具备切比雪夫滤波特性的天线设计与研究

摘要

随着无线电技术的迅猛发展，对射频前端中微波滤波器和天线的要求也越来越高。具备滤波特性的天线能很好地解决传统设计方法中天线和带通滤波器直连所引起一些问题，如：尺寸过大和阻抗失配等，从而具有很高的性能。滤波天线是利用综合法设计的尺寸更小、性能更高的具备滤波特性的天线。本文依据高集成度、小型化和高性能等兼备的原则，对微波带通滤波器、微波滤波天线进行了研究。并设计了一个工作在2.4 GHz的小型化交叉耦合带通滤波器，以及两个小型化的具备切比雪夫滤波特性的天线，工作频率分别为915 MHz和2.4 GHz。本文的主要内容如下：
　　第一、二章通过对相关文献的分析和比较，总结了国内外关于无源射频前端器件的研究方向和研究方法，梳理了天线和滤波天线设计的相关理论,为本文的研究和设计奠定了基础；
　　第三章主要以熟悉综合设计过程及小型化的实现方法为目的，利用带通滤波器综合法设计了一种新型嵌入式交叉耦合带通滤波器，为滤波天线的设计奠定基础。为使滤波器小型化，设计了两种紧凑型阶跃阻抗谐振器结构。通过研究和改善谐振器间的耦合机制，两种谐振器不仅可形成嵌入式结构，而且缩减了馈线占据的面积，进一步减小了含馈线在内整个带通滤波器的尺寸。为验证设计方法的可行性，设计了一个中心频率为2.4 GHz，相对带宽FBW为15％的4阶交叉耦合带通滤波器。对该滤波器进行了仿真，加工和测试，仿真和测试结果表明该滤波器具有所需的广义切比雪夫特性，并具有较低插入损耗、良好的边缘选择性和带外抑制特性，能够满足现代通信系统对小型化高性能滤波器的要求。
　　第四章利用综合法分别设计了两个小型化的工作在915 MHz和2.4 GHz的具备二阶切比雪夫滤波特性的天线。具体步骤为：(1)根据中心频率、相对带宽等设计目标，确定带通滤波器的响应类型、阶数及拓扑结构；(2)设计谐振器，使其谐振频率等于目标中心频率，并能满足所需的耦合类型。计算出符合设计指标所需的耦合系数及输入输出外品质因数，根据带通滤波器综合法设计出相应的带通滤波器；(3)设计与滤波器的谐振器频率相同天线，并保证它的品质因数等于带通滤波器的输出外品质因数；(4)用设计好的天线代替带通滤波器的最后一级谐振器，并在有损情况下，提取出天线和前一级谐振器之间的耦合系数，选用所需与带通滤波器最后两级谐振器之间的耦合系数相同的值，确定出相应的物理尺寸。然而，现有文献在处理天线与前一级谐振器之间的耦合时，并未给出明确且简单的提取耦合系数的方法。这是因为，天线作为末级有耗谐振器时，一般的耦合系数提取方法会失效。为此，本章以电路形式分析了有耗谐振器间的耦合，经过对不同耦合系数和损耗的实例仿真及分析，给出一种利用S21相位信息提取两谐振器间的耦合系数的方法。从而简化了滤波天线的设计过程，降低了设计难度。最后，分别设计了两个小型化的工作在915 MHz和2.4 GHz的具备二阶切比雪夫滤波特性的天线作为对本文所提出方法的验证。
　　第五章对本文的内容及工作做总结，并对下一步将设计的具备高阶广义切比雪夫滤波特性的天线做出展望。

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中文摘要

英文摘要

第一章 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容和主要贡献

参考文献

第二章 天线及滤波天线基础理论

2.1引言

2.2 天线理论

2.3 滤波天线的基本理论

参考文献

第三章 一种小型化交叉耦合带通滤波器的设计

3.1引言

3.2谐振器间的耦合机制及参数提取[1]

3.3 一种小型化交叉耦合带通滤波器的设计

参考文献

第四章 具备切比雪夫滤波特性的天线设计

4.1引言

4.2滤波天线的设计步骤及有耗谐振器间耦合系数的提取

4.3 915 MHz滤波天线的设计

4.4 2.4 GHz滤波天线的设计

4.5 结论

参考文献

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 未来展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果及参与的科研项目

致谢

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