微波濾波器反射相位特性及其在微波電路中的應(yīng)用.docx

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1、微波濾波器反射相位特性及其在微波電路中的應(yīng)用微波濾波器是各種微波系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件,其作用是允許所需頻帶的信號通過,抑制和濾除其它信號,其主要的性能指標(biāo)包括帶內(nèi)插損、帶外抑制、邊帶過渡速度和帶內(nèi)傳輸相位線性度等。很多微波器件如檢波器、混頻器、倍頻器等都需要相應(yīng)的濾波器,隨著器件小型化集成化的發(fā)展,濾波器通常集成在這些器件內(nèi)部,這時除了前述性能指標(biāo)外,還應(yīng)當(dāng)關(guān)注濾波器的反射相位特性;因為該指標(biāo)與濾波器的輸入阻抗緊密聯(lián)系,并且反映了濾波器對電路其余部分的加載特性,對器件整體性能有重要的影響。本文針對微波濾波器反射相位特性進(jìn)行了深入的研究,包括如何設(shè)計得到適當(dāng)?shù)姆瓷湎辔?/p>

2、,進(jìn)而減小濾波器的加載效應(yīng),提高微波器件性能,并通過仿真和實(shí)驗驗證了本文理論和分析的正確性。全文的主要內(nèi)容如下:對濾波器反射相位特性進(jìn)行了理論分析。根據(jù)反射相位和輸入阻抗特點(diǎn),將濾波器分為了阻帶高阻型和阻帶低阻型兩類。通過對網(wǎng)絡(luò)綜合技術(shù)中幾種常用響應(yīng)函數(shù)的綜合過程的推演,闡釋了兩種相位類型產(chǎn)生的根本原因,并說明了兩種類型濾波器的S參數(shù)在幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)上的特點(diǎn)。對不同響應(yīng)類型、階數(shù)和波紋條件下的濾波器的反射相位特性進(jìn)行了橫向?qū)Ρ?結(jié)果顯示帶內(nèi)波紋對濾波器反射相位的變化速度影響最大,且?guī)?nèi)波紋越大,反射相位趨近所需相位速度越快,濾波器加載效應(yīng)越小。對微波低通濾波

3、器反射相位的寄生特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗研究。利用短傳輸線的等效電路分析了其等效電感或電容,進(jìn)而得出了階躍阻抗低通濾波器在幅度和相位上的寄生響應(yīng)與各級元件的對應(yīng)關(guān)系,然后給出了消除或降低寄生響應(yīng)的方法,包括采用懸置微帶線提高高阻抗線特性阻抗,采用并聯(lián)枝節(jié)產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)以增加抑制度和平滑相位毛刺,以及選擇合適的基片厚度和介電常數(shù)。通過在兩個微波低通濾波器實(shí)例中采用上述措施,得到了寬阻帶、高抑制度、反射相位平滑、相位一致性帶寬寬的結(jié)果,其中抑制度大于20dB的阻帶相對帶寬分別為157%和162%,優(yōu)于文獻(xiàn)中的低通濾波器,證明了理論分析的正確性和方法的有效性。通過列舉幾個典

4、型的微波帶通濾波器例子,說明了帶通濾波器按照反射相位的分類及特點(diǎn),總結(jié)了類型判別方法,并設(shè)計了一種階梯阻抗枝節(jié)加載超寬帶帶通濾波器。通過增加階梯阻抗枝節(jié)在長度比方面的自由度,引入了多個靠近邊帶的傳輸零點(diǎn),增加了帶外抑制度和矩形系數(shù),得到了滿足超寬帶室內(nèi)通信系統(tǒng)嚴(yán)苛要求的濾波器特性。測試結(jié)果顯示,該濾波器的反射相位特性與前述特點(diǎn)相符,驗證了判別方法的有效性。對并聯(lián)型和串聯(lián)型兩個寬帶高速率微波解調(diào)檢波器的詳細(xì)研制過程進(jìn)行了闡述,總結(jié)了兩種結(jié)構(gòu)的檢波器應(yīng)當(dāng)采用的濾波器的反射相位類型,即并聯(lián)型應(yīng)當(dāng)采用阻帶高阻型,串聯(lián)型應(yīng)當(dāng)采用阻帶低阻型。兩個檢波器的射頻工作頻帶均達(dá)6~

5、26GHz,設(shè)計可解調(diào)ASK信號速率達(dá)2.5Gbps;測得的開路輸出電壓分別為26~94mV和68~146mV,相鄰頻點(diǎn)輸出波動分別為1.59dB和1.51dB。此外,利用前述懸置微帶枝節(jié)加載低通濾波器設(shè)計了另一個并聯(lián)型高平坦度寬帶微波檢波器,進(jìn)一步提升了檢波器工作頻帶相對帶寬和檢波輸出平坦度,測試開路輸出電壓大于200mV的頻帶范圍為1.8~13.5GHz,整體波動小于0.77dB。三個檢波器的測試結(jié)果與理論和仿真結(jié)果相符,證明了理論方法的正確性。詳細(xì)介紹了一種W波段分諧波混頻器的研制過程。在混頻器的幾個無源器件中,有兩個的設(shè)計用到了濾波器的反射相位理論:一個

6、是本振低通濾波器,進(jìn)行相位特性優(yōu)化后它使二極管的匹配更易進(jìn)行;一個是本振-中頻雙工器,它是由兩個單獨(dú)設(shè)計的濾波器組合而成,根據(jù)反射相位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后雙工器顯示出良好的性能。另外,二極管建模采用了簡化三維模型和基于測試提取的準(zhǔn)線性參數(shù),這種建模方法既能夠提高仿真效率,又可以保證參數(shù)準(zhǔn)確性。利用該模型可以在全波電磁仿真軟件中對混頻器在射頻和本振端口的反射進(jìn)行優(yōu)化,從而得到良好的端口反射,使得混頻器可以與射頻低噪放和本振源直接集成。最終的混頻器測試結(jié)果顯示在88~100GHz的射頻反射小于-10dB,在42~48GHz的本振反射小于-10dB,在所有本振條件下變頻損耗

7、均小于14dB,滿足項目指標(biāo)要求。最后對全文進(jìn)行了總結(jié),并對未來可以繼續(xù)深入研究的相關(guān)方向作了展望。