小型化多功能综合射频电路研究

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射频电路是雷达探测、微波通信、电子对抗和遥感遥测等系统中的核心部件,随着这些电子系统向高性能、高集成、多功能一体化等方向发展,对射频电路也提出了更高的要求。本文依托于国家自然科学基金项目和预研项目,根据现阶段多功能一体化数字阵列及微波通信系统对高性能射频电路的迫切需求而展开,以实现高性能、小型化和多功能的无源射频电路及器件、微波接收模块以及滤波天线等综合射频电路为主要研究目标,重点对其中的关键技术进行深入研究,并应用到实际系统的研制中,完成了相关的实验工作。本文主要的研究内容和创新点如下:1.提出了一种宽通带、低损耗和高边带选择性的滤波电路拓扑结构,采用电感式输入输出结构、加载并联谐振单元和反馈电容提高滤波选频性能。运用电路理论及图像法分析了工作原理,对电感、电容元件在低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics,简称LTCC)多层电路基板中的三维实现进行了研究。基于所提出的滤波电路拓扑,采用LTCC三维多层电感、电容,研制了一款小型化集总参数LTCC宽带带通滤波器。该滤波器结构紧凑,具有较小的尺寸和良好的电性能。仿真和测试结果表明,该滤波器的工作带宽可以达到62%,通带内损耗低,选频性能好,矩形系数高。2.提出了一种基于LTCC技术的小型化集总参数正交耦合器结构,采用LTCC三维多层空心十字螺旋电感、矩形螺旋电感和矩形垂直交指电容实现了小尺寸和良好性能。仿真和测试结果表明,该耦合器在33%的工作频带内具有良好的耦合传输性能,相位平衡度较好,端口隔离性能较好。3.提出了一种双边带传输零点频率可控的源载耦合谐振微波宽带带通滤波结构,利用等效电路分析方法分析了其工作机理和相关参数对性能的影响。基于该结构,采用LTCC工艺设计实现了一款小型化的微波带通滤波器。仿真和测试结果表明,该滤波器具有较宽的通带,带内损耗小,带外抑制性能佳,阻带宽,滤波选频性能优良。该滤波器被集成在一体化微波接收模块中,实现了射频输入信号前端滤波的功能。4.针对系统高密度集成和多功能的需求,结合某数字阵列的具体要求,采用LTCC三维集成技术,设计了一款X波段四单元一体化微波接收模块。经实验验证,该接收模块可实现对X波段空间电磁波的接收、滤波、放大、下变频等功能,工作频带宽,接收增益高,镜像频率抑制好,中频输出稳定,整体电路尺寸小,具有较高的集成度。5.提出了一种可实现带通滤波辐射的双极化滤波天线功能融合设计方法,通过加载缺陷地LC谐振结构、开路枝节和蚀刻缝隙等寄生结构,实现了宽带工作和优良滤波辐射响应,满足了系统小型化、低损耗、多功能、以及降低异频互耦的需求。采用三维电磁全波仿真软件进行了全面的场路分析和参数分析,研制了三款不同物理结构的低剖面双极化滤波天线,仿真和测试结果表明,这三款天线射频性能优良,均具有较宽的工作频带,可完全覆盖5G Sub-6 GHz频域的N77(3.3-4.2 GHz)、N78(3.3-3.8 GHz)、N79(4.4-5.0 GHz)频段,工作频带内增益高,辐射性能好,交叉极化电平低,两个极化端口之间的隔离度高;带外实现了有效的辐射抑制,边带选频性能好。
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