基于无线通信系统的高性能小型化微带滤波器研究

论文摘要

随着无线系统的发展，有限的电磁波频谱必须要容纳越来越多的系统，导致电磁波频谱逐渐变得更加拥挤。鉴于此，射频信号应该被严格限制在被分配的频谱范围内。而带通滤波器作为限制信号的一个关键组件，也应该对其有相应的更严格的要求。因此，本论文在无线通信系统这一应用背景下，以带通滤波器的谐波抑制、多通带、可调谐、小型化、高性能等作为研究重点，从设计理论、设计方法以及实际应用入手，设计了一个超宽带滤波器、两个双通滤波器（其中一款实现了电调双通带）和两个三通滤波器，并通过仿真和实验验证了设计方法是有效可行的。本文的主要工作如下：（1）提出了一种基于支节线加载谐振器的超宽带滤波器设计方法。该滤波器由两个支节线加载谐振器构成，这两个谐振器背靠背上下平行放置于同一平面上，上方为短路支节线加载谐振器，下方为开路支节线加载谐振器。短路支节线加载谐振器在超宽带的低端范围谐振，开路支节线加载谐振器在超宽带的高端范围谐振。因此，通带内的低端信号主要从短路支节加载谐振器通过，而通带内的高端信号主要从开路支节线加载谐振器通过。采用长度为四分之一波长的交指耦合结构为谐振器馈电，并在5.8GHz位置产生一个陷波，陷波位置可通过耦合指长度来调节。因为两个谐振器平行放置，所以，通过调节馈线和相应的谐振器之间的耦合尺寸，来调节低端和高端的耦合量。通过调节开路支节线和短路支节线长度，在通带的高低边缘各引入一个独立可调的传输零点，形成了准椭圆函数响应。（2）提出了一种基于阶跃阻抗谐振器的双通带滤波器的设计方法。该滤波器由两组四分之一波长短路阶跃阻抗谐振器实现，每组谐振器都折叠成L型以减小器件的总体尺寸。将馈线折叠并平行放置在上下两谐振器之间，以实现源负载耦合，在通带边缘附近位置产生传输零点，提高了该滤波器的裙带选择性。（3）提出了一种电调双通带滤波器的设计方法。该滤波器由馈电电路和两组变容二极管加载谐振器构成，两组谐振器分别产生高、低两个通带，以实现双通带滤波器。并且每个通带都可调，可方便地实现在一个通带保持不变的情况下，调节另一个通带的中心频率。中心频率的调节是通过改变加载在谐振器开路端的变容二极管的电压来实现的。在高通带，由短路传输线通过平行耦合来为产生高通带的两个谐振器馈电，由交指电容实现了源负载耦合以产生传输零点，由交指耦合强度可用来控制传输零点的位置；在低通带，通过调节加载在变容二极管上的电压来调节电长度从而实现低通带电调，还引入了交叉指耦合结构来为低通带的两个谐振器馈电、同时又增强了产生低通带的两个谐振器的耦合强度。（4）提出了一种基于短路支节线加载谐振器的三通带滤波器设计方法。该滤波器由一组短路谐振器组成，该谐振器由中部加载了开路阶跃阻抗支节的短路传输线构成，并且经理论分析知，谐振器的前三个频率近似能被独立调节，这样就很方便地实现了高选择性的三通带滤波器。为减小尺寸将谐振器折叠，两个短路谐振器由通孔连接起来，输入/输出间以交指结构引入了源负载耦合，在每个通带边缘产生两个传输零点，提高了边缘选择性。为了获得足够多的自由度以控制由源负载耦合引入的传输零点位置，使用了多个交叉耦合指。（5）提出了一种基于双面平行带线的三通带滤波器设计方法。该滤波器基于中间层插入导体平面的双面平行带线，该滤波器由顶层的支节线加载型阶跃阻抗谐振器和底层的半波长谐振器组成，并由他们谐振产生3个通带，第1和第3个通带的频率由顶层的谐振器控制，第2个通带的频率由底层的谐振器控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究目的及意义
• 1.3 射频滤波器的发展历史及研究现状
• 1.3.1 发展历史
• 1.3.2 研究现状
• 1.4 论文主要内容及章节安排
• 第二章 基于支节线加载谐振器的带通滤波器设计
• 2.1 引言
• 2.2 支节线加载谐振器
• 2.2.1 开路支节线加载谐振器
• 2.2.2 短路支节线加载谐振器
• 2.3 基于短路支节线加载谐振器的三通带滤波器设计
• 2.3.1 三通带滤波器的结构设计
• 2.3.2 仿真与实测分析
• 2.4 基于支节线加载谐振器的陷波特性超宽带滤波器
• 2.4.1 引言
• 2.4.2 具有陷波特性的超宽带滤波器的结构设计
• 2.4.3 仿真与实测分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于阶跃阻抗谐振器的双通带滤波器设计
• 3.1 引言
• 3.2 阶跃阻抗谐振器的基本结构和特性
• 3.2.1 阶跃阻抗谐振器的基本结构
• 3.2.2 谐振条件和谐振器的电学长度
• 3.2.3 杂散谐振频率
• 3.2.4 阶跃阻抗谐振器等效电路的推导
• 3.3 四分之一波长型阶跃阻抗谐振器
• 3.3.1 四分之一波长型阶跃阻抗谐振器的杂散谐振频率
• 3.3.2 四分之一波长阶跃阻抗谐振器的特性
• 3.3.3 阻抗不连续性的影响
• 3.3.4 同轴阶跃阻抗谐振器的未加载 Q 值
• 3.4 半波长型阶跃阻抗谐振器
• 3.4.1 带状线半波长型阶跃阻抗谐振器的基本特性
• 3.4.2 半波长型阶跃阻抗谐振器的电长度
• 3.4.3 半波长型阶跃阻抗谐振器实现双频的原理
• 3.5 基于阶跃阻抗谐振器的双通带滤波器设计
• 3.5.1 滤波器的结构设计
• 3.5.2 仿真与实测分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 双通带电调滤波器设计
• 4.1 引言
• 4.2 变容二极管的工作原理、特性及应用
• 4.2.1 二极管的电容效应
• 4.2.2 变容二极管等效电路分析
• 4.2.3 基于变容二极管的电调滤波器原理
• 4.3 双通带电调滤波器的设计
• 4.3.1 变容二极管电调滤波器研究现状
• 4.3.2 电调双通带滤波器设计
• 4.3.3 仿真与实测分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于双面平行带线的三通带滤波器设计
• 5.1 引言
• 5.2 双面平行带线的基本结构和特性
• 5.2.1 双面平行带线的基本结构
• 5.2.2 双面平行带线的特性介绍
• 5.2.3 带有插入导体平面的双面平行带线
• 5.3 基于双面平行带线的三通带滤波器设计
• 5.3.1 基于双面平行带线的三通带滤波器结构设计
• 5.3.2 仿真和测量结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文完成的主要工作
• 6.2 未来的工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件