紧凑型微波滤波器和天线及其基于忆阻器的特性研究

摘要

在无线通信系统迅速发展和严苛要求的背景下，紧凑型的宽带或多频带微波滤波器和天线等无源器件成为了近十余年来电磁领域的研究热点。本论文结合研究课题和实际工程需求，以微带谐振器为出发点，提出了一系列结构紧凑的平面滤波器和天线，研究能够实现优越性能的新结构和新技术。与此同时，对忆阻器这种新型的元器件进行了理论建模研究并开展了基于忆阻器的微波器件特性研究。本论文的主要研究工作包括以下几方面：
　　首先，将平面微带滤波器所用的谐振器主要分为枝节加载半波长开环谐振器和全波长环形谐振器，在这两类谐振器基础上构建了一些新型谐振器和新型耦合方式以实现研制紧凑型高性能的滤波器。在第二章中，先从枝节加载半波长开环谐振器展开深入研究，利用短路枝节加载半波长双模谐振器的奇模谐振频率和偶模谐振频率工作于同一通带内研制了双通带和三通带带通滤波器。另外，对这类谐振器进行改进，分别提出了圆环形开路枝节加载双模谐振器、圆环形开短路枝节合用加载三模谐振器、短路枝节加载阶跃阻抗谐振器、饼节截断型半圆/四分之一圆谐振器和开路枝节加载混合左右手传输线谐振器，并将这些新型谐振器一一应用于滤波器设计中，以实现滤波器的高性能小型化。在馈线方面，提出了混合容感性的源-负载耦合馈线方式以实现滤波器具有多个传输零点，提高通带选择性和阻带的抑制度。
　　其次，第三章从全波长环形谐振器展开深入研究，提出了蘑菇型枝节加载环形谐振器，并用它研制了双通带和三通带带通滤波器。接着根据文献资料中出现的三模滤波器的一些设计方法，针对三模环形谐振器提出了一种扇形枝节加载的三模微带滤波器以及另一种具有固定中心频率的三模滤波器；后者的三模谐振器中心频率与同半径无加载双模环形谐振器的中心频率一样，这极大地便利了三模滤波器的设计。然后又提出了一种四 T型枝节加载环形谐振器，并将它应用于超宽带滤波器设计中。另外，还利用简单环形谐振器和交指高阻线结构研制了具有陷波特性的超宽带滤波器，它不用额外增加电路来获得陷波带，这使整个结构尺寸更加紧凑。
　　第三，将微带四 T型枝节加载环形谐振器蚀刻成槽，对其进行理论分析且在所要谐振频率处提取该枝节加载环形谐振槽的物理参数和电参数。然后将该枝节加载环形谐振槽分别应用于三频段天线和双陷波超宽带天线中，实验测量了这两种天线的反射系数，峰值增益，辐射效率以及在一些频点处的辐射方向图等指标。
　　第四，简单介绍了忆阻器的数学模型，以及判定一个器件能称之为忆阻器的三个特征条件，然后针对具有双环滞回行为特性的一般忆阻器提出了电流控制型和电压控制型的忆阻器 SPICE宏观电路模型。此外，根据惠普实验室建立的微分数学模型提出了两种十分简单的忆阻器 SPICE模型，从而探索忆阻器在微波器件中的应用。对基于忆阻器的微带滤波器进行研究，获得一个可重构带通滤波器；以及利用忆阻器作为载波调制器对微带贴片天线信号进行调制，并且对其特性进行了分析。
　　最后，对整篇论文的研究工作进行总结，并对未来进行了展望。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及现状

1.2 本论文的研究内容与结构安排

1.3 本文的主要贡献与创新

第二章 枝节加载谐振器及滤波器

2.1 引言

2.2 枝节加载双模谐振器及滤波器

2.3 混合容感性的源-负载耦合滤波器

2.4 阶跃阻抗谐振器及滤波器

2.5 饼节截断型半圆/四分之一圆谐振器及滤波器

2.6 混合左右手传输线谐振器及滤波器

2.7 本章小结

第三章 环形谐振器及滤波器

3.1 引言

3.2 蘑菇型枝节加载环形谐振器及滤波器

3.3 三模环形谐振器及滤波器

3.4 T型枝节加载环形谐振器及其UWB滤波器

3.5 具有陷波特性的UWB滤波器

3.6 本章小结

第四章 枝节加载环形谐振槽及天线

4.1 引言

4.2 SLRR谐振器和SLRR槽

4.3 三频段平面天线

4.4 双陷波UWB平面天线

4.5 本章小结

第五章 忆阻器及其在微波器件中的应用

5.1 引言

5.2 忆阻器SPICE模型

5.3 基于忆阻器的微波器件

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间取得的成果