Design of Some New Passive Components for RF Front-Ends

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：DesignofSomeNewPassiveComponentsforRFFront-Ends作者：ZafarBedarKhan学科专业：ElectronicsScienceandTechnology指导教师：ProfessorHuilingZhao2017年11月DesignofSomeNewPassiveComponentsforRFFront-EndsByZafarBedarKhanUndertheSupervisionofProfessorHuilingZhaoADissertationSubmittedtoNorthwe

2、sternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofElectronicsScienceandTechnologyXi’anP.R.ChinaNovember,2017IdedicatemyhumbleefforttopeopleofPakistan摘要摘要现代无线通信技术的发展对射频前端（RFFE）设备性能提出越来越高的要求，如小型化、宽带、双频段、更宽的谐波抑制功能等。为了满足越来越苛刻的设计要求，本文以RFFE中重要的无源器件，包括功分器/合成器、滤

3、波器、滤波功分器和混合定向耦合器为研究对象，提出新颖的或者改进的综合设计方法。（1）针对两段和三段传输线（TL）的双频带等分威尔金森功率分配器（WPD），提出一种简化的设计方法。首先从数学上证明，并以实验验证，对于这类WPD，仅用偶模电路分析就可以指导设计。因此，大大降低设计的数学复杂度。接着基于TL的级联性质和偶模分析，导出两段TL的WPD设计公式和设计图。然后将该方法扩展到三段TL的WPD设计，通过简化电路使该方法更简单，但是精度降低。用简化的设计方法设计不同频率比的双频WPD，并与已有的严密设计方法的设计结果进行对比，说明二者差别很小。最后，为验证简化设计方法的有效性

4、，设计并加工了工作在1GHz和2.4GHz的两段TL和三段TL的WPD，S参数的测量结果显示与仿真结果具有很好的一致性，且WPD性能良好，例如，两段和三段TL的插入损耗优于3.2dB；在两个设计频率处，两段TL的WPD端口之间的回波损耗和隔离度优于28dB和29dB，三段TL的WPD分别优于30dB和29dB。（2）给出具有良好端口隔离度和回波损耗的滤波功分器新型设计方案。设计采用传输线和传统的电阻作为隔离元件，用简单的微带电路将单频带带通滤波器与威尔金森功分器结合同时实现滤波和功率分配的功能。分析表明，如果具有一定带宽的带通滤波器匹配为70.7Ω，则传输线和隔离电阻足以在

5、滤波功分器中实现合理的输出端口回波损耗和隔离度。为验证这一论断，设计了两个单频带带通滤波器，即耦合线滤波器和开口三角形耦合谐振滤波器，中心频率分别为3GHz和1GHz，这两个滤波器可以有效取代功率等分器中传统的四分之一波长变换器，从而同时实现滤波和功率等分的功能。加工并测试这两个滤波功分器，结果显示S参数的测量结果和仿真结果吻合很好。耦合线滤波功分器和开口三角形耦合谐振滤波功分器的测试性能为：1dB带宽分别为15.3％和12％；端口隔离度分别优于31dB和20dB；带外性能良好，分别高达2.67f0和2.85f0。（3）基于加载开路枝节的环形谐振器（RR）拓扑结构，设计一种

6、结构简单紧凑的宽带带通滤波功分器。首先，通过将同轴输出、输入端口放置在沿着具有最大电场的谐振器长度的位置处，实现RR的通带特性。加载开路枝节引入简并模式，控制开路枝节长度扩展带宽。其次，设计两级开路枝节加载RR的级联结构，工作频率为3GHz，以改善滤波器的带外抑制性能。测试结果显示，插入损耗（IL）和回波损耗（RL）的优于1.7dB和12.3dB；3dB带宽为47％；2.26GHz和3.8GHz时的两个传输零点低于37dB；此外，通过设计环内加载开路枝节减小滤波器的面积。在相同的性能参数下，本文提出的紧凑型滤波器面积减少33%。最后，将基于RR设计的同轴馈电带通滤波器I西北

7、工业大学博士学位论文（BPF）集成在功分器上，同时实现滤波和功率等分功能。利用带通特性并将滤波器匹配于70.7Ω，RRBPF取代四分之一波长变换器被集成在功分器上。为了确保良好的输出隔离度和回波损耗（RL），使用了50Ω的扩展传输线和电阻。加工所设计的滤波功分器并测试，结果说明测量和仿真S参数结果一致性良好，滤波功分器在3GHz处具有15％的带宽。（4）提出一种微带技术中的非正统技术，利用阶梯阻抗传输线（TL）结构设计混合分支线耦合器（HBLC）。这种方法不仅能够实现30％的良好带宽和56％的尺寸减小，而且能够确保