微波系统中的可重构关键部件研究

摘要

随着无线通信与雷达探测系统具备的功能越来越多，无线频谱的日益拥挤以及系统需要适应的环境越来越复杂，微波系统对相关器件和天线的要求越来越高。比如未来5G智能手机要求向下兼容前几代无线通信标准，并同时支持Bluetooth、WLAN和GPS等通信模式，又比如未来雷达要求实现通信、警戒、导航、探测和制导等功能。这些需求使得微波系统中的微波器件和天线的数量越来越多，系统的越来越复杂，体积和成本越来越高。这些大量的微波器件和天线之间的相互干扰也会使得微波系统性能下降，甚至无法工作。为了解决上述问题，可重构技术应运而生。可重构技术旨在使用单个部件实现系统的要求众多功能。 然而，微波可重构部件作为可重构技术的基本器件载体，仍有插入损耗大、动态范围小和重构的性能不稳定等问题。因此，本文以微波系统中的可重构关键部件为研究课题，重点研究了频率可重构滤波功分器、相位可重构移相器和线极化连续可重构天线。主要研究内容有： 针对在可重构滤波功分器的设计中，可调元件数量会随可重构滤波功分器的端口和模式增加而增加的问题，提出了可调元件共享技术。并用这可调元件共享技术实现了三种频率可重构滤波一分二功分器。一种是单频可重构滤波功分器，仅仅使用了一个变容管；另一种是双模可重构滤波功分器，它具有一个双模的单通带，并具有带外抑制特性，使用了两个变容管；最后一种是双频独立可调的频率可重构滤波功分器，它具有两个独立可调的通带，使用了三个变容管。这种可调元件共享技术，不仅可以降低系统的复杂度和成本，还可以提高了减少系统的损耗和能耗。 针对在相位可重构移相器的设计中，提高移相量和均衡插入损耗波动，会提高移相器的插入损耗的问题，提出了综合考虑最大相对移相量、插入损耗和插入损耗波动的相位可重构反射式移相器的设计方法。采用此方法，设计了最大相对移相量超过180°和360°的恒定插入损耗相位可重构移相器。接着提出并实现了小型化恒定插入损耗相位可重构移相器，使电路尺寸缩小了将近 40%。紧接着又提出并实现了元件精简的相位可重构移相器，此方法可以省去反射负载除变容管以外的所有集总元件。提出的相位可重构移相器设计方法，推进了微波系统在小型化、低成本和高性能方面的进程。 针对在宽带相位可重构移相器的设计中，不仅要求移相器具有宽带匹配特性，还要求在所需带宽内，保持恒定的移相量的问题，提出了基于约束条件的宽带相位可重构反射式移相器设计方法，来减小移相器的移相量波动。并综合考虑最大相对移相量、插入损耗和插入损耗波动，来提高相位可重构移相器的性能。设计并实现一款移相量超过 360°的宽带相位可重构移相器，在所需频带内相对移相量基本保持一致。这种宽带移相器设计方法，适用于宽带微波部件和系统。 针对在线极化连续可重构天线的设计中，由于馈电网络的不理想，线极化角度会偏差，交叉极化会增加，而复杂的馈电网络难以分析的问题，提出了基于任意端口的 S 参数矩阵互联的馈电网络矩阵分析方法，来分析线极化连续可重构天线的性能。本文理论分析了线极化可重构原理，研究了线极化连续可重构天线的误差因素。并设计了两种线极化可重构天线：对于电可重构技术，提出一种左右手复合传输线的线极化连续可重构天线，他由电可重构可变功分器和矩形贴片天线构成，通过控制偏置电压，可以实现 0~180°线极化连续扫描；对于机械可调技术，提出一种基于基片集成波导的线极化连续可重构天线，它由机械可重构可变功分器和矩形贴片天线构成，通过机械旋转同轴-SIW过渡结构，实现了0~180°线极化连续扫描。所设计的线极化可重构天线，适用于对天线线极化有连续控制需求的微波系统。

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