频变耦合滤波器综合设计研究

摘要

在现代微波毫米波系统中，滤波器作为通信系统的关键器件之一，其性能优劣直接影响到整个通信系统的质量。为了实现高性能滤波器，通常采用滤波器综合的方法来设计所要求的滤波响应结构。这不仅可以引入全新拓扑结构，还能为后续的设计、调试等提供理论指导。本文针对现代滤波器综合中面临的一些问题展开讨论，包括：新型高性能直线拓扑的混合耦合滤波器综合设计；线性频变耦合滤波器综合以及频变耦合系数提取；带有高次频变耦合系数的频变滤波器综合设计；带有源与负载频变耦合的滤波器综合设计。 本文的具体工作和创新如下： 1、基于传统的混合耦合滤波器综合方法，在两个垂直放置的圆形介质集成波导谐振器的中间金属层嵌入两个圆孔引入竖直方向的电磁耦合，并通过改变圆孔尺寸和位置调整电磁耦合系数，实现了一个可控的传输零点，在紧凑结构的基础上提高了滤波器选择性； 2、给出了新型的电磁耦合分离的混合耦合拓扑结构，在考虑了电磁耦合幅度的同时还考虑了端口到电磁耦合区域的电长度。针对该拓扑结构，讨论了不同电磁耦合系数比和电长度比条件下传输零点个数和位置的分布情况。并设计了三款带有不同位置和数量传输零点的高性能滤波器。在此基础上设计了一款平衡微带滤波器，不仅实现了高选择性和宽上阻带的差模频率响应，同时在很宽的频率范围内实现了高共模抑制。进而基于单个滤波器的混合耦合特性以及两个滤波器的相互加载影响，设计了无需额外匹配网络的高选择性高隔离双工器和高选择性高隔离高共模抑制平衡-平衡微带双工器； 3、通过矩阵旋转变换的解析法将频不变耦合矩阵变换为线性频变耦合矩阵，并给出了提取实际结构的频变耦合系数的方法。针对相邻谐振器间存在的高次频变耦合系数，本文建立了零极点目标函数，基于梯度优化算法综合高次频变耦合矩阵，并给出了高次频变耦合滤波器的设计流程，设计了四款带有不同数量和位置的传输零点的高性能滤波器； 4、在传统的双模滤波器和直线频变耦合滤波器拓扑结构中引入频变源与负载耦合，综合设计了带有频变源与负载耦合的双模滤波器和盒型频变耦合滤波器。进而在设计的盒型频变耦合滤波器基础上，结合磁耦合具有高共模抑制的特性，设计了一款高共模抑制的频变耦合平衡滤波器。 本论文设计的滤波器和双工器均被加工和测试，且测试结果和仿真结果吻合良好。

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