耦合微带线滤波器及UC-EBG结构多天线集成的应用基础研究

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无线通信产业的蓬勃发展,对系统的收发机提出了越来越高的要求,市场竞争越来越激烈,要求系统整体小型化,高可靠、低成本。滤波器和天线是射频收发系统两个重要的微波器件。天线为辐射和接收无线电波提供了手段,是无线通信系统中重要的一环,天线的性能直接影响着通信系统的品质。滤波器承担着有效滤除各种无用信号及噪声信号、降低各通信频道间的信号干扰,从而确保通信设备各部分的正常工作,实现高质量通信的任务。它不仅起到频带和信道选择的作用,而且还能滤除谐波,抑制杂散频率。本文基于微波理论的分析方法,对耦合微带线滤波器和UC-EBG光子晶体在多天线集成中的应用进行了研究。本论文的研究点和主要贡献包括:1.提出了一种新型的基于信号干扰方法的紧凑型滤波器。基于信号干扰方法,该结构由两段弯折型耦合微带线以并联的形式组成。通过模型建立和波传输特性函数的推导和分析,获得了该结构的理论设计方法。在仿真基础上,实际制作了一个中心频率在2.6GHz,3dB带宽为92%的带阻滤波器,性能良好,验证该结构的可行性和方法的可靠性。同样,依据电路原理,通过简单的参数替换或映射,该结构同样可以用来制作带通滤波器。为此我们制作了两个带通滤波器的实物进行验证,仿真和测试结果一致。2.提出了两类由耦合微带线和开路枝节构成的T型滤波器。第一部分,研制由两段弯折型耦合线和开路枝节组成的带阻滤波器,耦合线和开路枝节的电长度为λ/4,滤波器采用直接馈电形式,通过分析滤波器传输特性随开路枝节阻抗和耦合线奇、偶模特性阻抗的变化,选取合适的物理参数,对滤波器进行建模仿真,并制作滤波器实物验证设计的有效性;第二部分,由三条平行耦合线以不同的连接方式构成四种T型滤波器,研究发现当选取合适的阻抗和电长度时,滤波器可以实现带通和带阻的频率响应。电路以电磁模拟软件ADS和HFSS进行仿真,并以Rogers4350B基板制作电路进行实物测试验证,结果显示,仿真和测试结果具有良好的一致性。3.提出了一种新型的“凸”型谐振结构,利用该谐振结构研制出一种双频带滤波器。本文对谐振结构进行建模仿真,通过弱耦合的方式对结构的谐振模式进行分析,研究发现,该谐振结构在0-5GHz的频段范围内具有四个谐振峰。可以通过一定的方式将谐振峰f1、f2构造双频滤波器的第一个通带,f3、f4构造第二个通带。分析谐振模式随该结构中的耦合线长度变化情况,经过电磁仿真优化设计,在该谐振器下方中央位置加载一段开路枝节,可以在一定程度上降低了两个通带间的相互干扰,最后对该谐振器选取合适的耦合方式进行馈电,研制出一种新型双频滤波器,并进行滤波器实物加工和测试验证该方法的正确性4.提出了一种馈电形式为CPW-CPS的偶极子天线,以偶极子天线为单元组成3×2的六元天线阵列,将UC-EBG型光子晶体应用到多天线的集成中,分析了天线间的互耦问题。天线的激励信号从共面波导结构馈入,经过不平衡到平衡的变换结构链接到一段平行双线传输线,然后再到偶极子天线的两臂,偶极子天线工作中心频率为3.45GHz,工作带宽超过了100MHz。通过建模仿真优化UC-EBG物理尺寸使3.4-3.5GHz频段处在UC-EBG光子晶体电磁带隙的位置,利用UC-EBG型光子晶体在谐振频率处的同相反射特性,制成天线的反射板,并且单元天线之间也由该尺寸UC-EBG结构的光子晶体隔开,研究光子晶体对相邻天线单元间耦合的抑制情况,经过测量计算,相邻天线间的相关系数p<0.7。
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