【摘要】：現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展,促使射頻電路對微波器件的性能要求越來越高。工作在多個頻段或集成多種功能的微波器件可以精簡電路結(jié)構(gòu)、降低損耗,因此高性能微波器件的研究成為設(shè)計領(lǐng)域的熱點。作為微波網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分,耦合器和功率分配器具有功率分配或合成的功能,廣泛應(yīng)用于各種射頻電路設(shè)計中。定向耦合器具有無耗互易以及所有端口均匹配的特點,不但可以用于天線陣的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,還可以應(yīng)用于功率合成放大器中以增加設(shè)計自由度和提升輸入、輸出反射系數(shù)。Gysel功分器在Wilkinson功分器的基礎(chǔ)上改進了結(jié)構(gòu),解決了功分器不能充分散熱的問題,為高功率應(yīng)用場景中的功率分配及合成提供了解決方案。本文針對微波電路的應(yīng)用趨勢和設(shè)計熱點,對定向耦合器和Gysel功率分配器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行探索,并將其與微波新技術(shù)相結(jié)合設(shè)計了具有優(yōu)越性能的定向耦合器以及Gysel功率分配器。論文中取得的成果和研究工作可概括如下:1.提出了雙頻帶小型化的3 dB定向耦合器以及具有諧波抑制功能且以大功分比輸出的定向耦合器。首先,通過研究Π形傳輸線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生雙頻特性的機理以及雙傳輸線結(jié)構(gòu)的小型化原理,將二者結(jié)合提出了π形雙傳輸線模型,將其應(yīng)用于傳統(tǒng)耦合器中可以得到同時工作在兩個頻帶的小型化3 dB定向耦合器。其次,通過分析T型結(jié)構(gòu)傳輸線中并聯(lián)開路枝節(jié)對傳輸零點的影響,結(jié)合雙邊平行帶線技術(shù)在相同微帶線寬時可以實現(xiàn)高阻抗的特點,設(shè)計了兼有諧波抑制功能、大功率分配比輸出以及結(jié)構(gòu)小型化的定向耦合器。最后通過兩款定向耦合器的仿真、加工和測試說明了其性能優(yōu)勢。2.設(shè)計了一款雙頻帶大功率分配比輸出的Gysel功分器和一款四頻帶Gysel功分器。首先,文中以傳統(tǒng)兩路輸出Gysel功分器為基礎(chǔ),在兩個負載端口之間的傳輸線上加載3個并聯(lián)開路枝節(jié)得到了具有雙頻特性的Gysel功分器。還研究了缺陷地板結(jié)構(gòu)及其通過提高微帶線電抗分量從而提升阻抗的特點,設(shè)計了新型DGS結(jié)構(gòu)并加載到雙頻功分器中,獲得了大功分比輸出的雙頻帶Gysel功分器。其次,文中還分析了終端短路耦合線的鏡像阻抗和插入相位,結(jié)合奇偶模阻抗比推導(dǎo)了耦合線電長度的四個解,以多組耦合線構(gòu)成π形網(wǎng)絡(luò)來調(diào)整相位,提出的新型阻抗變換器可在三個設(shè)計頻點和一個關(guān)聯(lián)頻點上同時實現(xiàn)阻抗變換功能和±90°的相移,基于此設(shè)計了四頻帶Gysel功分器。最后通過兩款Gysel功率分配器的仿真、加工和測試對上述設(shè)計理論進行了驗證。3.提出了以任意功分比輸出功率的單頻帶Gysel功分器的推廣結(jié)構(gòu)。文中以傳統(tǒng)單頻帶Gysel功率分配器為基礎(chǔ),打破傳輸線長度固定于λ/4的限制,首次采用電長度和特征阻抗同時可調(diào)的傳輸線設(shè)計了一般性的Gysel功分器。采用改進的奇偶模分析方法,推導(dǎo)了電路的閉式設(shè)計方程,結(jié)果表明傳統(tǒng)的單頻帶Gysel功分器的設(shè)計方程僅為本文提出的設(shè)計方程的特解,從理論上說明了本文提出的這款Gysel功分器具有一般性結(jié)構(gòu),是傳統(tǒng)Gysel結(jié)構(gòu)的推廣。由于引入了更多設(shè)計參數(shù),基于此結(jié)構(gòu)設(shè)計的單頻帶Gysel功分器在實現(xiàn)不等功率分配比輸出時可選擇方案多、靈活性高且結(jié)構(gòu)簡單,這在傳統(tǒng)設(shè)計中是很難實現(xiàn)的。相較于采用復(fù)雜技術(shù)實現(xiàn)大功率分配比輸出的其他功分器結(jié)構(gòu),文中提出的推廣結(jié)構(gòu)更適合于高功率應(yīng)用場景。文中加工了兩個以不同功率分配比輸出的Gysel功分器,驗證了設(shè)計理論的正確性且實物測試結(jié)果說明了該模型的優(yōu)越性能。4.將單頻Gysel功分器的推廣結(jié)構(gòu)擴展到雙頻應(yīng)用中,設(shè)計了頻率比大于3的雙頻帶Gysel功分器。文中將單頻帶Gysel功分器的推廣結(jié)構(gòu)與任意線長傳輸線的π形等效結(jié)構(gòu)相結(jié)合實現(xiàn)了雙頻應(yīng)用的擴展。通過對傳輸線特征阻抗以及電長度等參數(shù)的研究,展示了可實現(xiàn)的輸出功率分配比和頻率比范圍,說明所設(shè)計的雙頻帶Gysel功分器可以同時實現(xiàn)大功率分配比輸出及大頻率比輸出�；诶碚撃Ｐ臀闹羞�加工了兩款以不同功率分配比和頻率比輸出的Gysel功分器,實物測試結(jié)果說明提出的模型具有優(yōu)越的性能。
【圖文】：

3(a) (b)圖1.1 文獻[4]中的波導(dǎo)定向耦合器圖1.2 文獻[11]中的耦合傳輸線定向耦合器在耦合器理論發(fā)展較為成熟后，近十年來，國內(nèi)外學(xué)者對具有各種特定功能的耦合器進行了深入研究，這些功能包括諧波抑制、寬頻帶、多頻帶及結(jié)構(gòu)小型化等[18]-[34]。要實現(xiàn)諧波抑制特性，主要是在工作頻率以外不需要的諧波處產(chǎn)生阻帶。目前廣泛使用的產(chǎn)生阻帶的方法主要有兩種，，第一種是加載并聯(lián)開路枝節(jié)[18]-[22]，在以并聯(lián)開路枝節(jié)的長度為四分之一波長的對應(yīng)頻率處產(chǎn)生阻帶，阻帶帶寬可以通過調(diào)節(jié)并聯(lián)枝節(jié)的電長度和特征阻抗來控制。文獻[18]中詳細討論了 π 形結(jié)構(gòu)傳輸線中并聯(lián)枝節(jié)的帶阻特性以及調(diào)節(jié)傳輸零點和阻帶帶寬的方法。采用構(gòu)造的 π 形結(jié)構(gòu)傳輸線替換耦合器中的每一段分支線，設(shè)計出具有諧波抑制功能的Rat-Race耦合器

(a) (b)圖1.1 文獻[4]中的波導(dǎo)定向耦合器圖1.2 文獻[11]中的耦合傳輸線定向耦合器在耦合器理論發(fā)展較為成熟后，近十年來，國內(nèi)外學(xué)者對具有各種特定功能的耦合器進行了深入研究，這些功能包括諧波抑制、寬頻帶、多頻帶及結(jié)構(gòu)小型化等[18]-[34]。要實現(xiàn)諧波抑制特性，主要是在工作頻率以外不需要的諧波處產(chǎn)生阻帶。目前廣泛使用的產(chǎn)生阻帶的方法主要有兩種，第一種是加載并聯(lián)開路枝節(jié)[18]-[22]，在以并聯(lián)開路枝節(jié)的長度為四分之一波長的對應(yīng)頻率處產(chǎn)生阻帶，阻帶帶寬可以通過調(diào)節(jié)并聯(lián)枝節(jié)的電長度和特征阻抗來控制。文獻[18]中詳細討論了 π 形結(jié)構(gòu)傳輸線中并聯(lián)枝節(jié)的帶阻特性以及調(diào)節(jié)傳輸零點和阻帶帶寬的方法。采用構(gòu)造的 π 形結(jié)構(gòu)傳輸線替換耦合器中的每一段分支線，設(shè)計出具有諧波抑制功能的Rat-Race耦合器
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN626

【參考文獻】

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2 陳暢;高性能小型化微波無源器件研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

3 吳永樂;基于傳輸線理論的廣義史密斯圓圖、擴展型阻抗匹配器及多性能功率分配器研究[D];北京郵電大學(xué);2011年

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5 蘇濤;多路耦合器及其相關(guān)理論和技術(shù)研究[D];西安電子科技大學(xué);2004年

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1 解磊;基于差分進化算法的天線及定向耦合器優(yōu)化設(shè)計技術(shù)[D];西安電子科技大學(xué);2012年

本文編號：2624615