基于平面离散结构的高性能微波无源器件设计技术研究

发布时间：2020-03-19 21:53

【摘要】：多年来,小型化和高性能设计一直是微波无源器件设计的追求,在材料、工艺和结构设计等方面均取得了长足的进展。通常,材料、工艺突破后,微波无源器件的结构设计就成为重点。因此,高性能微波无源器件设计面对的一个根本问题就是:在给定材料、工艺和电路设计空间的条件下,实现某一类型的无源器件,到底什么样的结构才能提供最优的性能?现有的电路结构设计方法大多基于“试凑-优化”的设计模式,采用的结构为规则结构,具有一定的局限性,这使得寻找性能最优、结构构型灵活的电路结构优化设计需要采用更有效的结构描述和优化技术。本文将采用基于分解的多目标进化算法(Multi-Objective Evolutionary Algorithm based on Decomposition,MOEA/D)作为优化框架来设计平面离散网格构型的电路结构,以实现微波无源器件高性能设计。围绕离散型电路结构设计,本论文研究内容包括:1.提出了基于离散结构的微波无源器件设计方案并研究了离散结构相关特性。本论文采用离散化的思想对电路结构进行描述,得到的离散结构可以打破常规电路的拓扑或形状,设计自由度大,具有实现更多拓扑及电路结构的能力。针对离散结构的电路形态迥异于传统的平面规则结构这一特点,本论文采用近似等效电路分析方法,研究了离散结构损耗、宽带、小型化等特性。2.提出了离散结构高效的搜索策略和方法。本论文将具有遗传操作算子的MOEA/D(MOEA/D Combined with Genetic Operators,MOEA/D-GO)作为优化内核来求解离散结构优化问题。为加快算法设计效率,本论文将微波无源器件设计相关的工程经验融入到MOEA/D-GO中用于解决离散型微波无源器件多目标优化问题(Multi-Objective Optimization Problem,MOP),提出了若干种高效的优化搜索策略和方法。3.首次将平面离散结构应用于高性能定向耦合器设计。论文分析了与定向耦合器相对应的无耗及有耗四端口网络S参数约束,给出了各端口之间的相差与隔离度及耦合度之间的约束关系,明确了离散结构优化搜索的目标。在此基础上,结合前述的高效搜索策略和方法实现了一系列基于平面离散结构的高性能定向耦合器设计。这些设计实例获得的整体性能显著优于已见诸报道的设计结果。4.研究了平面离散结构在高性能滤波器中的设计应用。本文利用离散型耦合结构替代原滤波器中部分耦合结构实现了高性能小型化滤波器设计,直观的展现了离散结构在滤波器设计应用中带来的好处。在此基础上,进一步设计了全离散型滤波器。此外,结合离散结构在定向耦合器中的设计优势,首次将离散结构应用于高性能巴伦滤波器设计中,并总结了不同优化搜索策略下的设计效率对比。5.首次将离散结构用于多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)天线隔离设计。论文先简单介绍了离散结构去耦原理,明确了离散结构在搜索优化过程中主要改善的天线参数。然后在此基础上,设计了若干款高隔离MIMO天线,分别是双平面倒F天线、双印刷单极子天线、双微带贴片天线。最后,讨论了引入离散隔离结构后对MIMO天线性能的影响,并探讨了与离散结构设计有关的因素,如单元尺寸、设计区域大小、小块密度等。综上,本论文围绕在给定材料、工艺和电路设计空间条件下的电路结构设计展开,采用有效的平面离散结构描述技术和多目标优化技术,为结构适应性好、各项性能趋优的小型化高性能微波无源器件的设计,提供一种全新、高效的设计技术。
【图文】：

滤波器图,无源器件,滤波器设计,设计步骤

在电路结构设计上取得一系列的突破，不同的高性能定向耦合器电路结构相继逡逑提出。例如，Ｓ．－Ｆ．邋Ｃｈａｎｇ等人通过奇偶模等效电路理论分析在传统平行耦合线逡逑结构上增加了一段耦合支线用以产生额外的隔离零点，如图１．３邋（ａ）所示，在逡逑优化该耦合支线尺寸后，实现了具有高方向性的定向耦合器设计［３６］；邋Ｓ．Ｍ．邋Ｗａｎｇ逡逑等人通过将平行耦合线弯折后形成蜿蜒耦合线结构，，如图１．３邋（ｂ），达到补偿偶逡逑模相速度的效果，从而实现高方向性设计［３７］；邋Ｙ．邋Ｈ．邋Ｃｈｕｎ、Ｔ．邋Ｆｕｊｉｉ和Ｙ．邋Ｗｕ等逡逑人先后利用四分之一波长时延线和具有耦合作用的四分之一波长时延线增加等逡逑效耦合长度，如图１．３邋（ｃ）所示，并且通过优化时延线的具体参数调整奇偶模逡逑３逡逑

定向耦合器,设计模式,高性能,电路结构

实现了单层高定向性的紧耦合（３ｄＢ）定向耦合器设计ｓ．＿ｓ．逡逑Ｌｉａｏ和Ｃ．－Ｈ．邋Ｔｓｅｎｇ等人基于传输线枝节加载小型化技术，提出了邋Ｔ型和７ｉ型加逡逑载结构，如图１．３邋（ｄ）所示，通过优化加载位置及加载结构的尺寸，设计了若逡逑干款小型化高性能分支线型定向耦合器。这些研究成果提出的新型电路结逡逑构在一定程度上丰富了定向耦合器电路结构的选择。逡逑Ｐｏｒｔ邋１逦Ｐｏｒｔ邋２逡逑ｕｐ＾邋ｉｕｊ’逡逑ｒＬ——１逦ｍ逡逑Ｐｏｒｔ邋３逦Ｐｏｒｔ邋４逦Ｕｉ逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑■邋＞４邋６ＸＩＭ邋ｊｎｒａ逡逑？ｉｒｒｓｔｒｉｐ逦ｉ逦ｒ逦／ＨＨｉ逡逑＞邋ｏｉ＃ｒ邋°ｆｌ逦－Ｐ＇Ｊｉ逡逑１１逦６－°°逦Ｉ逦上逦ｉ逦■逦ｉ逡逑＃ｌｉ逦ｌ＃３逡逑（ｃ）逦（ｄ）逡逑图１．３采用“试凑－优化”设计模式得到的不同高性能定向耦合器电路结构逡逑“试凑－优化”的设计模式除了广泛应用在高性能滤波器和耦合器设计中逡逑夕卜，该设计模式在ＭＩＭＯ天线隔离结构设计中也可获得不同新型的隔离结构，逡逑取得ＭＩＭＯ天线整体性能的提升。目前，解决ＭＩＭＯ天线互耦的方法主要分逡逑为三类：带阻滤波去耦方法［４３］－【４７１、场对消去耦方法［４８Ｈ５＞］以及引入去耦网络方逡逑法［５２＞［５４］。国内外学者基于上述三种方法优化设计了一系列的ＭＩＭＯ天线隔离逡逑结构。例如，Ｌ．邋Ｙａｎｇ等人根据带阻滤波去耦方法提出了一种电磁带隙逡逑（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｂａｎｄ邋Ｇａｐ，邋ＥＢＧ）结构，如图１．４邋（ａ）所示，它可以在天线间逡逑的耦合路径上增设某种带阻谐振结构
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN61

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