电可调射频滤波器件研究

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近年来,无线通信得到迅速发展,各种通信业务在不同频段应运而生,尤其在雷达、电子对抗等调频通信系统中,需要支持多带、多模的可重构射频前端来覆盖各种通信系统的数据传输。可调射频滤波器件是可重构射频前端的核心关键器件之一,承担着特定频率选择或特定频率抑制的作用。因此,研究高无载品质因数、宽可调范围、高调谐速度、高线性度、高频选特性和小型化等特性的可调射频滤波器件具有重要的意义。本论文以加载可变电容的多模谐振器、加载可变电容的1/2波长谐振器及加载可变电容的1/4波长谐振器等加载可变电容的微带传输线谐振器为研究对象,采用传输线理论研究变容二极管的加载点及加载方式、可调控机理及耦合参数,然后利用电磁与电路联合的仿真平台设计具有高性能的平面可调射频带通滤波器及空间可调带通频率选择结构,并对其进行加工、测试与讨论。在平面可调带通滤波器方面,首先采用奇、偶模等效电路,研究四模谐振器和双模谐振器中各个谐振模之间的调控规律,利用变容二极管加载于四模谐振器和双模谐振器中,控制其主要谐振模的变化,分别提出了带宽可调且中心频率固定的滤波器和双带独立可调的双通带滤波器。接着,利用中心对称的开路耦合线之间具有混合电磁耦合特性,成功综合了二阶、三阶、四阶和六阶恒定绝对带宽可调带通滤波器。其主要研究内容包括:(1)基于微带多模谐振器具有“一腔多振”及每个谐振模之间容易控制等优点,提出了一种新型的四模谐振器结构,通过对其谐振模机理的研究发现,上、下两个谐振模可以通过三个(两组)开路枝节独立控制而保持中间两个谐振模不变,然后利用两种变容二极管分别加载于三个(两组)开路枝节,成功设计了中心频率固定,上下边带独立可调的带宽可调滤波器。该结构不仅具有高频选和小型化等优点,而且该方法为实现频率和带宽全可调谐的滤波器提供了新的研究思路。(2)在双模谐振器中引入新的电容加载方式,构建了一种双模独立可调的谐振器结构,采用奇、偶模等效电路分析其奇、偶模独立可调的机理及相应耦合系数和外部品质因数的变化规律,设计实现了以奇模谐振频率构成第一通带、偶模谐振频率构成第二通带的二阶双通带独立可调滤波器。该双带独立可调滤波器并不采用传统的两路独立信号路径,而是根据双模谐振器本身具有的双模独立可调特性而实现的。该谐振器很容易应用于其他的双带独立可调电路设计,比如可调双工器、可调双带带阻滤波器等。(3)基于加载可变电容的1/2波长谐振器和可调综合设计理论,利用J变换器网络综合了具有二阶和三阶巴特沃斯响应的恒定绝对带宽可调滤波器;进一步引入金属化过孔作为K变换器,综合了一个具有四阶切比雪夫响应的恒定绝对带宽可调滤波器。为了进一步增加滤波器的矩形系数,获得更高频选特性的可调滤波器,满足现代无线通信对频率特性的要求,提出了六阶交叉耦合可调滤波器,在通带的上、下频带分别产生了三个传输零点。该方法结构简单,且无需多种电压控制去耦合系数及输入/输出结构,具有很强的实用前景。在空间可调带通频率选择结构方面,采用加载可变电容的1/4波长阶梯阻抗谐振器作为基本单元,利用刻蚀有二维周期谐振结构的印制电路板与金属平板组合成三维结构,构建具有2:1宽可调范围的频率选择结构。采用阶梯阻抗结构,不仅有效增加了可调范围、结构更加小型化和带外抑制范围更宽,而且可以在不同的输入角度下,均能保持很好的频率选择特性。本论文中所提出的各种新型电可调滤波器结构及设计方法对研制宽可调范围、高调谐速度、高线性度、高频选等特性的可调滤波器具有一定指导作用,同时本文设计的各类可调带通滤波器都是利用谐振器本身固有的谐振模、电磁耦合特性加以调控实现的,具有易于调控、加工等特点,具有广阔的应用前景。
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