線性相位濾波器

濾波器是一種用來處理信號的器件或電路，主要作用是讓有用信號無損耗地通過，同時儘可能地反射掉無用的信號。信號的相頻特性和幅頻特性一樣，都是信號的重要特徵。長期以來，無論對於數字信號還是模擬信號，相位特性往往不是考慮的重點。但隨着通信市場的不斷髮展，人們對通信質量的要求越來越高，相頻特性也越來越受到重視。振幅響應和相位響應均不失真的濾波器可以降低系統的誤碼率，改善通信質量。

在電視、網絡、數字通信和雷達系統中，輸出信號想要恢復輸入信號攜帶的原始信息，必須滿足無相位失真條件。有線電視前端系統的性能指標決定了其信號的質量好壞，濾波器是其前端系統中重要的一環，它可以過濾或抑制干擾信號，以得到用户需要的電視圖像和聲音。但如果傳輸函數的相頻特性產生變化，則由此引起的相位畸變將會使用户接收的電視信號產生失真。此外，線性相位濾波器在雷達的脈衝信號傳輸和功放的預失真技術中都有着重要的應用。有時系統需要滿足一定的相位特性，比如脈衝壓縮或擴展，或補償其他元器件所產生的相位失真等，比如濾波器或色散結構，也需要用到線性相位濾波器。

線性相位濾波器主要有兩種實現方法：外部均衡法和自均衡方法。

外部均衡線性相位濾波器的設計思路是：在濾波器所在電路中連接一個相移均衡器，其相位特性與濾波器相反。插入的外部均衡器的羣時延的起伏與濾波器帶內起伏是相反的，二者抵消從而使整個系統的羣時延平坦。耦合諧振器型外部羣時延均衡器為單端口微波器件，它通過環形器或3dB定向耦合器與濾波器連接，用於改善濾波器的羣時延特性。系統的總羣時延等於濾波器的傳輸羣時延與均衡器的反射羣時延之和，如圖1所示，其中(a)方案採用環形器將濾波器與相位均衡器相連，方案(b)是通過3d B混合耦合器將濾波器與相位均衡器相連。

外部均衡線性相位濾波器的優點是相位均衡器可以製作成獨立的微波元件與微波濾波器級聯使用，也可以與濾波器集成在同一片介質基片上使用，可以分別單獨設計和加工，在一定程度上便於性能的控制，降低了加工的難度。缺點是外接相位均衡器使得系統的體積增加很多，不利於系統的小型化集成。

自均衡線性相位濾波器就是利用交叉耦合在複平面的是實軸引入傳輸零點，從而在濾波器通帶內產生平坦的羣時延特性。因為諧振器間的耦合除相鄰的直接耦合外，還存在非相鄰諧振器間的交叉耦合，因此電路結構相對複雜，設計難度更大。但是自均衡設計方法的優點是集成度高，可以有效減小系統的體積。

原理圖如圖2所示，其中節點AB為信號輸入輸出口，線A和線B是濾波器中用於輸入輸出阻抗匹配的部分，線1到線n是諧振級。每個諧振級由多層帶狀線組成，各個諧振級之間通過帶狀線的寬邊耦合。

在沒有集總電容

的情況下，這個結構是一個全阻帶結構，因為此時諧振帶狀線的長度是四分之一波長，由傳輸線理論可知，各帶狀線問的電耦合和磁耦合的幅度相等但相位相反，因此相鄰諧振級之間的耦合效應將相互抵消。所以通常梳狀線濾波器的各諧振器頂端的集總電容

；要設計得很大，這樣我們就要求諧振線的長度遠遠短於四分之一波長。

諧振器的電長度為

，它與諧振器長度L的關係為

(

為介質中的波長)。一般諧振線選擇為八分之一波長或者更短，這樣使得濾波器更體積變得更小，且第二通帶的中心頻率將為第一通帶中心頻率的4倍，同時也使得濾波器的寄生通帶遠離通帶中心。

通常情況下，濾波器通帶的相對帶寬大於15%時，濾波器的設計可以採用交指線結構；相對帶寬大於5%時，可以選用梳狀線結構；相對帶寬小於5%時，採用同軸腔體結構。一般而言，如果採用梳狀線結構設計帶寬較窄的濾波器，體積會比採用同軸腔體結構大很多。因為腔體結構內導體之問有隔板可以減弱耦合，但是梳狀線結構內導體之間只有介質，為了減弱耦合就要拉寬諧振級的間距。這樣，窄帶的梳狀線濾波器在體積上沒有優勢，但是與同軸腔體結構相比，由於有公式和軟件協助計算，梳狀線濾波器設計起來更加方便簡單。

矩形環狀諧振器是由傳輸線構成的一種封閉環型節構，具有較低的損耗和很高的頻率穩定性，而且成本低、尺寸小、加工方便、易集成。矩形環狀諧振器結構如圖3所示，w為矩形環的寬度，l為矩形環的周長。

這種諧振器屬於二端口微波器件，可以採用二端口網絡的電路理論來分析其性能 ^[1]  。