集成屏蔽结构的微带-短路同轴线混合谐振滤波器研究及应用

摘要

随着无线通信业务的快速发展，需要实现更宽带宽，更快的吞吐量，更高的系统灵活性，以满足通信系统兼容性和互操作性更高的要求，这些需求导致频谱资源越来越拥挤，而且使用的极度不平衡导致频谱利用率很低，很多国家已将频谱资源划分殆尽。因此，提高频谱利用效率的技术，如认知无线电、三网融合和动态频谱共享等成为当前的研究热点。射频滤波器作为无线通信系统射频前端的核心部件之一，对系统的性能、复杂度和成本起到至关重要的作用，而带内插损低、带外抑制高的射频滤波器存在体积大、成本高、结构复杂、与平面集成化电路不兼容的缺点，因此研究高选择性、结构紧凑的小型化带通滤波器具有非常重要的意义。本文提出了集成于射频前端屏蔽罩的微带-短路同轴线混合谐振器结构，对射频带通滤波器、双工器，及集成化射频收发前端开展深入的研究，论文的主要创新性工作和成果如下： 1.本文提出了一种采用新型混合谐振腔的紧凑型低损耗带通滤波器。该混合谐振器结构由微带线和一个短路的同轴线连接于屏蔽罩组成。因该结构可以最大限度地利用结构件空间，使得该滤波器不仅有尺寸小的特点，而且也大大提高谐振器的无载品质因数。测试结果表明，插入损耗小于1.3dB，3-dB相对带宽为5.2%，相比传统微带滤波器，该滤波器具有结构紧凑，容易制造和高Q值的优点。上述研究结果已经发表于IEEE2015Asia-Pacific Microwave Conference，获得一项专利授权(专利号：201510763381.3)。 2.针对提出的混合耦合谐振器的优势，本文提出了一种高选择性的带通滤波器。通过采用源负载耦合和混合电磁耦合方法，在滤波器通带内的两侧增加了一对传输零点，使滤波器的选择性得到了极大的优化。测试结果表明，滤波器的中心频率为2.71GHz，3-dB相对带宽为4.8%，插入损耗为1.45dB，两个可调传输零点，分别位于2.15GHz和2.85GHz提高了滤波器的选择性和阻带抑制。相关研究成果已经发表于《微波学报》。 3.本文提出并研制了一种新型高选择性高隔离度的射频双工器。该双工器基于紧凑及高品质因数混合谐振腔带通滤波器。通过源负载耦合和混合电磁耦合的方法，在通带两边分别有两个可调的传输零点，以及提高双工器的带外抑制度。测试结果表明，该双工器的工作频带是2.36GHz~2.44GHz和2.65GHz~2.75GHz。实测低频段的插入损耗为1.44dB，隔离度＞40dB，回波损耗≤-15.8dB，在通带内具有三个传输零点位分别位于1.84GHz、2.68GHz和3.2GHz；高频段的插损为1.48dB，隔离度﹥50dB，回波损耗≤-15.2dB，在通带内具有三个传输零点位分别位于1.3GHz、2.23GHz和3.05GHz。实验表明，该器件具有低插入损耗、良好的回波损耗、端口隔离等优良性能。因此，设计的双工器对于性价比高的射频收发系统的整合高效利用。上述研究结果已经发表于IEEE Microwave and Wireless Components Letters。 4.采用以上的高Q值混合谐振器带通滤波器和高隔离度的双工器，本文设计及研制了整个无线电收发机射频前端各模块电路。该收发机模块工作中心频率分别在2.7GHz和2.4GHz，可支持最大信道带宽为20MHz。收发器的设计采用超外差结构和中频的中心频率为200MHz。根据射频系统性能的总体要求本文确定了收发机的性能指标，设计了外部本振荡器模块的结构。收发前端的设计是由链路仿真验证，然后在前端主要设备的设计与评估，最后提出了收发器的性能在几个测试方案测试。在试验测试中，发射链路最大输出功率为14.2dBm，ACPR均小于-42dBc；20Msps码率的QPSK、16QAM、64QAM信号EVM分别小于2.13%、1.68%、1.28%。接收链路最小接收功率为-75dBm，增益大于30dB，输入1dB压缩点和三阶互调阻断点分别大于-14dBm和-8.5dBm，噪声系数小于5.7dB。当接受链路输入功率为-40dBm时，20Msps码率QPSK、16QAM、64QAM信号解调输出EVM分别小于3.49%、2.57%、2.3%。测试结果表明该收发机射频前端具有体积小且良好的射频性能和通道一致性同时可以提高传输速率。相关研究成果已经投稿至Microwave Journal。

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