帶通濾波器寬阻帶技術解析

一、研究背景

當今社會，隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，人們對通信系統(tǒng)信號質(zhì)量和速率的要求是越來越高。這就需要信號在傳輸過程中達到最低的衰減，同時可以最大程度抑制傳輸過程中伴隨著的干擾。面對這種情況，我們通常采用帶通濾波器來處理，因為濾波器的性能是當代通信系統(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，都會導致濾波器濾波效果變差。因此，在這種應用環(huán)境下可以選擇使用阻帶濾波器來抑制通帶外干擾信號。阻帶濾波器的優(yōu)勢在于通帶損耗小，抑制阻帶干擾信號時延小，阻帶抑制能力強。所以寬阻帶、高選擇[的濾波器研究與設計不斷得到研究人員的重視，也是濾波器一個重要的發(fā)展方向。研究寬阻帶濾波器不僅解決了信號傳輸多干擾問題，也滿足了多種應用場景對濾波器的特性要求，是現(xiàn)代濾波器的重要發(fā)展趨勢。

二、寬阻帶技術

1）零點抑制技術

零點抑制技術的零點為傳輸零點，也叫衰減極點，對于理想情況下，這個頻率上的信號會全部反射回信號源端。所以針對不想要的信號，可以通過特定方法在這個信號的頻率點上產(chǎn)生傳輸零點，達到濾除的目標。在設計寬阻帶濾波器時，通?？梢越柚鷤鬏斄泓c來實現(xiàn)良好的阻帶響應。

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

結(jié)構圖與S參數(shù)

2）級聯(lián)低通響應

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)一個或多個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加載在其中心的徑向短截線以及加載在HIML兩端的一對階梯阻抗開路短截線組成的低通濾波器與一對高通短路高阻抗微帶線組成的高通濾波器，以構造具有寬阻帶的寬帶帶通濾波器。實現(xiàn)帶通濾波器，其阻帶可達到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)構圖與S參數(shù)

3）縮放線技術

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，不但實現(xiàn)了寬阻帶的響應，同時還將傳統(tǒng)的結(jié)構小型化。但這種技術在個別頻率點處有輻射現(xiàn)象。

結(jié)構圖與S參數(shù)

4）模式的場分布利用

這種方法是根據(jù)諧振腔中諧振模式的電場分布特性，來設計濾波器的饋電及耦合結(jié)構，使高次模式無法激發(fā)抑或不能進行傳輸，從而實現(xiàn)對高次模式的消除。

18年，W Shen給出了一種綜合利用半?；刹▽?Half mode substrate integrated waveguide, HMSIW）諧振腔、共面波導(Co-planar waveguide, CPW)、微帶線設計的寬阻帶濾波器，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)構具有了2.65倍中心頻率的阻帶抑制性能。但這種設計無疑需要對諧振腔形狀和諧波頻率做出精巧合理的規(guī)劃才能實現(xiàn)，而這將提高濾波器設計的復雜度。

結(jié)構圖和S參數(shù)

5）混合電磁耦合

諧振模式的耦合強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度與磁耦合強度相等，從而使得總體的耦合為零，實現(xiàn)對高次模式的抑制。

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

結(jié)構圖與S參數(shù)

6）集總分布混合技術/準集總技術/集總技術

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

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

結(jié)構圖與S參數(shù)圖

三、總結(jié)

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

面對未來越來越復雜和困難的信號傳輸環(huán)境，寬阻帶濾波器具有巨大的應用前景。根據(jù)不同的應用環(huán)境，對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)構等。特別的是，在一般實際應用中，微帶濾波器的阻帶通常不能完全抑制干擾信號，由于分布式濾波器具有性能周期性，通常會在阻帶中產(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系統(tǒng)的抗干擾能力。

審核編輯：湯梓紅