微波滤波器反射相位特性及其在微波电路中的应用.docx

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1、微波滤波器反射相位特性及其在微波电路中的应用微波滤波器是各种微波系统中的关键器件,其作用是允许所需频带的信号通过,抑制和滤除其它信号,其主要的性能指标包括带内插损、带外抑制、边带过渡速度和带内传输相位线性度等。很多微波器件如检波器、混频器、倍频器等都需要相应的滤波器,随着器件小型化集成化的发展,滤波器通常集成在这些器件内部,这时除了前述性能指标外,还应当关注滤波器的反射相位特性;因为该指标与滤波器的输入阻抗紧密联系,并且反映了滤波器对电路其余部分的加载特性,对器件整体性能有重要的影响。本文针对微波滤波器反射相位特性进行了深入的研究,包括如何设计得到适当的反射相位

2、,进而减小滤波器的加载效应,提高微波器件性能,并通过仿真和实验验证了本文理论和分析的正确性。全文的主要内容如下:对滤波器反射相位特性进行了理论分析。根据反射相位和输入阻抗特点,将滤波器分为了阻带高阻型和阻带低阻型两类。通过对网络综合技术中几种常用响应函数的综合过程的推演,阐释了两种相位类型产生的根本原因,并说明了两种类型滤波器的S参数在幅频响应和相频响应上的特点。对不同响应类型、阶数和波纹条件下的滤波器的反射相位特性进行了横向对比,结果显示带内波纹对滤波器反射相位的变化速度影响最大,且带内波纹越大,反射相位趋近所需相位速度越快,滤波器加载效应越小。对微波低通滤波

3、器反射相位的寄生特性进行了理论和实验研究。利用短传输线的等效电路分析了其等效电感或电容,进而得出了阶跃阻抗低通滤波器在幅度和相位上的寄生响应与各级元件的对应关系,然后给出了消除或降低寄生响应的方法,包括采用悬置微带线提高高阻抗线特性阻抗,采用并联枝节产生传输零点以增加抑制度和平滑相位毛刺,以及选择合适的基片厚度和介电常数。通过在两个微波低通滤波器实例中采用上述措施,得到了宽阻带、高抑制度、反射相位平滑、相位一致性带宽宽的结果,其中抑制度大于20dB的阻带相对带宽分别为157%和162%,优于文献中的低通滤波器,证明了理论分析的正确性和方法的有效性。通过列举几个典

4、型的微波带通滤波器例子,说明了带通滤波器按照反射相位的分类及特点,总结了类型判别方法,并设计了一种阶梯阻抗枝节加载超宽带带通滤波器。通过增加阶梯阻抗枝节在长度比方面的自由度,引入了多个靠近边带的传输零点,增加了带外抑制度和矩形系数,得到了满足超宽带室内通信系统严苛要求的滤波器特性。测试结果显示,该滤波器的反射相位特性与前述特点相符,验证了判别方法的有效性。对并联型和串联型两个宽带高速率微波解调检波器的详细研制过程进行了阐述,总结了两种结构的检波器应当采用的滤波器的反射相位类型,即并联型应当采用阻带高阻型,串联型应当采用阻带低阻型。两个检波器的射频工作频带均达6~

5、26GHz,设计可解调ASK信号速率达2.5Gbps;测得的开路输出电压分别为26~94mV和68~146mV,相邻频点输出波动分别为1.59dB和1.51dB。此外,利用前述悬置微带枝节加载低通滤波器设计了另一个并联型高平坦度宽带微波检波器,进一步提升了检波器工作频带相对带宽和检波输出平坦度,测试开路输出电压大于200mV的频带范围为1.8~13.5GHz,整体波动小于0.77dB。三个检波器的测试结果与理论和仿真结果相符,证明了理论方法的正确性。详细介绍了一种W波段分谐波混频器的研制过程。在混频器的几个无源器件中,有两个的设计用到了滤波器的反射相位理论:一个

6、是本振低通滤波器,进行相位特性优化后它使二极管的匹配更易进行;一个是本振-中频双工器,它是由两个单独设计的滤波器组合而成,根据反射相位进行优化设计后双工器显示出良好的性能。另外,二极管建模采用了简化三维模型和基于测试提取的准线性参数,这种建模方法既能够提高仿真效率,又可以保证参数准确性。利用该模型可以在全波电磁仿真软件中对混频器在射频和本振端口的反射进行优化,从而得到良好的端口反射,使得混频器可以与射频低噪放和本振源直接集成。最终的混频器测试结果显示在88~100GHz的射频反射小于-10dB,在42~48GHz的本振反射小于-10dB,在所有本振条件下变频损耗

7、均小于14dB,满足项目指标要求。最后对全文进行了总结,并对未来可以继续深入研究的相关方向作了展望。