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微波无源器件综合与诊断技术研究

王瑞  
【摘要】:微波谐振腔滤波器和双工器是现代通信系统(如无线基站和通信卫星)的重要器件。对一个设计师来说,从给定的指标开始到最后获得一个典型的滤波器或双工器的物理实现,这往往是个漫长的路程。这个漫长的过程通常包括传输零点和滤波器阶数的确定、耦合矩阵的综合,为获得物理尺寸在EM设计阶段的诊断与调谐、加工与测试、和/或在产品阶段的诊断和调谐。本文研究的重点在谐振腔滤波器和双工器综合与诊断上。详细的研究给出如下: 首先,提出了利用遗传算法(GA)的优化方法确定谐振腔带通滤波器(包括自均衡滤波器)的阶数和最优的传输零点位置。此方法是基于根据给定的幅度和/或群延时指标构造一个目标误差函数,然后利用遗传算法通过最小化这个目标误差函数得到滤波器的阶数和传输零点(TZs)。该方法解决了具有广义切比雪夫响应的谐振腔滤波器耦合矩阵综合的首要问题。此外,给出了基于单一的SolvOpt优化方法综合谐振腔滤波器的耦合矩阵,为寻找代价函数的全局最小值,给出了SolvOpt初始值的设置规则。 第二,对不包含源与负载耦合的谐振腔滤波器的诊断,提出了两个诊断方法,包括三参数优化方法和五参数优化方法。该方法可以用于从窄带交叉耦合谐振腔带通滤波器的测试或电磁仿真的S参数中提取耦合矩阵和无载Q(也称为滤波器的诊断)。在提出的方法中,柯西法用于确定在归一化低通频域中滤波器S参数的特征多项式,测试(或电磁仿真)的S参数的相移效应首次通过优化移除,谐振腔的无载Q(假设所有的谐振腔具有相同的无载Q)也同时通过优化得到。 第三,为准确地从有耗的交叉耦合谐振腔带通滤波器测试(或仿真)的S参数中提取耦合矩阵和每个谐振腔的无载品质因数(无载Q),提出了一个两阶段优化方法。该方法是基于提出的五参数优化方法正确扩展到能处理存在源与负载耦合和每个谐振腔有不同的无载Q的情况。 第四,提出了一种通过使用导纳参数(也就是从所周知的Y参数)的新方法提取包含源与负载耦合的有耗交叉耦合谐振腔带通滤波器的耦合矩阵。Y参数是通过测试的S参数对应的特征多项式计算,然后谐振腔的无载Q以及耦合矩阵可以从这个Y参数中提取。该方法允许对一个包含源与负载耦合的滤波器进行诊断,而不需要处理Y参数的去极点问题和测试噪声问题。 最后,提出了两种综合耦合谐振腔双工器的方法,该双工器由TX和RX滤波器构成(连接TX和RX滤波器的两种结节类型被研究)。一种方法是分别单独综合TX和RX滤波器的耦合矩阵(MTX和MRX),然后双工器的耦合矩阵通过MTX和MRX获得。另一种方法是利用提出的线性频率变换和混合优化方法,直接得到整个双工器的“N+3”耦合矩阵。提出的滤波器的诊断方法也可用于指导双工器每个信道的调谐。 综合出的滤波器或双工器的耦合矩阵可用于分析这个滤波器或双工器的幅度和群时延响应,以及获得它们初始的物理尺寸。提出的诊断方法可用于指导交叉耦合的谐振腔滤波器或双工器在EM设计阶段和/或产品阶段的调谐,进而加快该滤波器或双工器的设计和物理实现,从而可以降低产品成本和节约时间。


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