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微波腔体无源器件关键技术研究

张先荣  
【摘要】:微波腔体、波导滤波器以及功率分配器,作为两类重要的无源器件,它们在现代微波通信系统(如无线基站通信系统和卫星通信系统)、雷达系统、电子对抗等系统中都占据着相当重要的地位。这些无源器件的性能优劣往往会影响到整个系统的质量。因此,在现代无线通信系统中对这些无源器件提出了越来越苛刻的要求,高性能、小型化、宽频带、低损耗、高功率容量以及轻质量、低成本等成为了当前学术界和工业界关注的热点课题。对于射频/微波学者和工程师们来说,如何将无源器件设计出来,并满足以上要求是一个很大的挑战。为了要同时达到这些要求,在滤波器以及功率分配器设计理论和结构实现形式上就需要有所创新。 本论文主要根据工程实际需求,将无源器件中的微波波导、腔体滤波器以及毫米波波导功率分配器作为研究对象。在深入分析当前滤波器和功率分配器理论的基础上,根据工程实际需要,主要致力于高性能、宽频带、小型化的新型结构和新技术研究。本论文涉及的主要研究内容如下: 第一,研究了波导结构滤波器的宽频带并对其小型化理论进行了分析。首先对脊波导结构的宽频带特性进行了阐述,通过分析得到在波导中添加适当的金属脊可以获得更宽的通带频率以及更远的寄生通带。其次,通过研究在脊波导中添加金属柱,形成电容加载,使谐振腔的体积得到减小。在此基础上,提出了一种新型结构的宽频带、结构紧凑、性能优良的工作于准毫米波频段的波导滤波器。该滤波器主要利用电容加载结构同脊波导两者相互结合的方式,实现了这类准毫米波滤波器的宽频带、小体积、低插损以及高功率容量等性能。 第二,研究了基于波导结构的超宽带滤波器,在分析超宽带特性的基础上,设计了一种以波导结构为基础的新型超宽带带通滤波器和超宽带陷波滤波器。在完成了第三章宽带准毫米波滤波器设计后,进一步利用脊波导结构和电容加载方式相结合,设计了满足美国联邦通讯委员会(U. S. Federal CommunicationsCommission)所定义超宽带(3.1GHz-10.6GHz)频段的波导滤波器。通过在超宽带滤波器的基础上设置类似短路枝节结构,形成超宽带陷波滤波器。该陷波滤波器具有以下特性:通过调整短路枝节中电容加载金属柱的数量和高度,可以在通带内灵活地获得一个或多个陷波,且陷波的位置可根据需要进行调节。 第三,为了进一步获得滤波器的小型化,对电磁混合耦合进行了研究,设计了一种结构简单的新型同轴腔体可调电磁混合耦合滤波器。通过在同轴腔中放置不同的耦合结构,实现了对电耦合和磁耦合的分别控制,从而能产生不同位置的传输零点。这种结构虽然没有使用交叉耦合,但仍然能实现准椭圆函数滤波器的特性。在腔体结构直线排列的情况下也实现了传输零点,并且能利用N个谐振腔结构,实现(N-1)个传输零点的效果。从而设计出了结构紧凑、性能良好的准椭圆函数直线型滤波器。 第四,研究了毫米波频段的具有2n(n=2)个输出端口的1分4波导功率分配器及非2n的双层1分10波导功率分配网络。在总结已有文献中功率分配器设计方法的基础上,通过对Riblet定向耦合器特性的分析,尤其利用Riblet定向耦合器可以实现任意功率分配比输出的特点来设计功率分配器。由于Riblet定向耦合器中的两个输出端口之间存在90°固有相位差,直接使用不能获得相位一致的功率分配。通过对移相器原理的分析,提出了在两个输出端口上添加等长度的输出波导;通过改变其中一个输出波导的宽度来进行相位调节,使得波导功率分配器的相位输出和功率幅度能进行同步调整,从而在输出端口获得相位一致和幅度平衡。通过进一步采用级联形式的结构,还实现了高性能、等相位、等幅度的双层1分10波导功率分配网络。 最后,对本论文的研究内容进行了总结,并对下一步的研究工作进行了展望。


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