原创 RF及微波滤波器的主要技术和产品方案

目前市面上提供形状、尺寸和技术各不相同的种类繁多的微波滤波器。从用于蜂窝电话、像芯片一样封装的RF及微波滤波器，到能处理数千瓦功率的金属壳腔体封装滤波器，它们可以用在多种应用中。当设计工程师为某个特殊应用选择滤波器时，了解目前的产品技术和供应状况是非常有帮助的。

与大多数电子器件一样，微波滤波器也在向小型化方向发展，而且功率处理能力也在不断增大。目前微波滤波器的尺寸非常小，只有以前产品的几分之一，但其整体性能却没有下降，并具有出色的功率处理能力。在微波滤波器向小型化发展的过程中，滤波器设计者们也找到了可用于构建滤波器的不同材料。传统的感容型(LC)滤波器只是各种基于谐振元件的RF/微波滤波器类型中的一种。这些谐振元件包括陶瓷谐振器、石英谐振器、电介质谐振器、薄膜体声波谐振器(FBAR)、声表面波(SAW)谐振器，甚至特异的YIG谐振器。或许没有哪种器件像微波滤波器那样采用了如此多种类的材料和结构，如波导、梳状线和板状线结构。

体积较小的表面贴滤波器在蜂窝通讯基站设备和手机中得到了大量使用，这使得对滤波器的需求呈爆炸性增长，因为这种小型滤波器被用来在整个2,100MHz频段上，隔离手机和基础设施中通讯通道的信号与干扰通道、邻近通道的信号。随着采用3.5GHz及更高频带的WiMAX设备越来越多，这个趋势无疑将延续到更高频率的应用中。

为详细定义滤波器，首先需要理解滤波器的滤波功能类型。根据频率响应可以把滤波器划分成带通、带阻、低通和高通滤波器四大类。例如，低通滤波器可削弱由60Hz电源线产生的高频噪声和干扰。顾名思义，低通滤波器允许低于某个截止频率的信号通过，并削弱高于该频率的信号。高通滤波器的作用恰恰相反，它允许高频信号通过，并消除低于截止频率的低频率失真。带通滤波器允许给定频段或频道的信号通过，而抑制频率低于和高于通频带的信号。带阻或陷波滤波器只抑制在某特定频率及其周围某带宽内的信号，而允许其它频率的信号通过，从而削弱某个特定频率的干扰或不想要的信号。

图1：RS Microwave公司的大功率准椭圆带阻滤波器采用负载为平行板集总电容的平行耦合走线，非常适用于抑制军事应用领域的扩频射频信号。

理想情况下，每种滤波器类型都将使想要的信号无损耗地通过，并完全消除不想要的信号。但实际上，许多性能参数被用来表达实际滤波器的特性相对理想特性的偏离，这些参数包括电压驻波比(VSWR)、通带纹波、通带插入损耗、阻带抑制、滤波器形状、相位响应、群延迟以及反映滤波器谐振特性的品质因数(Q)。高Q值元件具有高性能的窄带滤波特性，而低Q值元件的通带插入损耗较高、阻带衰减较低。

简单地说，带通滤波器可以让我们清晰地得到一个已知的或感兴趣的信号，而带阻滤波器则能消除一个已知和不想要的信号。例如，RS Microwave公司开发的50822B-2带阻滤波器可被用来解决SPS-49远程雷达的共场(co-site)干扰问题。该滤波器的下通带为从DC到800MHz，上通带为从1,000到5,000MHz，在850到945MHz的阻带内，抑制能力为45dB。50822B-2被设计成在阻带(该雷达的工作范围)可处理10W的平均功率和50W的峰值功率，其下通带插入损耗低于1dB。为实现高空载Q值和高阻带抑制性能，该滤波器采用了空气板状线(air-slabline)结构。

在去年年底，RS Microwave公司还推出了一种新的大功率带阻滤波器设计方法。该公司的设计工程师通过利用Ansoft公司的HFSS电磁仿真软件进行参数提取，并利用Ansoft Designer软件进行电路级优化，将集总电路元件和分布电路元件组合在一起，从而构建出非常适用于抑制军事应用领域的扩频射频信号(如JTIDS系统发出的信号)的大功率陷波滤波器。该公司还利用这种方法设计了准椭圆带阻滤波器，这种滤波器采用负载为平行板集总电容的平行耦合走线(图1)。该滤波器的下通带为直流到900MHz，上通带为1,286到5,000MHz，在这两个通带中的最大插入损耗均为1dB。阻带抑制大于或等于50dB的频率范围从969到1,206MHz，此时它可处理20W的平均功率、80W的峰值功率。

Dielectric Labs公司是Dover集团从事微波滤波器制造的公司之一。该公司基于其陶瓷材料开发出一种可用于构建67GHz或更高频率的微型滤波器的先进谐振技术。该公司的带通滤波器产品包括中心频率为2.14GHz的叉指型(interdigitated)滤波器，和中心频率为3.5、4.2和6.5GHz的对称双模式谐振滤波器(SDMRF)。该公司还生产一种紧凑的37GHz边沿耦合型陶瓷滤波器，其体积约为印刷线路板(PWB)滤波器的1/15，且重复性和温度稳定性都有大幅度提高。

Dover集团的K&L Microwave公司是一家在微波滤波器方面更加有名的公司。该公司产品阵容庞大，包含从小型表面贴滤波器到大功率腔体型滤波器。该公司的集总元件滤波器覆盖众多频率，采用了多种拓扑结构和封装形式，包括0.5到200MHz的微型封装器件、30MHz到10GHz的超微型封装器件等一共四种基本的滤波器以及多重滤波器。该公司也向军用和商用射频市场提供大功率波导滤波器。其中，矩形波导滤波器产品包含带通、低通滤波器和双工滤波器，波段范围为2.5到40 GHz。

K&L Microwave公司在其主页上提供“K & L公司微波滤波器选择向导”软件为用户选择产品提供帮助。用户只要输入指标要求，该软件就会返回一系列满足要求的产品。当现有的所有产品均不满足要求时，该软件将打开一个索取报价页面，并自动把用户的要求通过电子邮件发送给K & L微波公司。

图2：Integrated Microwave公司的梳状线带通滤波器925064的中心频率为5.8GHz，1dB相对带宽为2%，通带插入损耗为1.5dB。

与K&L Microwave公司类似，RLC Electronics公司也在网站上提供滤波器选择软件。该公司提供广泛的滤波器产品，其中F-17281叉指型带通滤波器的通带宽度高达20到40GHz，中心频率的插入损耗为1dB或更低，在从直流到14.5GHz的下阻带和到48.5GHz的上阻带中，其典型的抑制能力为40dB；在60GHz以下的抑制能力为20dB或更高。

Wainwright Instruments GmbH公司提供广泛的低通、高通和带通微波滤波器产品系列，包括K系列宽带通滤波器。这种滤波器的通带范围在0.5到15.0 GHz之间，封装尺寸为12.7×13.2×45mm，阻带最高频率达21GHz。其中一种带宽最宽的滤波器，其3dB通带带宽为0.9到9.0GHz，通带插入损耗为2dB或更小。

Trilithic公司在为UMTS基站应用设计高性能接收/发射带通滤波器时也采用了建模软件。这种接收器滤波器的通带为1,899到1,921MHz，输入/输出回波损耗为15dB，通带插入损耗为1.15dB。接收滤波器在直流到960MHz频段的抑制能力达50dB，在1,880MHz以下的抑制能力大于40dB。在高于通带频带上，从1,980到2,680MHz的抑制能力高于25dB，从2,660到5,800MHz抑制能力为60dB或更高。发射滤波器在1,902.6、1,907.6、1,912.6和1,917.5MHz四个发射频率提供插入损耗为1.95dB的±2MHz通带，带外抑制能力为60dB或更高。

晶体振荡器是在低频率应用(如IF通道滤波)中使用的最古老的滤波器之一。这种尺寸小、成本低的振荡器可被用来产生200MHz左右的振荡频率，但它很难达到频率更高的应用所要求的公差。例如，Network Sciences公司的UM系列晶体带通和带阻滤波器(可定制)的振荡频率在40到200MHz范围内，采用两极到10极的配置，相对带宽为0.015到0.6%。晶体极的数目决定了可能的阻带抑制能力。

图3：Lark Engineering公司的表面贴梳状线带通滤波器的插入损耗在0.5到1.5dB之间，几乎可忽略不计。

Murata公司的GIGAFIL滤波器产品系列以电介质振荡器为基础。例如，DFCB带通滤波器系列包含多个型号(中心频率在836到959MHz范围之间)。型号为DFCB2915MLDJAA的ISM频段滤波器的带宽为26MHz，中心频率为915MHz，在837.5MHz下的抑制能力为27dB，通带插入损耗为2.5dB。这些滤波器的尺寸为8.2×5.8×3mm。DFCB系列高频产品的频率范围为1.5到5.0GHz。另外，该公司也制造基于陶瓷和SAW振荡器的滤波器。

通过在几年以前收购SAW滤波器/振荡器设计公司Sawtek，长期涉足GaAs集成电路的TriQuint Semiconductor公司已发展成一家领先的SAW滤波器供应商。该公司最近推出了面向下一代GSM和CDMA手机、尺寸只有1.4×2.0×0.5 mm的SAW滤波器系列。该公司的产品营销经理Danny King表示：“这些面向CDMA 和GSM的新型SAW滤波器是目前尺寸最小的产品，与前一代产品相比，它们在提供卓越性能的同时大大减少了所需的电路板空间。”

Integrated Microwave公司最近推出了型号为925064的梳状线带通滤波器，该产品的中心频率为5.8GHz，1dB相对带宽为2%(图2)，通带插入损耗为1.5dB。这种滤波器的30dB相对带宽约为4.8%，并有多种连接器、封装方式和中心频率可供选择。该公司也为2.4GHz应用提供型号为930073的低成本陶瓷双工滤波器。这种为发射和接收应用提供两个10MHz通道而设计的双工滤波器，具有很低的插入损耗(2.5dB)和很高的收/发隔离度(22dB)。这种双工滤波器的每个通道具有两个极，可处理5 W的连续波(CW)功率，而尺寸只有1.1×0.470×0.310英寸。

Lark Engineering公司研制出一个出色的表面贴梳状线带通滤波器系列，中心频率在5到15 GHz范围内，相对带宽为3到20%。这些滤波器的插入损耗在0.5到1.5dB范围内(几乎可忽略不计)，具体数值与频率相关(图3)。它的回波损耗典型值为17dB，最小回波损耗为14dB。这些梳状线滤波器面向军事环境而设计，尺寸只有0.5×0.5×0.75英寸。

当需要把接收器与发射器分开时，双工滤波器可比传统滤波器提供更多的控制。由Agilent Technologies公司半导体部门发展起来的Avago Technologies公司，是应用在蜂窝电话中的双工滤波器的领先供应商之一。该公司最近发布了多款面向美国PCS和UMTS应用的基于FBAR技术的微型双工滤波器(图4)。

图4：Avago Technologies公司的微型UMTS双工滤波器采用了FBAR技术。

其中，ACMD-7402面向美国PCS发射(1,850.5到1,909.5MHz)和接收(1，930.5到1，989.5MHz)应用，ACMD-7601面向UMTS Band I发射(1,920到1,980MHz)和接收(2,110到2,170MHz)应用，两者的尺寸均为3.8×3.8×1.3mm。ACMD-7402可处理1W(+30dBm)的发射功率，最小的接收器噪声阻断能力为42dB，最小的发射干扰阻断能力为54dB。ACMD-7601可处理2W(+33dBm)的发射功率，最的小接收器噪声阻断能力为45dB，最小的发射干扰阻断能力为51dB。

Merrimac Industries公司的滤波器，采用该公司专利的Multi-Mix多层制造工艺。通过把多个电路和基底层熔接在一起，该公司开发出可重复使用的微型带通滤波器。当中心频率在40GHz以下时，这种滤波器的相对带宽只有1%。例如，该公司推出的一款带通滤波器，通带为29.5到30.0GHz，尺寸为0.413×0.296×0.02英寸，重量只有0.1盎司，但却可以处理1W功率，最大插入损耗为3dB，回波损耗为12dB。在27GHz抑制能力优于43dB，从32到33 GH抑制能力高于30dB。

KW Microwave公司提供种类繁多的微波滤波器，包括从30MHz到18 GHz的梳状线和叉指型滤波器。该公司也制造一些不太常见的、频率从20MHz到12GH的管状滤波器。这些滤波器的振荡器被管形外壳包围着，并与外壳形成容性耦合。它们具有2到15个种类，可根据低通和带通响应特性进行定义。

对于希望进行实验研究的工程师来说，Pulse Research Lab公司提供一种信号调整工具套件。利用该套件，设计工程师可以快速构建3GHz以下的信号调整电路(包括衰减器和滤波器)。它并配有阳型或阴型BNC连接器，并提供可直接插入到传输线中的小尺寸产品(带电缆或不带电缆)。