射频可调滤波器技术的研究及应用

【摘要】：目前,随着移动用户对信息业务需求量的高速增长,频谱资源日益紧张,频谱资源的高效利用成为研究热点,认知无线电、三网融合、频谱感知等技术随之应运而生；有别于当前传统的通信系统,这些新技术使得通信系统能够动态地选择通信频段和信道,实现不同通信制式的融合和频谱资源的高效利用。但是,这样的动态频谱共享无线通信系统不能采用传统的固定频带的滤波器抑制干扰,而需要一种具有频率响应可重构特性的可调滤波器,动态地随着系统信道的改变调整滤波器的频率和带宽。本文针对动态频谱共享通信系统的关键技术与研究热点——可重构射频收发模块和可重构射频滤波器,开展深入的理论研究和实验验证, 论文的主要创新性工作和成果如下：1.首次提出一种结合耦合矩阵和非线性电流源的可调滤波器弱非线性分析方法,分析与预测加载变容二极管的可调滤波器的非线性产物,该方法适用于任意拓扑结构、任意分数带宽和采用绝大多数可调谐振器的可调滤波器设计；其次,分析了相对带宽、耦合拓扑结构和谐振器类型对可调滤波器非线性失真的影响,并给出相应减小非线性分量的可行途径。采用解析分析方法计算所得到的可调滤波器非线性分量与谐波平衡仿真结果一致,并且与电路实测结果相吻合,充分验证方法的有效性与准确性。上述研究结果已经发表于IEEE Trans. on MTT, vol.63, no.11,2015。2.提出一种目前最广义的耦合矩阵综合理论,突破目前传统耦合矩阵综合技术要求源和负载至少存在实数阻抗的限制。该方法基于功率波散射参数的定义,采用解析公式可将复数参考阻抗下的二端口散射参数直接转变为耦合网络的导纳矩阵,进而可以分别使用传统的留数方法和本征值优化方法获得横向耦合矩阵和特定拓扑结构的耦合矩阵,其源端和负载端参考阻抗均可以是任意复数阻抗,适用于任意拓扑结构。通过四阶全规范耦合矩阵和高阶复杂拓扑结构耦合矩阵的综合实例,充分验证该方法的有效性和可靠性。上述研究结果已经发表于IEEE MWCL, vol.25, no.6,2015.3.提出一种双路径电磁混合耦合的结构,用于绝对带宽恒定的可调滤波器设计。该结构主要是四分之一波长谐振器在短路端通过金属通孔进行磁耦合,在开路端通过平行耦合线进行电耦合,从而实现耦合系数曲线大小与斜率的独立控制。通过深入分析耦合机理并给出相应的综合设计方法,研制了恒定带宽为100MHz的可调滤波器加以验证。另一方面,为了同时提高可调滤波器的选择性和带外抑制度,提出了一种频率相关的输入输出馈电结构,研制了双极点恒定带宽可调滤波器,能够产生多至五个传输零点；上述研究结果已经分别发表于IEEE MWCL, vol.24, no.7,2014, IEEE MTT-SIMS2014。4.提出一种四分之一波长谐振器和双模谐振器混合结构,研制了四阶盒式结构的高选择性带通滤波器,相比传统的四阶盒式结构,结构紧凑、设计简单、加工容差大、选择性好。上述研究结果已经发表于IEEE MWCL, vol.24, no.12,2014,获得一项专利授权(专利号：ZL 2013 10552948.3)。5.在以上可调滤波器技术的研究基础上,研制了NGB-W的可重构直接变频射频收发前端。采用绝对带宽恒定的可调窄带滤波器动态选择信道,抑制干扰信号,实现对UHF频段频谱资源的动态高效利用。