隨著無線通信系統(tǒng)向著大容量、高速率、小型化與集成化方向發(fā)展,微波無源器件的設(shè)計(jì)對系統(tǒng)性能的整體提升起著至關(guān)重要的作用。微波濾波器作為通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件之一,在面臨新的挑戰(zhàn)與應(yīng)用時(shí),需要提出更加先進(jìn)的綜合方法來指導(dǎo)其設(shè)計(jì),這不僅可以實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)、調(diào)試的智能化與自動(dòng)化,并且其綜合方法作為描述電路參數(shù)的數(shù)學(xué)模型,對其它相關(guān)電路器件設(shè)計(jì)都有極大的參考價(jià)值。此外,為了滿足無線通信系統(tǒng)日益增長的寬頻帶需求,寬帶器件綜合設(shè)計(jì)也一直都是本領(lǐng)域研究熱點(diǎn)問題之一。本文以現(xiàn)代無線通信技術(shù)發(fā)展為背景,以寬帶無源器件的綜合方法與設(shè)計(jì)為研究主線,針對濾波器、濾波功分器、移相器、交叉結(jié)的寬帶電路綜合問題展開了系統(tǒng)性的理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本論文的研究工作如下:1.研究了濾波器的數(shù)值迭代綜合方法。與廣義切比雪夫函數(shù)綜合方法相比,數(shù)值方法自由度高,可以自定義歸一化通帶與每個(gè)回波的波瓣值。論文提出了基于數(shù)值迭代紋波可控的雙通帶以及多通帶濾波器綜合方法,解決了頻率映射方法中,公式復(fù)雜以及通帶階數(shù)必須一致,傳輸零點(diǎn)個(gè)數(shù)對稱等諸多問題與限制。在數(shù)值迭代綜合的基礎(chǔ)上,基于歸一化功率波理論,進(jìn)一步提出了一般化復(fù)阻抗濾波器的直接綜合法與耦合矩陣修正法,并且將該方法應(yīng)用到雙通帶復(fù)阻抗濾波器綜合中。此外,根據(jù)復(fù)阻抗濾波器輸入/輸出端的耦合,推導(dǎo)了四種典型的電路結(jié)構(gòu),并給出了相應(yīng)元件值的計(jì)算方法,構(gòu)建了復(fù)阻抗濾波器的集總參數(shù)電路。2.研究了寬帶帶通濾波器的綜合方法�；趯�(shí)頻域下的數(shù)值迭代技術(shù),提出了一種寬帶濾波器的綜合與設(shè)計(jì)方法。在橫向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下,采用所提出的綜合方法,提取了寬帶濾波器的電耦合、磁耦合以及混合電磁耦合的頻變網(wǎng)絡(luò)矩陣。解決了傳統(tǒng)耦合矩陣與頻率無關(guān),僅適用于窄帶應(yīng)用的局限性。針對具有交叉耦合的網(wǎng)絡(luò)矩陣,通過矩陣變換,在主耦合上引入混合電磁耦合來消除交叉耦合,降低了濾波器拓?fù)涞膹?fù)雜性。為了實(shí)現(xiàn)寬帶濾波器,基于寬帶集總參數(shù)電路,論文給出了分布式電路實(shí)現(xiàn)的方法,并成功設(shè)計(jì)了具有傳輸零點(diǎn)的寬帶帶通濾波器,驗(yàn)證了綜合方法的正確性與可實(shí)現(xiàn)性。3.研究了濾波功分器的綜合與設(shè)計(jì)方法。根據(jù)濾波器的二端口耦合矩陣構(gòu)造了濾波功分器的多端口耦合矩陣,分析了濾波功分器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與隔離電阻的端接方式。根據(jù)多端口耦合矩陣,提出了基于交替J/K變換器的λ/4與3λ/4耦合諧振式濾波功分器設(shè)計(jì),驗(yàn)證了綜合理論。針對寬帶應(yīng)用方面,進(jìn)一步將耦合線結(jié)構(gòu)嵌入到威爾金森拓?fù)渲?提出了基于嵌入式耦合線寬帶濾波功分器的設(shè)計(jì)。通過在輸入端口加載開路枝節(jié)來縮減尺寸,并產(chǎn)生高頻傳輸零點(diǎn)來提高阻帶抑制。為了獲得更緊湊的結(jié)構(gòu),本文采用三線耦合結(jié)構(gòu)替代威爾金森拓?fù)渲械腡型結(jié),提出了基于三線耦合線結(jié)構(gòu)的寬帶濾波功分器設(shè)計(jì)。為了能夠更加直觀、簡易的分析所提出的功分器,論文首次提出了三線耦合結(jié)構(gòu)的三端口等效電路,解決了傳統(tǒng)奇偶模理論無法準(zhǔn)確描述三線耦合結(jié)構(gòu)的電氣特性的問題。此外,結(jié)合所提出的三線耦合結(jié)構(gòu)等效電路,將濾波器特征函數(shù)的概念引入到濾波功分器中,有效綜合了寬帶濾波功分器的所有電路參數(shù),并給出實(shí)物設(shè)計(jì)予以驗(yàn)證。4.研究了基于多級(jí)短路枝節(jié)加載的寬帶移相器。推導(dǎo)了二階與三階移相器的移相量與阻抗參數(shù)之間的關(guān)系,討論了不同參數(shù)對相移量的影響。提出了N階短路枝節(jié)加載移相器的一般化設(shè)計(jì)公式,該公式直觀的反映了相移量與阻抗參數(shù)之間的關(guān)系,根據(jù)公式可以精準(zhǔn)快速的設(shè)計(jì)該類型的移相器。所設(shè)計(jì)的移相器可以實(shí)現(xiàn)寬角度范圍,寬頻帶的移相。5.研究了平面寬帶集總交叉結(jié)的綜合設(shè)計(jì)方法。提出了基于窗型結(jié)構(gòu)的寬帶集總交叉結(jié),利用奇偶模理論分析了四端口交叉結(jié)的電氣特性,并得到了每個(gè)元件的實(shí)現(xiàn)形式與元件值。為了進(jìn)一步提高匹配帶寬與隔離帶寬,在每個(gè)端口處加載了并聯(lián)諧振器。分析討論了相鄰端口間傳輸零點(diǎn)的控制特性,以及電路參數(shù)對傳輸性能影響,最后給出了實(shí)際的設(shè)計(jì)予以驗(yàn)證。所提出的寬帶集總交叉結(jié)與分布式電路相比具有超緊湊的電路尺寸;與集總式電路相比,其工作帶寬提高了132%。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN626;TN713
【部分圖文】：

第一章 緒 論1.1 研究工作的背景與意義現(xiàn)代無線通信技術(shù)發(fā)展所帶來的科技成果已經(jīng)深深地影響了人們的生活、工作與交流方式。例如移動(dòng)支付、虛擬與現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)以及高清視頻語音通話等，這些以無線通信為基礎(chǔ)的科技成果出現(xiàn)，豐富并改善了人們的物質(zhì)和精神生活。如今，隨著社會(huì)信息化程度的逐漸攀升與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，使得人們對信息化的需求越來越高，這將極大推進(jìn)無線通信技術(shù)向著大容量，高傳輸速率，高保密性等方向發(fā)展。如圖 1-1 所示給出了國內(nèi)通信頻段的分布情況，可以看出頻譜資源劃分越來越緊張，通信頻段正在逐漸升高，形成了以多頻段、多標(biāo)準(zhǔn)長期并存的局面來滿足人們對無線通信技術(shù)的各種應(yīng)用需求。無線通信技術(shù)的持續(xù)快速發(fā)展，給通訊設(shè)備中的微波射頻電路技術(shù)也帶來了新的挑戰(zhàn)與更高的要求。因此，為了適應(yīng)當(dāng)下無線通信技術(shù)的發(fā)展，具有寬帶、集成化、小型化的高性能微波器件研究具有極大的工程應(yīng)用價(jià)值。

融合器件已經(jīng)不再是由單一器件實(shí)現(xiàn)單一的功能，而是由一個(gè)器件實(shí)或多個(gè)傳統(tǒng)器件的功能特性。它并不是簡單地將兩個(gè)或多個(gè)器件級(jí)聯(lián)，而現(xiàn)功能的一體化設(shè)計(jì)。這就對器件的綜合與設(shè)計(jì)提出了更高的要求，同時(shí)大推進(jìn)電路小型化與集成化的發(fā)展。濾波功分器作為多功能融合器件的一種了濾波器的頻率選擇特性以及功分器的功率分配/合成特性，在射頻前端系著廣泛的應(yīng)用。因此，對濾波功分器的綜合方法以及其寬帶應(yīng)用設(shè)計(jì)的研實(shí)際的工程價(jià)值。器件向著小型化與集成化發(fā)展的同時(shí)，為了提供大容量，更高速率傳輸，也寬頻帶發(fā)展，來滿足寬帶通信系統(tǒng)的需求。如圖 1-2 所示為現(xiàn)代無線通信系用的多波束陣列天線，它實(shí)現(xiàn)高增益的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)較寬的信號(hào)覆蓋范圍提供高速率、寬范圍的信號(hào)傳輸。其饋電網(wǎng)絡(luò)由耦合器，移相器與交叉結(jié)而這些器件性能的好壞也直接影響著整個(gè)陣列天線系統(tǒng)的性能。然而這些件的應(yīng)用場景不單只是在多波束陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)中，在整個(gè)微波射頻電路被使用來獲得不同的電路功能。因此，為滿足寬帶通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求，件的綜合設(shè)計(jì)也是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)問題。

如圖1-3 所示。但是由于無交叉耦合的引入，并且諧振器數(shù)目較低，其頻率選擇特性并不理想。為了引入傳輸零點(diǎn)并且實(shí)現(xiàn)任意的功分比，同年 X. Y. Zhang 利用雙路耦合結(jié)構(gòu)來作為 K 變換器，實(shí)現(xiàn)了具有濾波響應(yīng)的 Gysel 功分器[64]，如圖 1-4 所示。為了實(shí)現(xiàn)電路的小型化，還可以將濾波器中的多模諧振器用于濾波功分器的設(shè)計(jì)，例如微帶雙模諧振器[65-66]、基片集成波導(dǎo)四模諧振腔[67]等。此外，頻率選擇性耦合結(jié)構(gòu)[68]、短路半波長諧振器[69]、混合電磁耦合結(jié)構(gòu)[70]同樣被應(yīng)用到濾波功分器中，可以有效地抑制諧波信號(hào)，獲得寬阻帶響應(yīng)。(a) (b)圖 1-3 基于折疊網(wǎng)狀諧振器的濾波器功分器[63]。(a) 結(jié)構(gòu)原理圖；(b) 測試仿真結(jié)構(gòu)(a) (b)(c)圖 1-4 具有濾波響應(yīng)的 Gysel 功分器[64]。(

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