可调微带滤波器的研究和无源应用

发布时间：2020-10-21 19:46

【摘要】：随着无线射频电路的大规模集成化,一体化,人们对小型化无线设备的要求越来越高,他们希望通过一套无线通信系统或者一个无线通信设备就能工作在不同的频段,实现不同的通信功能。于是,多频带通信系统和设备应运而生。如何解决多频带通信系统中,不同频率信号通道间干扰的问题,可调滤波器是目前为止最优的解决方案。除此之外,可调滤波器不仅能用于多频带,多信道通信系统中减小系统整体体积,提高性能,它也常常用于微波测试系统,调频接收机,宽带雷达,电子对抗中。然而如何实现小型化,设计、控制简单化,低损耗,高Q值,平面集成化,高可靠性,多参数调节的可调滤波器,仍然是亟待解决的问题。本文围绕以上课题展开研究,并做出以下贡献:1.作为可调滤波器的基本结构,本文提出一系列新型、具有电调潜力的无源滤波器,用以做后续电调结构的开发和利用。其一,提出一种应用电磁混合耦合的紧凑型双通道高选择性滤波器,具有传输零点可控特性;其二,提出一种可加载谐振模式的多模谐振器和其对应的多通道滤波器的设计方法,并且用双模谐振器和三模谐振器构成可通带的独立控制的双通道和三通道滤波器加以验证;其三,提出两个小型化、高灵活性、集总参数滤波器,实现了一个超宽阻带的带通滤波器和一个二阶具有四个可控传输零点的高选择性带通滤波器;其四,提出利用电磁混合耦合实现基于基片集成波导技术的双零点的带通滤波器,其工作模式为易于电调的TEM模。其五,提出一种横向滤波器设计方法,用以实现一种带通滤波器,其传输零点个数大于其传输极点个数,并且用滤波器原型进行表示。2.提出一种横向可调滤波器的统一综合方法,其方法基于横向耦合矩阵原型,并且可应用于所有多模可调滤波器的设计。此方法解决了应用固定频率耦合矩阵设计可调滤波器时,所碰到无法一一对应的问题,并可用于指导横向可调滤波器的设计和响应预估。在此基础上,本论文提出了二阶滤波器的拓扑原型和对应的电路模型,并且用微带结构和变容二极管实现电路实物。测量和仿真结果与综合方法的估计结果显示出一致性,从而验证了所提出的理论。此外,通带开关特性和阻带独立调节特性也反映在测量结果中,从而更进一步扩展了此种电路的应用价值。3.提出了一种简单的,两个二极管加载的,双模可调谐振器和其阶跃阻抗改进型结构。此类谐振器的两个谐振模式可以被一个控制电压同步调谐,而两个谐振频率之间的带宽的随频率的变化,可以进行预设。于是固定带宽,随频率增加而增加的带宽,随频率增加而减小的带宽都可以通过此种滤波器实现。其改进型结构在实现同样特性的前提下,可以扩展频率调节范围,扩宽阻带带宽,减小电路尺寸。为了验证理论,固定带宽频率捷变,增带宽频率捷变,降带宽频率捷变等可调特性的四个可调滤波器实例根据所提出的设计步骤被研制出并且得以加工和测试。其实测结果验证了所提出的理论分析。最后,本论文又提出了一个通带可单独调节,并且具有通带单独开关特性的,带宽固定的,双通带频率捷变滤波器,并完成整个2G/3G/4G商用蜂窝通信频段的全频率调节覆盖。此双通带可调滤波器实现了所报道的滤波器中最宽的频率调节范围。4.针对基于单模谐振器的耦合型可调滤波器,本文提出了一种统一综合方法和相应的元素可变耦合矩阵。在此基础上,又提出四阶全范数频率捷变滤波器的模型,并在此数学模型上分析验证了其带宽不变而仅调节中心频率的频率捷变特性。为了实现其理论模型,本文再提出了一种同步可调谐振器。此谐振器可提供电耦合和磁耦合物理结构。其耦合量的大小以及耦合量随频率变化的规律可以被预先设定。为了验证其可行性,设计了三个四阶频率捷变滤波器实例,用以分别实现同步调频,带宽不变的电耦合和带宽不变的磁耦合可调滤波器。测量结果表明,此四极点可调滤波器实例拥有带宽不变特性和四个传输零点的高选择性可调带通响应。本固定带宽四阶全范数可调滤波器为首次报道。5.提出一种具有滤波响应的功分器和其对应的耦合矩阵综合设计方法。本文建立基于滤波器耦合矩阵的滤波功分器的数学模型,计算验证了其理想的功分特性和端口隔离特性,并且提出了基于耦合矩阵的功分器设计方法。此种设计方法可应用于耦合馈电型的滤波器结合威尔金森功分器的综合设计当中。为验证所提出的数学模型,研制出了单通道二阶双零点,单通道四阶四零点,双通带二阶四零点,不同功分比单通道二阶双零点,单通道二阶双零点电调中心频率,不等功分比二阶双零点电调中心频率的六个功分滤波器。所有实验结果都进一步证明了此设计方法可以应用于二阶/高阶,单通道/多通道,等功分比/不等功分比,固定/可调的滤波功分器设计当中。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN713
【图文】：

６５％－８０％的射频前端电路面积，并且引入３－６ｄＢ的射频损耗可以预见，若采用??低损耗电调滤波器和电调多工器代替天线与单片集成前端之间的滤波器组和多工??器组，十四个独立的滤波器和两个开关整列将会减少为两个可调滤波器，如图１－??２。同时，独立的多个功率放太器可以通过一个宽带的放大器代替。从而，整个难??以集成的滤波组件和放大器组电路体积将会大大减小，其引入的损耗也将会有所??改善■〇由此可见，可调滤波器的开发对于下一代无线通信和无线探测等有着至关重??要的意义。??￣可?为??ｉｃ??ｉｃ?ｖ??ｗ?ｙ??｛——１??ｃ??图１－２可调滤波器代替滤波器组示意图??此外，新出现的认知无线电技术能够更有效地利用有限的频谱资源，其通过射??频信骨识别所需频段并且自我决定和调节所需工作频段［３－５］。不同于传统的无线系??统，这种系统不会固定频率工作，而悬工作在可调的工作通带中《使用开关滤波器??组来选频必然使得整个系统异常庞大复杂。因此，可调滤波器的开发也极大影响着??认知无线电技术的发展。??另外，新型通信技术：载波聚合系统，能够把当前的移动通信带宽提升高达１００??ＭＨｚ

较为低的插入损耗。不过也正謂如此，机械可调滤波器的调节速度极慢，体??积庞大，在某些领域已经逐步被电调或磁调滤波器所代替。??图１－３给出两种常见的同轴和波导腔机械可调滤波器。可以看到，通过机械调??节滤波器中谐振器或者谐振腔的长短大小从而改变谐振器的谐振频率，进而重构??滤波器的频率响应。??ｖＣＯＵＰＵＮＱ?ＩＲＩＳＥＳ?ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ?ＯＪＭＥＮＳＩＯＮＳ?－?ｏ?ＷｆｌＯＥ．?ｕ?ＬＯＭ６?■?．Ｂ?ｍｅｎ??＾???ｙ?—?ｊ???ｆ，?｜?＃ＡＬｔ．Ｓ？??ｈ?Ｈ?Ｈ?＾?丄爷—??（ａ）?（ｂ）??图１－３两种典型的机械调节滤波器虬⑷同轴机械调节滤被器；（ｂ）波导机械调节??滤波器??此外，机械可调滤波器受益于非常高的外部加载品质因数，主要应用于频率较??高或者通带较窄，对调节时间没有苛刻要求的系统中，围此近年来依然有对机械可??调滤波器研宄的报道。例如，文献［９］报道了一种圆形基片集成波导谐振器，通过调??节嵌入中间的调节铜柱位置，改变整个谐振器的谐振频率。利用此谐振器构成的二??阶可调滤波展现出很好的频率重构特性，此滤波器Ｘ作在〗２－１５?ＧＨｚ之间，并且。??有着相对优秀的仅仅２．８?ｄＢ的插入损耗特性。??文献［１０］介绍了一种高选择性的窄带机械调节四通道双工器

图１－４?Ｋｕ波段的基片集成波导机械ＩＴ调滤波器？

本文编号：2850524