高。這就需要信號(hào)在傳輸過程中達(dá)到最低的衰減，同時(shí)可以最大程度抑制傳輸過程中伴隨著的干擾。面對(duì)這種情況，我們通常采用帶通濾波器來處理，因?yàn)闉V波器的性能是當(dāng)代通信系統(tǒng)中影響通信質(zhì)量好壞的重要因素之一。但如果在通信過程中干擾過大或者濾波器通帶過窄，都會(huì)導(dǎo)致濾波器濾波效果變差。因此，在這種應(yīng)用環(huán)境下可以選擇使用阻帶濾波器來抑制通帶外干擾信號(hào)。阻帶濾波器的優(yōu)勢(shì)在于通帶損耗小，抑制阻帶干擾信號(hào)時(shí)延小，阻帶抑制能力強(qiáng)。所以寬阻帶、高選擇[的濾波器研究與設(shè)計(jì)不斷得到研究人員的重視，也是濾波器一個(gè)重要的發(fā)展方向。研究寬阻帶濾波器不僅解決了信號(hào)傳輸多干擾問題，也滿足了多種應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)濾波器的特性要求，是現(xiàn)代濾波器的重要發(fā)展趨勢(shì)。

二、寬阻帶技術(shù)

1）零點(diǎn)抑制技術(shù)

零點(diǎn)抑制技術(shù)的零點(diǎn)為傳輸零點(diǎn)，也叫衰減極點(diǎn)，對(duì)于理想情況下，這個(gè)頻率上的信號(hào)會(huì)全部反射回信號(hào)源端。所以針對(duì)不想要的信號(hào)，可以通過特定方法在這個(gè)信號(hào)的頻率點(diǎn)上產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，達(dá)到濾除的目標(biāo)。在設(shè)計(jì)寬阻帶濾波器時(shí)，通?？梢越柚鷤鬏斄泓c(diǎn)來實(shí)現(xiàn)良好的阻帶響應(yīng)。

2010年，Kim Young-Sik 等人利用“啞鈴”型缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS)，在寬帶帶通濾波器的帶外引入多個(gè)傳輸零點(diǎn),然而帶外抑制的寬度嚴(yán)重依賴于DGS的個(gè)數(shù),且在這個(gè)設(shè)計(jì)中20-dB的抑制水平僅延伸到3f0(f0為帶通響應(yīng)的中心頻率左右。

結(jié)構(gòu)圖與S參數(shù)

2）級(jí)聯(lián)低通響應(yīng)

串聯(lián)低通濾波器方法就是在濾波器的輸入輸出端串聯(lián)一個(gè)或多個(gè)低通濾波器來直接濾除高次模式，這種方法是抑制高次模的方法中最為簡(jiǎn)單的一種。

在2013年，Wu Wen等人利用由一段高阻抗微帶線和一對(duì)加載在其中心的徑向短截線以及加載在HIML兩端的一對(duì)階梯阻抗開路短截線組成的低通濾波器與一對(duì)高通短路高阻抗微帶線組成的高通濾波器，以構(gòu)造具有寬阻帶的寬帶帶通濾波器。實(shí)現(xiàn)帶通濾波器，其阻帶可達(dá)到15*f0（20db）。由于高通性能的原理的限制，其工作頻段限制在低頻。

結(jié)構(gòu)圖與S參數(shù)

3）縮放線技術(shù)

在2017年，Zhang Runqi等人利用縮放線替代傳統(tǒng)的寬帶枝節(jié)型濾波器的傳輸線，不但實(shí)現(xiàn)了寬阻帶的響應(yīng)，同時(shí)還將傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)小型化。但這種技術(shù)在個(gè)別頻率點(diǎn)處有輻射現(xiàn)象。

結(jié)構(gòu)圖與S參數(shù)

4）模式的場(chǎng)分布利用

這種方法是根據(jù)諧振腔中諧振模式的電場(chǎng)分布特性，來設(shè)計(jì)濾波器的饋電及耦合結(jié)構(gòu)，使高次模式無法激發(fā)抑或不能進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高次模式的消除。

18年，W Shen給出了一種綜合利用半?；刹▽?dǎo)(Half mode substrate integrated waveguide, HMSIW）諧振腔、共面波導(dǎo)(Co-planar waveguide, CPW)、微帶線設(shè)計(jì)的寬阻帶濾波器，由于三種不同的傳輸線具有不同的諧振特性，使得所提出的濾波器結(jié)構(gòu)具有了2.65倍中心頻率的阻帶抑制性能。但這種設(shè)計(jì)無疑需要對(duì)諧振腔形狀和諧波頻率做出精巧合理的規(guī)劃才能實(shí)現(xiàn)，而這將提高濾波器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

結(jié)構(gòu)圖和S參數(shù)

5）混合電磁耦合

諧振模式的耦合強(qiáng)度由電耦合和磁耦合共同決定，這種方法就是利用混合電磁耦合，使得高次模的電耦合強(qiáng)度與磁耦合強(qiáng)度相等，從而使得總體的耦合為零，實(shí)現(xiàn)對(duì)高次模式的抑制。

2020年，Akhilesh MohanAkhilesh Mohan提出一種單層平面的電磁混合耦合結(jié)構(gòu)單層平面的電磁混合耦合結(jié)構(gòu)的寬阻帶濾波器。該濾波器的-20dB 阻帶抑制寬度可以達(dá)2.01*f0。

結(jié)構(gòu)圖與S參數(shù)

6）集總分布混合技術(shù)/準(zhǔn)集總技術(shù)/集總技術(shù)

集總分布混合技術(shù)/準(zhǔn)集總技術(shù)均是利用集總參數(shù)來破壞分布參數(shù)的周期諧波，從而實(shí)現(xiàn)寬阻帶特性。

在2017年，WU KE LI等人提出了復(fù)合型串聯(lián)諧振單元，這個(gè)單元由高阻抗傳輸線并聯(lián)一個(gè)集總電容，并且將寬帶理論運(yùn)用到綜合所提出分布/集總混合電路，實(shí)現(xiàn)了7*f0的寬阻帶特性。

結(jié)構(gòu)圖與S參數(shù)圖

三、總結(jié)

該綜述以場(chǎng)與路的思路為起點(diǎn)，從技術(shù)層面出發(fā)，介紹了寬阻帶帶通濾波器的增強(qiáng)帶外抑制和拓寬阻帶的方法。

面對(duì)未來越來越復(fù)雜和困難的信號(hào)傳輸環(huán)境，寬阻帶濾波器具有巨大的應(yīng)用前景。根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)阻帶濾波器的特性要求也是不一樣的。有需要高抑制的，有需要寬阻帶的，有需要帶外衰減少的和選擇性高的結(jié)構(gòu)等。特別的是，在一般實(shí)際應(yīng)用中，微帶濾波器的阻帶通常不能完全抑制干擾信號(hào)，由于分布式濾波器具有性能周期性，通常會(huì)在阻帶中產(chǎn)生寄生通帶，也就是產(chǎn)生諧波，這種濾波器性能特性會(huì)影響發(fā)送方和接收方的傳輸效率，影響通信質(zhì)量，直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。但是寬阻帶濾波器可以巧妙地解決這個(gè)難題，不僅可以在阻帶范圍內(nèi)抑制諧波的產(chǎn)生，還可以充分的拓寬原有的阻帶來增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

審核編輯：湯梓紅