微波无源器件的模块化设计方法研究

作     者：程祺 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：史小卫

授予年度：2023年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：模块化 高性能 小型化 管状滤波器 同轴滤波器 波导魔T功分器 

摘      要：在无线通信应用场景中,为了保持通信频段的纯净,抑制干扰信号的影响,作为常见选频器件的管状滤波器和腔体滤波器,应用广泛。此外,多用作功率分配器的波导魔T在通讯系统中同样发挥着将通讯信号分成多路信号进行输出的重要作用。无线通信系统在如今发展十分迅速,随之微波器件也趋向高性能小型化的方向发展,如何在提升器件性能的同时使器件结构更加紧凑,是学术界和工业界共同关注的热点之一。更进一步,如何实现更加高效的设计方法和生产制造也是非常值得思考的问题,解决这一问题的一个有效思路就是模块化设计。基于上述背景,本文对上述几类典型的无源器件,包括高性能的管状滤波器、腔体滤波器以及紧凑型的波导魔T功分器的模块化设计方法展开研究。 首先,本文研究了管状滤波器的模块化设计方法,将串联电感和并联电容生成一个模块,串联电容生成一个模块,分别进行场模型设计并分模块代入到电路中。基于电容输入的基于切比雪夫响应的管状同轴带通滤波器原型电路的综合方法,将电路元件与物理模型实现对应。串联电感和并联电容整体采用“哑铃状形式金属从而避免使用传统形式的绕圈电感,因此有效减小了加工误差的影响。创新性地创建相关电路元件的场模型代入到电路中形成混合形式电路用于快速准确设计。通过对仿真模型加工并进行测试实验,证明提出的设计方法能够实现高性能的管状带通滤波器的高效设计。按照这一设计方法设计实现的器件具备良好的带外抑制,低插入损耗,加工装配方式简单,兼具理论和应用价值。 其次,对高性能小型化的同轴滤波器模块化设计方法展开研究。基于广义切比雪夫综合方法,结合非谐振节点理论和冗余谐振模式技术进行综合设计得到同轴滤波器的拓扑结构。随后分别使用非谐振节点作为传输零点生成模块,冗余谐振模式结构作为传输零点生成模块,源耦合到多个谐振器作为紧凑结构和零点生成模块来进行模块化设计。非谐振节点和冗余谐振模式的引入可以在通带外频率的低端产生大量的传输零点,提高带外抑制,结构简单并避免了传统方式下的负耦合结构的引入,利于后续的加工调试。随后将源耦合到多个谐振器,使整体结构紧凑的同时显著增强高端的带外抑制。通过对一个C波段的同轴滤波器进行设计验证,证明该设计方案能够实现结构紧凑,良好的带外抑制及带内性能,并且易于生产加工与调试。 最后,本文深入研究了紧凑型波导魔T功分器的模块化设计方案。波导魔T的设计模块主要分为阻抗变换模块,波导拐弯模块和不连续性匹配模块。首先对波导魔T的不连续性进行分析,设计了波导魔T的阻抗匹配方案。并通过压缩波导尺寸来改变波导的等效阻抗,减小了匹配时的阻抗比,以此有效拓宽功分器的带宽。进一步,采用阶梯阻抗变换器与波导拐弯的复合型结构,缩小了整体尺寸以实现紧凑的设计目标。最终的整体设计可由两部分单独的波导魔T级联组成。通过一个Ka波段的波导魔T一分四功分器的设计实现,证明这一设计方法相较于其它工作,可实现结构简洁紧凑,性能优异的紧凑型波导魔T功分器,工程应用价值高。 综上,通过模块化的设计方法,能够在确保器件电性能的同时,实现几类典型器件的高效设计,并能够有效的简化物理结构,更便于生产制造,满足当今发展需求。