小型化高选择阻抗变换集总滤波器的研究与设计综述
【摘要】 随着5G时代的到来，无线通信所用的频带也逐渐扩大。由于可用的射频（RF）频谱资源是有限的，我们需要开发各种新型技术，使得频谱资源的利用率不断上升。滤波器是通信系统中一个十分重要的组成部分，整个无线通信系统的性能好坏直接与滤波器的性能好坏相关，滤波器的研究开发以及新型结构的创造是十分重要的。滤波器最主要作用是选频。同时，滤波器还有抑制杂散频率、改善系统的群时延等方面的重要作用。随着5G所使用MIMO天线的发展，滤波器的设计逐步趋于小型化，并且由于5G所用频段的灵活性，对滤波器的高选择性也越来越得到重视。本文对滤波器的发展历史进行了整理，介绍了滤波器设计的一般原理及步骤。并且对国内外现有的滤波器小型化以及带宽展开方法进行了较为全面的调研，对滤波器的小型化、宽带展宽方法的发展前景进行了展望与总结。
【关键词】滤波器 小型化 高选择性 宽带 5G
引言
随着旨在同时为用户提供多种服务的新型无线通信系统（5G）的出现，高度先进的射频电子设备的开发需求增大，下一代卫星通信接收机中先进的微波和中频电子设备的体积以及尺寸要求越来越严格，并且需要能够在不同的信号条件下工作。作为无线通信系统中至关重要的，滤波器性能要求越来越高，这给微波滤波器的设计带来了新的挑战。在缩小滤波器尺寸的方面，近几年来提出了不少方法，主要有利用多模谐振器，以及采用多层金属如低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics LTCC)、多层液晶聚合物(Liquid Crystal Polymer, LCP)、集成无源器件(Integrated Passive Device, IPD)技术进行无源滤波器的设计与制作以及互补金属氧化物半导体(Camplem entaryMetal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺实现有源滤波器的设计等，但是这些方法或多或少存在一些缺陷，比如说使用LTCC技术所形成的电感Q值比绕线电感值要低同，利用LCP技术靠和IPD技术设计的无源滤波器以及利用CMOS工艺构造的小型化有源滤波器插入损耗较大，因而实现一个小型化，插入损耗较低、高选择性的滤波器仍然是一个很严峻的挑战。对其的研究突破也具有重大意义。
微波滤波器的发展历程
1915年，德国科学家K.W.Wagner首次提出了一种滤波器设计方法[1]，并且以自己的名字命名为 “Wagner滤波器”，他也因此闻名于世。而几乎在同一时间点，美国科学家G.A.Canbell也提出了一种滤波器的设计方法，这种设计方法的主要思想是图像参数法，在当时，因为它十分适合在没有计算机辅助的情况下进行滤波器的设计而受到了极大的关注。
1917年，两国的科学家分别提出了LC滤波器的概念。随着这些技术所取得的突破，许多科研工作人员也开始比较系统地进行基于集总元件的滤波器的理论研究设计，随之而来的是第一个多路复用系统次年在美国面世。随着人们对滤波器理论设计的不断地深入研究、在材料领域取得的不断进步以及微波工作频率的不断升高，滤波器的设计逐渐经历了由原先集总参数元件滤波器到分布式参数元件滤波器的演化。
1939年，P.D.Rich-temeyer报道了新型的介电滤波器，但这种类型的滤波器没有得到真正意义上的应用的原因是当时材料的温度稳定性还达不到要求[2]。
上世纪40年代初，一种新颖的精确设计滤波器的方法被提了出来，这种设计方法一般情况下分为两个步骤进行:第一个步骤就是要确定出传递函数，要求这个函数必须满足滤波器设计特性;第二个步骤是在所获得的传递函数的基础上推算出滤波器的频率响应，通过合成该频率响应能够得到满足滤波器设计要求的真实电路。这种基于传递函数设计方法的优点就是效率高并且有良好的结果，而缺点是计算量太大，所以在当时那个还没有计算机的年代没有得到大范围的应用。随着计算机的问世才使得这种领先的设计方式真正有了发挥的舞台。
如今人们在这种基于传递函数的方法的基础上又提出很多新的滤波器的设计方法。20世纪70 年代的时候，滤波器开始朝着小型紧凑、高精度以及高性能的方向发展，随着陶瓷材料的出现[3]，由于其温度高稳定性和高Q值的优点，在很大程度上推动介电滤波器的迅速发展。1980年后，随着滤波器在通信领域越来越重要的地位，需求量也随之变得越来越大，使得人们不得不思考怎样才能低成本大量地制作滤波器。而低温共烧陶瓷技术和高温超导技术等新技术的出现使得设计出新型极小尺寸和极低损耗的滤波器成为可能。
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