基于反耦合线和信号干扰宽带滤波器的理论研究与设计

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21世纪移动互联网和网络多媒体技术的应用普及刺激了无线通信的演变和发展,能同时兼容多种通信标准并提供高质量通信的宽带通信系统成为未来无线通信发展的必然。作为通信系统射频前端的关键器件之一,宽带滤波器性能的优劣直接影响整个通信系统的质量。为了适应微波集成电路小型化的要求,滤波器不仅要性能好,而且要体积小、结构紧凑,便于集成与互联。本论文针对这种小体积、高性能的宽带滤波器需求,对基于横向型信号干扰方法和基于弯折型反耦合线结构设计宽带滤波器进行了深入的研究。本论文创新性研究成果包括:1)提出了一种基于横向信号干扰方法设计的高选择性宽带带阻滤波器。横向信号干扰是由终端加载四分之一波长开路传输线枝节的反耦合线和终端加载两段对称的四分之一波长开路传输线枝节的п型耦合线相并联而形成的。由于所提出滤波器结构的对称性,因此采用了对称二端口网络奇偶模分析法对滤波器结构进行了分析和推导,并最终获得了该滤波器结构的散射参数表达式。依据于所获得的散射参数表达式,详细的讨论了滤波器的传输零点和反射零点随着耦合线奇偶模特性阻抗以及开路传输线枝节特性阻抗的变化关系。讨论结果显示可以通过改变耦合线的奇偶模特性阻抗或开路传输线枝节特性阻抗来调整阻带内传输零点及通带内反射零点的位置。为了证实所提出的滤波器结构的可行性以及设计理论的有效性,最终构造、仿真和测量了一个中心频率为3GHz,20dB衰减带宽高达94%的宽带带阻滤波器。与同类其它滤波器相比具有更宽的阻带宽度以及更高的选择性。2)进一步提出了一种宽带带阻滤波器。该滤波器是基于由四分之一波长开路传输线枝节加载的弯折型反耦合线和两段对称的半波长开路传输线枝节相并联所形成的信号干扰方法来设计的。通过采用终端加载一段四分之一波长开路传输线枝节的弯折型反耦合线与两段对称的半波长开路传输线枝节相并联的方式在滤波器的阻带内引入了五个传输零点,并在通带内产生了四个反射零点,从而获得了陡峭的过渡带特性、宽阻带特性以及较好的阻带抑制水平。由于所提出滤波器结构的对称性,采用对称二端口网络奇偶模分析法研究了滤波器结构的反射参数和传输参数表达式。通过对传输参数和反射参数进行分析,可以得到传输零点和反射零点的表达式。基于反射零点和传输零点表达式,详细的讨论了在不同耦合线及开路枝节特性阻抗的条件下,传输零点和反射零点的变化,并给出了相应的变化曲线。变化曲线显示可以通过改变耦合线的奇偶模特性阻抗及开路传输线枝节特性阻抗来调整阻带内传输零点及通带内反射零点的位置。为了证实所提出滤波器结构的可行性及设计理论的有效性,构造、仿真和测量了一个中心频率为3GHz,10dB衰减带宽为115%的宽带带阻滤波器,阻带右侧过渡带衰减斜率达到165.9dB/GHz。仿真和测量结果的一致性证实了滤波器结构的可行性及设计理论的有效性。3)提出了一种基于弯折型反耦合线结构的宽带带通滤波器。通过在反耦合线终端加载一段п型耦合线和两段对称的开路传输线枝节,在滤波器的阻带内引入了六个传输零点,从而获得了陡峭的过渡带特性、宽阻带特性以及较好的阻带抑制水平。采用对称二端口网络的奇偶模分析法对滤波器结构进行了分析,并获得了该滤波器结构的反射参数和传输参数表达式。为了验证该滤波器结构的可行性及设计方法的可靠性,设计和构造了一个中心频率为3GHz,10dB百分比带宽为61.4%的紧凑宽带带通滤波器原型。仿真与测试结果的高度一致性证实了该结构的可行性及设计方法的可靠性。同时,为了进一步改善滤波器边缘的选择性及提高阻带的抑制水平,对两个相同的滤波器原型进行了直接级联。级联后的滤波器,在滤波器通带的左侧和右侧边缘分别获得了具有竞争性的100.8dB/GHz及109.4dB/GHz的衰减斜率。4)进一步提出了一种新颖的结构简单的宽带带通滤波器。该滤波器结构非常简单,仅由一段弯折型反耦合线及半波长开路传输线枝节组成。采用对称二端口网络奇偶模分析法对滤波器结构进行分析,从而获得了该滤波器结构的反射参数和传输参数表达式。通过对传输参数和反射参数进行分析,可以得到传输零点和反射零点的表达式。基于反射零点和传输零点表达式,详细的讨论了在不同耦合线及开路枝节特性阻抗的条件下,传输零点和反射零点的变化,并给出了相应的变化曲线。变化曲线显示可以通过改变耦合线的奇偶模特性阻抗及半波长开路传输线枝节特性阻抗来调整通带反射零点及阻带传输零点的位置。最终,构造、仿真、测量和比较了两个具有不同传输零点和反射零点的带通滤波器,滤波器的中心频率为3GHz,3dB带宽为45%。测试结果显示该带通滤波器具有陡峭的过渡带特性及较低的带内插入损耗。
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