高功率微波器件和电路的电磁兼容研究和设计

论文摘要

随着微波技术的迅速发展,微波器件在微波通信、微波导航、制导、遥测遥控、卫星通信以及军事电子对抗领域的需求不断增大。特别是由于无线电通信频率资源的日益紧张,分配到各类通信系统的频率间隔越来越密、应用频率越来越高、频带越来越宽,必然对微波设备的结构设计和实现提出了空前严酷的要求,例如,现代微波、毫米波收发机就对前端无源器件的性能指标提出了更高的降低衰减和抑制各种干扰信号影响的要求。现在,微波电路的小型化、轻型化、高功率化和电磁兼容研究及设计技术已经发展成为一个非常重要的研究方向。研制大功率、高性能、小体积的微波无源和有源器件,高标准地进行电磁兼容性设计,提高器件和系统的稳定性和可靠性是目前微波、毫米波通信领域迫切需要的关键技术之一论文重点研究了大功率微波器件微波功率模块和微波炉磁控管的电磁兼容性设计,带阻滤波器、微带天线微型化设计。论文首先基于电磁场与微波技术原理,深入地分析了微波功率模块的工作原理、结构和性能设计,然后对其稳定性提出了解决方案并进行了开关电源等主要部件的电磁兼容性设计和研究。对连续波磁控管内的电磁特性进行了静态和动态仿真研究,提出微波炉用磁控管谐波抑制方案。根据电磁场与微波技术中的天线理论和滤波器理论,研究设计了应用于宽带通信的微带缝隙天线,针对微波电路的电磁兼容要求,研究设计了抑制宽带通信中的二次谐波和三次谐波的带阻滤波器。本文的创新工作包括以下内容：1.深入分析了微波功率模块的电磁辐射产生的原因和微波功率模块用开关电源的工作原理和特性,在此基础上,对其开关电源电路进行了电磁兼容性研究,并提出了开关电源改进型的滤波电路和微波功率模块电磁兼容解决方案。2.基于微波炉欧洲标准,为解决当前微波炉用连续波磁控管所面临的EMI问题,采用大型电磁PIC模拟软件,通过模拟工作条件下磁控管中高频场与电子互作用过程,仿真研究了微波炉用2.45GHz连续波磁控管的输出功率、频谱等动态特性,并对改善磁控管EMI性能进行了初步尝试。3.根据缺陷接地结构(DGS)的带阻特性,结合微带线结构的特点,在研究设计哑铃型、螺旋型、T型DGS滤波器的基础上,重点研究和设计了一种新颖的、小体积的非对称T型DGS双频带阻滤波器,将多个单元级联,设计了一种阻带抑制深、尺寸小的带阻滤波器。制作了滤波器实物并进行了实验测试,测试结果与仿真结果吻合较好,该滤波器可以成功抑制蓝牙频段的二次和三次谐波,减少对系统及环境的干扰和辐射。4.研究设计了两款新颖的、结构紧凑的微带天线,优化了天线整体尺寸、缝隙的长度、宽度及天线馈电点,得到了工作在蓝牙频段、带宽较宽、阻抗匹配良好、辐射效率较高的两款微带蝶形缝隙天线,实测结果和仿真结果吻合很好。同时,研究结果表明,天线馈电点对天线中心频率的微调特性给天线的实际制作提供了较好的调试性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景和选题意义
• 1.2 微波功率模块及其开关电源的研究进展
• 1.2.1. 微波功率模块的发展动态
• 1.2.2 开关电源的发展动态
• 1.3. 磁控管技术的研究进展
• 1.4 微波电路滤波结构研究进展
• 1.4.1 缺陷接地结构滤波研究进展
• 1.4.2 DGS未来发展趋势
• 1.5 微带天线的研究进展
• 1.5.1 微带缝隙天线的研究方法
• 1.5.2 微带缝隙天线的研究现状
• 1.6 本文工作的主要内容
• 参考文献
• 第二章 MPM电磁兼容分析及其开关电源滤波电路设计
• 2.1 引言
• 2.2 MPM电磁兼容性（EMC）分析
• 2.2.1 开关电源（EPC）电磁兼容性设计分析
• 2.2.2 SSA的电磁兼容问题
• 2.2.3 小型化行波管（Mini-TWT）的电磁干扰
• 2.2.4 接地
• 2.2.5 需要解决的关键问题
• 2.3 高压开关电源的滤波电路设计
• 2.3.1 开关电源简介
• 2.3.2 开关电源整体设计方案
• 2.3.3 输入滤波整流电路的设计
• 2.3.4 输出滤波电路设计
• 2.4 保护电路设计
• 2.4.1 过流保护电路设计
• 2.4.2 输入过压、欠压及过热保护电路
• 2.5 整体电路设计和仿真结果
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 连续波磁控管静态与动态仿真分析
• 3.1 引言
• 3.2 基本工作原理
• 3.2.1 静态平板磁控管的电子运动
• 3.2.2 电子自动相位聚焦和电子自动挑选
• 3.2.3 形成电子轮幅
• 3.2.4 磁控管中的RF波
• 3.3 谐振系统的谐振模式与模谱
• 3.3.1 谐振系统谐振模式
• 3.3.2 谐振系统频率
• 3.3.3 同步电压
• 3.3.4 工作电压
• 3.4 连续波磁控管的特点、设计要求
• 3.5 微波炉用磁控管静态与动态仿真分析
• 3.5.1 构建仿真模型
• 3.5.2 静态仿真分析
• 3.5.3 动态仿真分析
• 3.6 结论
• 参考文献
• 第四章 缺陷接地结构微波滤波器设计
• 4.1 引言
• 4.2 微波仿真软件CST简介
• 4.2.1 CST软件介绍
• 4.2.2 CST的算法理论
• 4.2.3 CST的使用
• 4.3 光子带隙结构（PBG）简介
• 4.4 缺陷接地结构（DGS）的发展和应用
• 4.5 缺陷接地结构（DGS）工作原理
• 4.6 缺陷接地结构滤波器设计
• 4.6.1 哑铃型缺陷接地结构滤波器
• 4.6.2 螺旋型缺陷接地结构（Spiral-shaped DGS,SP-DGS）滤波器
• 4.6.3 T型缺陷接地结构滤波器
• 4.6.4 非对称T型缺陷接地结构滤波器
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 第五章 蝶形微带天线设计
• 5.1 引言
• 5.2 天线的基本理论
• 5.2.1 天线功能及其分类
• 5.2.2 天线的基本参数
• 5.2.3 微带天线
• 5.3. 大蝶形微带天线设计
• 5.3.1 天线设计
• 5.3.2 天线仿真分析
• 5.3.3 天线的实物制作与实际测试分析
• 5.4 天线的微型化优化设计
• 5.4.1 小蝶型天线结构
• 5.4.2 天线总体尺寸变化对天线的影响分析
• 5.4.3 天线电导体变化对天线的影响
• 5.4.4 天线馈电端口变化对天线的影响
• 5.4.5 天线表面缝隙长度变化对天线的影响
• 5.4.6 天线优化设计的参数选择步骤及设计结果
• 5.5 小结
• 参考文献
• 第六章 结束语
• 6.1 论文总结
• 6.2 本论文的局限和进一步研究工作展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间结合科研发表的文章
• 攻读博士学位期间结合科研申请专利
• 攻读博士学位期间主持和参加的科研项目