【摘 要】
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射频前端系统中,射频滤波器作为关键组件,其高性能和小型化对系统性能提升和体积缩减至关重要。实际链路中,其常需与巴伦、功分器、开关等其它功能器件进行级联使用。这种级联架构不仅体积庞大且损耗较高。将滤波器件与其它功能器件进行融合设计,得到滤波多功能电路,可有效解决以上问题。然而,面向多频多制式和抗干扰等通信系统发展趋势,滤波器与滤波多功能电路仍有诸多理论与技术的瓶颈亟待突破。为此,本文依托适用于基站的
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射频前端系统中,射频滤波器作为关键组件,其高性能和小型化对系统性能提升和体积缩减至关重要。实际链路中,其常需与巴伦、功分器、开关等其它功能器件进行级联使用。这种级联架构不仅体积庞大且损耗较高。将滤波器件与其它功能器件进行融合设计,得到滤波多功能电路,可有效解决以上问题。然而,面向多频多制式和抗干扰等通信系统发展趋势,滤波器与滤波多功能电路仍有诸多理论与技术的瓶颈亟待突破。为此,本文依托适用于基站的高Q值介质谐振器与适用于终端的多层低温共烧陶瓷（LTCC）技术深入开展了高性能小型化的滤波器与滤波多功能电路研究,构建了其面向多频化和抗干扰等不同场景的创新设计理论,得到了系列具备多频化和抗干扰特征的高性能小型化滤波器与滤波多功能电路。具体研究内容包括:（1）针对高Q值介质谐振器的边界构建单一和可控模式数受限问题,提出了全磁边界和混合边界的两类四模介质谐振器。利用不同边界条件构建了两组易同步与独立操控的同阶四模,并面向不同边界类型介质谐振器提出了适用的多种馈电激励方式,为高性能滤波器与滤波多功能电路提供了良好的设计基础。（2）针对高性能滤波器的频带单一问题,研究了双频双工器、机械可重构滤波器和电调可重构滤波器等三类滤波器件的多频化设计方法。从全磁边界和混合边界的多模介质谐振器出发,构建了多模同步馈电激励、分离耦合传输和独立频率操纵等多模传输调控理论。其中,面向双频双工器提出了共用输入与输出四模谐振器的创新设计架构,基于多模共性开展了多模同步激励研究,依据多模正交性解决了在共用输出谐振器时的隔离传输难题,与传统的单模设计相比,缩减了75%的谐振器使用量。面向多带可重构场景,深入研究了多模频率的独立机械调谐和独立电控调谐机理,形成了系列多频机械与电控独立可重构的高性能滤波器设计方法。该研究成果已发表多篇论文于IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques等本领域国际顶级期刊。（3）针对高性能滤波多功能电路的频带单一问题,研究了滤波开关与巴伦双工器等两类滤波多功能电路的多频化设计方法。从全磁边界和混合边界的多模介质谐振器出发,构建了多模同步耦合切变、同步功率等分和同步差分转换等多模功能复用理论。其中,以滤波开关作为时分系统中的滤波多功能电路代表,深入研究了四模的同步耦合切变机理,仅利用单个介质体即可设计出开启时损耗仅0.63 d B且关断时隔离高达41 d B的高性能双频滤波开关。以巴伦双工器作为频分系统中的滤波多功能电路代表,分别研究了介质多模的单端/差分输入和输出机理,形成了普适于全四类巴伦双工器的系统设计方法,得到共模抑制高达50 d B的系列巴伦双工器。该研究成果已发表论文于IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers等本领域国际顶级期刊,并荣获2021 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications等本领域国际会议最佳学生论文奖。（4）针对小型化滤波器与滤波多功能电路的谐波干扰问题,研究了带阻滤波器、滤波巴伦、滤波功分等LTCC滤波器与滤波多功能电路的阻带调控与拓展方法。其中,面向带阻滤波器提出引入级间耦合的创新拓扑架构,无需增加谐振器阶数即可对阻带进行拓宽及灵活调控,与传统设计相比具有小型化显著优势,体积仅3.3×2.85×2 mm~3。面向滤波巴伦与滤波功分,提出了基于多频多端口耦合矩阵的宽阻带电路数学综合方法,由特殊的输入、级间、输出耦合区间进行物理映射,在无需外加电路及不影响通带的前提下即可独立对谐波进行消除,得到了阻带范围宽达4.1倍频和阻带水平高达35 d B的系列滤波巴伦和滤波功分。该研究成果已授权美国发明专利并发表多篇论文于IEEE Transactions on Circuits and Systems II:Express Briefs等本领域国际期刊。所得的系列射频滤波器与滤波多功能电路,与传统设计及其它已报道的设计相比,具备高性能、小型化、多频化和抗干扰等优势,可助力实现下一代移动通信系统的低碳高效、智生智简和多网融合发展。
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