新型宽带耦合滤波器与功分器的理论与设计研究

发布时间：2020-11-13 06:09

　　 随着无线通信系统向着大容量、高速率、小型化与集成化方向发展,微波无源器件的设计对系统性能的整体提升起着至关重要的作用。微波滤波器作为通信系统中的关键器件之一,在面临新的挑战与应用时,需要提出更加先进的综合方法来指导其设计,这不仅可以实现电路设计、调试的智能化与自动化,并且其综合方法作为描述电路参数的数学模型,对其它相关电路器件设计都有极大的参考价值。此外,为了满足无线通信系统日益增长的宽频带需求,宽带器件综合设计也一直都是本领域研究热点问题之一。本文以现代无线通信技术发展为背景,以宽带无源器件的综合方法与设计为研究主线,针对滤波器、滤波功分器、移相器、交叉结的宽带电路综合问题展开了系统性的理论研究与实验验证。本论文的研究工作如下:1.研究了滤波器的数值迭代综合方法。与广义切比雪夫函数综合方法相比,数值方法自由度高,可以自定义归一化通带与每个回波的波瓣值。论文提出了基于数值迭代纹波可控的双通带以及多通带滤波器综合方法,解决了频率映射方法中,公式复杂以及通带阶数必须一致,传输零点个数对称等诸多问题与限制。在数值迭代综合的基础上,基于归一化功率波理论,进一步提出了一般化复阻抗滤波器的直接综合法与耦合矩阵修正法,并且将该方法应用到双通带复阻抗滤波器综合中。此外,根据复阻抗滤波器输入/输出端的耦合,推导了四种典型的电路结构,并给出了相应元件值的计算方法,构建了复阻抗滤波器的集总参数电路。2.研究了宽带带通滤波器的综合方法。基于实频域下的数值迭代技术,提出了一种宽带滤波器的综合与设计方法。在横向拓扑结构下,采用所提出的综合方法,提取了宽带滤波器的电耦合、磁耦合以及混合电磁耦合的频变网络矩阵。解决了传统耦合矩阵与频率无关,仅适用于窄带应用的局限性。针对具有交叉耦合的网络矩阵,通过矩阵变换,在主耦合上引入混合电磁耦合来消除交叉耦合,降低了滤波器拓扑的复杂性。为了实现宽带滤波器,基于宽带集总参数电路,论文给出了分布式电路实现的方法,并成功设计了具有传输零点的宽带带通滤波器,验证了综合方法的正确性与可实现性。3.研究了滤波功分器的综合与设计方法。根据滤波器的二端口耦合矩阵构造了滤波功分器的多端口耦合矩阵,分析了滤波功分器的拓扑结构与隔离电阻的端接方式。根据多端口耦合矩阵,提出了基于交替J/K变换器的λ/4与3λ/4耦合谐振式滤波功分器设计,验证了综合理论。针对宽带应用方面,进一步将耦合线结构嵌入到威尔金森拓扑中,提出了基于嵌入式耦合线宽带滤波功分器的设计。通过在输入端口加载开路枝节来缩减尺寸,并产生高频传输零点来提高阻带抑制。为了获得更紧凑的结构,本文采用三线耦合结构替代威尔金森拓扑中的T型结,提出了基于三线耦合线结构的宽带滤波功分器设计。为了能够更加直观、简易的分析所提出的功分器,论文首次提出了三线耦合结构的三端口等效电路,解决了传统奇偶模理论无法准确描述三线耦合结构的电气特性的问题。此外,结合所提出的三线耦合结构等效电路,将滤波器特征函数的概念引入到滤波功分器中,有效综合了宽带滤波功分器的所有电路参数,并给出实物设计予以验证。4.研究了基于多级短路枝节加载的宽带移相器。推导了二阶与三阶移相器的移相量与阻抗参数之间的关系,讨论了不同参数对相移量的影响。提出了N阶短路枝节加载移相器的一般化设计公式,该公式直观的反映了相移量与阻抗参数之间的关系,根据公式可以精准快速的设计该类型的移相器。所设计的移相器可以实现宽角度范围,宽频带的移相。5.研究了平面宽带集总交叉结的综合设计方法。提出了基于窗型结构的宽带集总交叉结,利用奇偶模理论分析了四端口交叉结的电气特性,并得到了每个元件的实现形式与元件值。为了进一步提高匹配带宽与隔离带宽,在每个端口处加载了并联谐振器。分析讨论了相邻端口间传输零点的控制特性,以及电路参数对传输性能影响,最后给出了实际的设计予以验证。所提出的宽带集总交叉结与分布式电路相比具有超紧凑的电路尺寸;与集总式电路相比,其工作带宽提高了132%。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN626;TN713
【部分图文】：

第一章 绪 论1.1 研究工作的背景与意义现代无线通信技术发展所带来的科技成果已经深深地影响了人们的生活、工作与交流方式。例如移动支付、虚拟与现实(VR)技术以及高清视频语音通话等，这些以无线通信为基础的科技成果出现，丰富并改善了人们的物质和精神生活。如今，随着社会信息化程度的逐渐攀升与经济的快速发展，使得人们对信息化的需求越来越高，这将极大推进无线通信技术向着大容量，高传输速率，高保密性等方向发展。如图 1-1 所示给出了国内通信频段的分布情况，可以看出频谱资源划分越来越紧张，通信频段正在逐渐升高，形成了以多频段、多标准长期并存的局面来满足人们对无线通信技术的各种应用需求。无线通信技术的持续快速发展，给通讯设备中的微波射频电路技术也带来了新的挑战与更高的要求。因此，为了适应当下无线通信技术的发展，具有宽带、集成化、小型化的高性能微波器件研究具有极大的工程应用价值。

融合器件已经不再是由单一器件实现单一的功能，而是由一个器件实或多个传统器件的功能特性。它并不是简单地将两个或多个器件级联，而现功能的一体化设计。这就对器件的综合与设计提出了更高的要求，同时大推进电路小型化与集成化的发展。滤波功分器作为多功能融合器件的一种了滤波器的频率选择特性以及功分器的功率分配/合成特性，在射频前端系着广泛的应用。因此，对滤波功分器的综合方法以及其宽带应用设计的研实际的工程价值。器件向着小型化与集成化发展的同时，为了提供大容量，更高速率传输，也宽频带发展，来满足宽带通信系统的需求。如图 1-2 所示为现代无线通信系用的多波束阵列天线，它实现高增益的同时，能够实现较宽的信号覆盖范围提供高速率、宽范围的信号传输。其馈电网络由耦合器，移相器与交叉结而这些器件性能的好坏也直接影响着整个阵列天线系统的性能。然而这些件的应用场景不单只是在多波束阵列的馈电网络中，在整个微波射频电路被使用来获得不同的电路功能。因此，为满足宽带通信系统的应用需求，件的综合设计也是当下研究的热点问题。

如图1-3 所示。但是由于无交叉耦合的引入，并且谐振器数目较低，其频率选择特性并不理想。为了引入传输零点并且实现任意的功分比，同年 X. Y. Zhang 利用双路耦合结构来作为 K 变换器，实现了具有滤波响应的 Gysel 功分器[64]，如图 1-4 所示。为了实现电路的小型化，还可以将滤波器中的多模谐振器用于滤波功分器的设计，例如微带双模谐振器[65-66]、基片集成波导四模谐振腔[67]等。此外，频率选择性耦合结构[68]、短路半波长谐振器[69]、混合电磁耦合结构[70]同样被应用到滤波功分器中，可以有效地抑制谐波信号，获得宽阻带响应。(a) (b)图 1-3 基于折叠网状谐振器的滤波器功分器[63]。(a) 结构原理图；(b) 测试仿真结构(a) (b)(c)图 1-4 具有滤波响应的 Gysel 功分器[64]。(

本文编号：2881841