无线通信系统中小型化平面无源微波滤波器研究

发布时间：2020-06-19 14:39

【摘要】：近几十年来,无线通信技术和消费电子产品的快速发展,对系统的小型化提出了越来越高的要求。无源微波滤波器是通信系统中的关键频率选择组件,其体积和频率响应特性将显著影响系统的性能。微带滤波器作为一种平面化器件由于其设计灵活、结构紧凑、制造成本低廉,成为目前无线通信领域的研究热点之一。本论文主要工作如下:首先,本论文详细阐述了交叉耦合矩阵综合理论以及频变耦合矩阵综合理论,研究了频变耦合系数与电、磁耦合系数之间的关系。采用智能遗传算法和梯度优化算法,引入了频变耦合矩阵的优化理论。然后,通过实例对算法的有效性进行了验证。最后,介绍了电磁耦合系数以及外部品质因数的提取方法。其次,基于嵌入型设计思想以及频变耦合矩阵理论,本论文研究设计了一系列三阶频变耦合带通滤波器。基于均匀阻抗谐振器,本论文设计了一款嵌入型三阶频变耦合滤波器。在该滤波器中,第一和第三谐振器之间通过电、磁分路耦合引入了频变耦合,第二谐振器嵌入在第一、三谐振器间的空档位置并与它们都耦合。三个谐振器形成一种含频变耦合三胞拓扑结构,可以产生两个传输零点,这些传输零点能有效地改善的滤波器的选择性。嵌入型结构使滤波器比较紧凑,电路大小为6.1mm×8.8 mm。随后,本论文提出了一种环形阶跃阻抗谐振器,研究了谐振器的性质。该谐振器的环状结构,可以将其他谐振器嵌入其中,能够在增加滤波器阶数,提高滤波器性能的情况下,不增加滤波器的体积。基于这种设计思想、环形阶跃阻抗谐振器以及含频变耦合的三胞拓扑结构,本论文设计和研究了嵌入半波长双螺旋谐振器的三阶频变耦合滤波器、含源-负载耦合的嵌入半波长双螺旋谐振器的三阶频变耦合滤波器以及嵌入半波长环形阶跃阻抗谐振器的三阶频变耦合滤波器。这三款滤波器频率响应的阻带有3到4个传输零点,选择性较高。嵌入型的结构使得滤波器十分紧凑,三款滤波器电路大小分别为10 mm×5 mm,10 mm×5 mm和13 mm×8 mm。再次,本论文研究设计了一系列双通带滤波器。论文提出一种枝节加载均匀阻抗谐振器,基于该谐振器设计了一款双路频变耦合双通带滤波器。该滤波器频率响应的两个通带边缘均各有一个传输零点,提高了频率选择性。滤波器结构紧凑,电路大小为8.5 mm×8.5 mm。接着,本论文在环形阶跃阻抗谐振器的基础上提出一种开路枝节加载环形阶跃阻抗谐振器。该谐振器不要求对称性,它的加载枝节和加载点可以任意调整,增加了设计的灵活性。同时,由于该谐振是不对称的,传统对称枝节加载环形谐振器的分析方法不再适用。为了研究该谐振器的特性,本论文基于二端口网络理论,提出了一种电路网络分析法。然后,基于该谐振器设计了一款频变耦合双通带滤波器和一款全规范耦合双通带滤波器。这两款滤波器频率响应的选择性都较高,两个通带的两侧均各有一个传输零点。在设计时,将谐振器的加载枝节折叠到了谐振器的环内,使得滤波器十分紧凑,电路大小分别为4 mm×8 mm和6 mm×15 mm。在这一部分最后,本论文利用上一部分提到的环形谐振器,设计了一款嵌入型双通带滤波器。该滤波器具有频率响应选择性高,电路紧凑等特点。最后,本论文研究了频变耦合滤波器在功分器中的应用,通过将频变耦合滤波器与功分器集成,使功分器兼具滤波和功率分配功能。本论文设计了级联频变耦合滤波器的Wilkinson滤波功分器和嵌入频变耦合滤波器的Wilkinson滤波功分器,两款滤波功分器都具有结构紧凑、低插入损耗、高隔离度和高选择性等特点。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN713
【图文】：

滤波器图,耦合波导,滤波器,文献

体积小、重量轻、易与其他器件互联的特点。面的描述可以看出，在目前无线通信系统要求小型化和集成化，备应用前景的前提下，微带线滤波器由于其特殊的平面传输线件集成、多种多样的形式和广阔的应用场合已成为当前微波领。外研究历史与现状滤波器综合理论的发展大体上经历了级联耦合滤波器，交叉耦合滤波器到混合电磁耦合（频变耦合）滤波器的发展历程。这合理论目前仍在广泛使用。1957 年 Cohn 提出了一个基本的直波器[10]，初步建立了谐振器加耦合系数的设计理念。该设计理来发展起来的各种耦合滤波器理论。Atia 和 Williams 在 1970 列论文[11-15]中提出了交叉耦合滤波器的一般性综合设计理论对 Atia 和 Williams 提出的综合理论进行了改进，结合自己在的工作[16-18]，提出了含任意复数传输零点、任意阶滤波器的综合

滤波器原理,传输零点

波器[21]。如图 1-1 所示，R1和 R2是两个谐振腔，S 和 L 是源和度为 L1的开槽实现耦合。与 Roschmann 设计的滤波器相似，该带两侧各实现一个传输零点。为了获得更多的传输零点以提高003 年 Cameron 首次将交叉耦合技术与源-负载耦合技术结合起他提出一种 N+2 阶耦合矩阵综合法，并指出含源-负载耦合和交以实现最多与阶数相同个数的传输零点。在谐振器以及源、负载属性耦合路径的情况下，交叉耦合和源-负载耦合以及它们的结器已经将这种通过信号的多物理路径效应在滤波器带外引入有方法发挥到极致。要产生更多的传输零点，提高滤波器的选择性要在谐振器之间引入具有混合电磁属性的耦合。混合电磁耦合968 年 Orchard 和 Gabor[23]提出的一种用变换变量技术实现准椭法中形成的。这种方法不是基于谐振器和耦合系数的综合法，所电磁耦合概念的雏形。稍后，Rhodes 和 Levy 利用混合耦合传输椭圆函数滤波器[24-26]。此后一段时间，人们对这类滤波器的研究

【参考文献】