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《电子科技大学》 2018年
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无线通信中的室内中继技术及其关键器件研究

沈梦魁  
【摘要】:随着智能手机等移动终端数量的增加,人们对无线通信的急剧提升,低频频谱资源已不能满足数据密集型移动设备日益增长的带宽需求,因此频谱资源更为丰富的毫米波频段已成为下一代无线通信系统所关注的焦点。相比低频段频谱,毫米波频段具有更多的可用带宽,然而其波长短,衍射和散射能力偏弱,在经过高密集度的建筑物时,不可避免的会在室内形成通信阴影或盲区。本文针对以上问题,基于信号的二次汇聚和转发方式,对适用于无线通信的室内无线中继器的设计方法和实现途径进行了研究和探索。本文的主要研究内容如下:1.提出了一种结合玻璃材料的无线中继方法用以覆盖建筑物内存在的通信阴影或盲区。不同于传统室内中继系统,该中继方法在设计时考虑了常规工业玻璃对信号覆盖的影响,克服了建筑物对无线信号的屏蔽作用,突破了传统通信方式在毫米波通信领域的局限性,有利于实现无线通信中无线信号在室内各个区域的覆盖,进而优化室内无线通信的服务质量(Quality of Service,QoS)。所提出的中继方法兼容多种双工方式,便于兼容多种通信模式,有利于降低电信运营商的室内中继建设成本。2.提出了一种可用于室内无线信号宽覆盖的无源中继器,解决室内信号覆盖问题的同时降低了通信系统能耗和成本。相比于传统中继设备,该无源中继不需要有源器件,因此不增加额外的能源消耗,有利于实现绿色通信,符合行业绿色可持续发展的需求。进一步地,基于基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)缝隙天线提出了一种无源中继单元,通过采用不同的中继单元数量及组阵方式实现室内不同区域的覆盖。所提出的无源中继器结构简单、成本低廉、便于安装且具有良好的设计灵活度,可以应用于不同的通信场景。3.针对传统天线和滤波器直接相连引入损耗大、增大中继器噪声系数的问题,提出了一个基于SIW矩形腔及非谐振缝隙的线极化滤波天线。通过在SIW矩形腔边缘插入共面波导(Co-Plane Waveguide,CPW)结构,产生了更多的谐振频点从而提高了工作带宽。同时CPW结构也在源负载之间引入了混合电磁耦合,在通带上下边缘各产生了一个辐射零点,提高了带外杂波抑制能力。所提出的线极化滤波天线采用非谐振缝隙激励了SIW腔中的高阶模,不仅增大了天线带宽,也产生了一个可调的辐射零点以增强天线带外抑制。进一步地,基于SIW谐振单元和交叉缝隙辐射结构,提出了一个单端口SIW圆极化滤波天线。4.提出了一种可用于实现小型化宽带中继器的滤波电路设计方法,该电路采用双模/多模谐振器以及四分之一谐振器实现。通过在传统谐振单元上加入高阻抗短路枝节线或开路枝节线等微扰结构,激励起谐振单元的其他模式,从而增大了滤波器带宽且不增加电路尺寸。由于采用平行线电耦合和高阻线磁耦合的双耦合路径结构,在滤波器上下通带边缘引入了有限传输零点,提高了滤波器的频率选择性。所提出的宽带滤波器物理尺寸小,具有良好的带内带外电气特性,为实现结构紧凑的无线中继器提供了良好的滤波电路。5.针对多个SIW谐振单元简单并联造成滤波器整体尺寸大、不利于中继器小型化的问题,提出了一种基于堆叠SIW腔的多路径混合耦合窄带滤波器设计方法。所提出的滤波器充分利用多层基板的三维结构,通过将两个谐振器堆叠,实现了一系列二阶窄带滤波器。由于SIW谐振腔不同位置的耦合性质不一样,通过在堆叠的谐振腔之间不同位置挖槽或孔形成了电耦合占主导和磁耦合占主导的耦合路径,从而在两个谐振器间实现了混合电磁耦合,进而在滤波器上下阻带各形成一个传输零点,提高了滤波器的频率选择性。所提出的SIW窄带滤波器结构简单,方便集成,为实现小型化高性能的中继器提供了结构紧凑的滤波电路和信号互连结构。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TN92

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