早在20世纪初期,科学家Mason、Sykes、Darlington和Richards等人就开始试验探索滤波器。1910年,载路电话系统的建设开启了无线通信领域发展的大门。对于获得特定频段信号的强烈需求极大地激励了滤波器的发展。1940年左右,衍生出了最早的滤波器设计理论——镜像参量法。镜像参量法虽然较为容易,但是一般需重复迭代来获得较优越的性能。G.Matthaei、L.Young,、E.Jones和S.Cohn等人积极研究微波滤波器和耦合器,是开拓微波滤波器研究领域的先驱。G.Matthaei等人将分布参数与集总参数滤波器相联系,阐述了构建滤波器原型的方法。S.Cohn最早提出了直接耦合空腔滤波器理论,并引入计算机技术构建滤波器。L.Young则是探究了宽带滤波器适用的分布参数低通滤波器原型[2]。
20世纪末,Cameron发展滤波器的耦合矩阵理论,解析了切比雪夫型滤波器,阐述了耦合矩阵综合滤波器原理。21世纪初,Cameron又研究了广义耦合矩阵,提出了较为全面的交叉耦合理论。他探究出与滤波器阶数一致的传输零点,Thomas则是研究了传输零点产生的相位原因[3]。不仅仅滤波器理论,滤波器的结构也在一直发展。初期阶段,滤波器基本为组合电容、电感的集总参数滤波器。随着新材料的开发,其他类别的滤波器也被研发出来。1937年,W.P.Mason研发了一种用于不匹配电路的晶体滤波器。20世纪70年代,大量优良陶瓷材料的开发促进了介质滤波器的发展。陶瓷滤波器由于价格低廉,广泛装设在民用电子设备上。在20世纪后期,还研发出了高温超导体滤波器和阶梯阻抗谐振器。新的加工技术如低温退火共烧结技术(LTCC)、微波集成电路技术(MMIC)等,也使滤波器的研究有了极大的飞跃[4]-[5]。发展到今天,滤波器已经有了多种不同的类别。从传输特性来看,滤波器可分为高通、低通、带通、带阻这四大类;从组成元件来看,滤波器可分为集总参数滤波器和分布参数滤波器两类;从结构上来分,则有波导滤波器、介质滤波器、同轴线与微带滤波器等[6]。
其中,微带滤波器是滤波器的重要分支。微带滤波器作为平面结构,与其他器件集成难度小,符合高集成度的发展趋势。并且微带滤波器具有重量轻、可靠性高、价格相对低廉等优点[7]。因此微带滤波器在各类器件中的大量应用。
微带滤波器常见的结构有平行耦合型、发夹型和交指型。1958年SeymourB.Cohn教授提出了平行耦合型滤波器的结构。这种类别以平行耦合线为基础,级联后得到需要的滤波器[8]。当滤波器的阶数提高,不仅可改善滤波器的带宽,选择性也有所提高。但是插损一般会恶化,同时也拓宽了滤波器的面积。
1962年,GeorgeL.Matthaei教授成功试验出交指型滤波器。这是对平行耦合型的改进,交指型对基板的利用率更高。然而交指型滤波器需要加大耦合系数来达到更宽的带宽。在实际设计和加工中有一定的难度[9]。
1971年,EdwardG.Cristal和SidneyFrankel阐述了发夹滤波器的概念。将基本的半波长谐振器进行折叠。相比于同阶数的平行耦合型滤波器,发夹型往往耗费更小面积的基板,易于制造小型化的滤波器[10]。从信号进出方式来看,发夹滤波器主要有平行耦合式和抽头式两种。抽头式的发夹滤波器一般结构如下:
1980年日本学者Makimoto.M提出了阶梯阻抗谐振器(SteppedImpedanceResonator)。阶梯阻抗谐振器交替排列高低阻抗线,改变各部分阻抗比来大幅度调节谐振频率比,进而调整滤波器的寄生通带距离通带的频距。阶梯阻抗谐振器结构紧凑,谐波抑制效果好但一般选择性不够优越[11]。
20世纪后期,双模谐振结构、开环谐振结构、缺陷地结构这三种新结构陆续被提出。双模谐振器通过在谐振单元切角或开缝,引入了微扰点来减少谐振器的数量到原有的一半,达到小型化的目的。开环滤波器在金属环上开口形成电容,在变化磁场中构成谐振单元。双开口谐振环可以消除电偶极矩。缺陷地滤波器(DGS)则是在接地板蚀刻出图形来提高特性阻抗。传统的研究对象是介质板表面,DGS却创新地探究了金属接地板上的结构。通过在接地板上开槽的方式,DGS一般可以改善滤波器的谐波抑制效果[12]。