结构复合传输线理论及其应用研究

【摘要】：随着无线系统的发展,对微波技术的功能和性能要求越来越高,系统对电路和天线的要求也朝着小型化、多功能化、低成本化发展。同时,低频频谱资源的日益拥挤,也促进了对更高频谱资源的拓展。因此,多频多功能射频一体化集成系统,将是未来无线技术发展的必然趋势。移动通信和雷达探测作为无线系统中最活跃的两个领域,其未来发展,也涉及到了传统频段与毫米波/太赫兹频段的融合,且通常而言,这种多频系统的不同频段之间具有较大的频率比,对于传统的多频电路及天线设计方法带来新的挑战。结构复合传输线(Structural Composite Transmission Line),作为近年来提出的新型传输线,它由多传输线复合而成,具有结构复用,多模之间高隔离度的特点,十分适合多频小型化系统的应用需求。目前,结构复合传输线技术的研究正处于高速发展阶段,但是对结构复合传输线技术的系统研究相对较少,因此完善结构复合传输线理论,拓展结构复合传输线的应用领域是对于结构复合传输线技术研究的重点。本文对结构复合传输线理论及其在多频无源电路及天线的应用展开研究,主要内容包括:结构复合传输线理论研究;这是结构复合传输线技术的基础,包括了结构复合传输线的结构组合与种类研究、工作原理研究、传输线模式分析、特性阻抗分析以及复传播常数分析。本文提出了三种结构复合传输线,分别为单层结构的结构复合共面波导、结构复合夹心槽线、双层结构的结构复合脊波导。每一种结构复合传输线均由基片集成波导和其它种类传输线构成,不同的组成部分支持不同传输模式。基片集成波导的引入不会增加整体结构复合传输线的层数,所以本文提出的结构复合传输线的具有较高的集成度。在此基础上,通过理论计算,仿真验证,对各类结构复合传输线的传输特性进行了详细分析,为结构复合传输线的应用研究打下基础。结构复合传输线过渡研究;是为了解决结构复合传输线与其它传输线,电路及天线的互连与集成问题。本文主要针对两种过渡开展研究,一种是多端口过渡(联合馈电网络),每个端口分别激励对应模式;另一种是首次提出的单端口过渡(多模阻抗匹配结构),单个端口频分同时激励不同的模式。多端口过渡适用于MIMO形式的多频天线应用,以及多工器等多端口电路。而单端口过渡则适用于,单馈多频天线,以及多频滤波器、多工器、多频功分器等电路。本文中的两种过渡具有过渡带宽较宽、带内损耗低、多功能的特点,能有效的拓展结构复合传输线的应用,以适用于大部分多频系统的应用需求。结构复合传输线在无源电路中的应用研究;本文对大频率比多频系统(如5G移动通信系统中微波与毫米波同时覆盖)中的多种关键无源电路,如大频率比双通带滤波器、双工器、功分器等开展研究。本文提出了基于结构复合共面波导的大频率比双通带滤波器,并研究了三种大频率比双通带滤波器;滤波器为单层结构,可以实现10倍频,甚至20倍频以上的频率比,且对该滤波器的小型化开展了研究。提出了基于结构复合共面波导的大频率比双工功分器设计方法(多功能电路),可以实现sub-6/7 GHz与毫米波28 GHz频段的频率组合,可以应用于多频系统天线阵列的馈电网络设计。结构复合传输线在天线中的应用研究;本文基于提出的三种结构复合传输线,根据它们各自的结构特点,开展了多种多频、多极化、多功能集成天线的研究;包括驻波天线、漏波天线、单馈多频天线、多端口多频天线等多种天线类型,适用于不同的多频系统。本文提出的多种多频天线均为结构复合天线,具有小型化、多功能集成的特点。基于结构复合传输线的天线设计,将结构复合传输线的各组成部分作为天线的馈电,或者天线载体进行设计;可以根据这一设计思路,进行进一步拓展天线应用。本文系统性的研究了结构复合传输线理论,并拓展了结构复合传输线的应用范围。