多层结构滤波器优化及滤波器与天线集成设计

摘要

随着无线通信和电子技术的迅猛发展，无线通信系统中的电子设备都需要多功能、小型化和集成化。这就要求滤波器与天线具有小型化和多频带的特性，同时将滤波器与天线进行集成化设计。本论文结合各种无线通信系统的需要，围绕小型化LTCC滤波器、小型化多频天线、双频滤波器天线和滤波器天线的综合设计等问题进行研究。作者的主要工作和创造性成果可以概括为：
　　1.对模糊算法模拟人的思维优化设计LTCC滤波器进行了研究。利用专家信息和粗糙模型设计中获得的大量数值信息，建立模糊推理系统对精确模型进行优化设计。并且将模糊算法与HFSS仿真软件相结合，成功的实现了最优化方法与电磁仿真软件的无缝链接。利用该方法优化设计了一款工作在4.15-4.85GHz的LTCC滤波器，计算和实验结果表明此方法具有很好的实用性。
　　2.将天线设计中最基本的两种结构—单极子与环，结合起来实现了双频特性。对单极子与环天线的输入阻抗进行了深入的分析，发现这两种天线在低于谐振频率处的输入电抗呈互补特性。因此利用在单极子顶部加载环形结构，实现了天线的小型化，同时天线的阻抗带宽并没有减小，增益与辐射效率反而有略微的改善。仿真和测试结果吻合良好。
　　3.对小型化双通带带通滤波器和小型化双频天线的集成设计进行了研究。设计了一款小型化双频滤波器天线。通过对滤波器与天线之间的微带线长度和宽度进行优化设计，可以使滤波器天线在两个频段内的阻抗匹配良好。
　　4.研究滤波器与平面印刷单极子天线的综合设计。利用耦合带通滤波器综合的方法，设计了一款印刷单极子滤波器天线。针对综合设计的耦合线，线间距过小难以加工的缺点，将DGS引入滤波器的设计中，成功的解决了这一问题，设计了一款基于DGS的印刷单极子滤波器天线。这种滤波器天线实现了滤波器与天线的集成化、小型化设计，天线在起辐射作用的同时，也是滤波器的一个谐振单元。从整体性能上看，滤波器天线的反射系数与增益曲线分别类似于滤波器的回波损耗与插入损耗曲线，这说明滤波器天线即具有天线的功能，也具有滤波器的功能。
　　5.研究微带型滤波器与天线的集成设计。利用在圆形贴片上开约四分之一波长的开口，并将开路传输线插入开口中，利用这种耦合结构的导纳变换器将微带天线和λ/2开路传输线连接起来，实现了二阶滤波器天线的设计，其等效电路与二阶耦合带通滤波器的等效电路相同。运用耦合带通滤波器综合方法设计滤波器天线时，对天线的设计有严格的要求，这给天线的设计带来了困难。研究发现在微带天线与耦合线之间加入一段阻抗变换线，可以使微带天线的设计得到简化。该微带天线在起辐射作用的同时，也充当着滤波器的一个谐振单元的作用。从仿真与测试的结果看，这两款滤波器天线的反射系数与增益曲线都类似于滤波器的回波损耗和插入损耗，这说明了滤波器天线即具有天线的功能，也具有滤波器的功能。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容和作者主要工作

第二章 理论基础

2.1 引言

2.2 耦合滤波器设计原理

2.3 有限元方法

2.4 模糊算法简介

2.5 小结

第三章 模糊算法优化设计 LTCC 滤波器

3.1 引言

3.2 LTCC 内埋式电容电感设计

3.3 模糊算法优化设计 LTCC 滤波器

3.4 小结

第四章 小型化双频滤波器天线设计

4.1 引言

4.2 双频加载环单极子天线设计

4.3 小型化双频加载环单极子天线设计

4.4 小型化双频滤波器天线设计

4.5 小结

第五章 滤波器与印刷单极子的综合设计

5.1 引言

5.2 印刷单极子滤波器天线的综合设计

5.3 基于 DGS 的滤波器天线的设计

5.4 小结

第六章 微带型滤波器与天线集成设计

6.1 引言

6.2 微带天线阻抗特性

6.3 开路λ/2 传输线阻抗特性

6.4 二阶微带型滤波器天线设计

6.5 三阶微带型滤波器天线设计

6.6 小结

第七章 全文总结

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果