电调介质谐振器带通滤波器的研究

摘要

电调滤波器广泛应用于防跟踪跳频通信、多波段通信、雷达、电子对抗和软件定义无线系统，其性能的好坏直接影响着整个无线通信系统的质量。介质谐振器带通滤波器具有体积小、温度稳定性高和结构稳定等优点，是基站、手持机和车载台等通信设施中倍受青睐的微波元器件之一，但电调介质谐振器带通滤波器的研究和报道相对较少，本文在这方面进行大胆尝试并试图填补一些空白，研究带宽恒定的电调介质滤波器，研究中心频率和带宽均可调的电调介质滤波器，研究压电换能器电调介质谐振器和介质滤波器，其中有些电调介质滤波器的结构属于首次提出。 本文针对电调介质谐振器带通滤波器，开展深入的理论研究和实验验证，论文的主要创新性工作和结果如下: 1、首次采用同轴介质谐振器和微带线构成复合型阶跃阻抗谐振器(CSIR)，这种独特的结构能够控制复合谐振器间的电耦合和磁耦合的强弱，实现混合耦合，并对这种耦合结构进行了电磁耦合分析，并用这种结构实现了恒定绝对带宽的电调介质滤波器和恒定相对带宽的电调介质滤波器。采用渐进空间映射技术进行优化滤波器的结构参数。用阻抗比大于1的CSIR设计了恒定绝对带宽的电调介质滤波器，制作了实物，变容管偏压0-10V时，电调范围0.67～0.98GHz，绝对带宽的变化为42～47MHz。用阻抗比小于1的CSIR设计了恒定相对带宽的电调介质滤波器，制作了实物，变容管偏压0-10V时，电调范围0.43～0.78GHz，相对带宽的变化为6.4％～6.8％。两种滤波器均达到了设计要求。并与国外最新成果进行了比较。 2、探讨了带宽可调介质滤波器的耦合结构，提出在λ/4同轴介质谐振器之间加可变电容器的方法实现带宽可调，并推导出通带带宽和中心频率可调介质滤波器的耦合系数与可变电容的关系式。设计和实现了三种不同带宽特性的电调介质滤波器:一种以电容为输入输出耦合的带宽逐渐增大的可调滤波器，且各频率点的带宽可调，另两种分别是以电感为输入输出耦合的绝对带宽恒定电调滤波器和相对带宽恒定的电调滤波器。采用空间映射技术优化恒定带宽所需耦合元件的参数值。三种电调滤波器均制作了实物，实测结果表明:中心频率可调范围为550～850MHz，固定调频变容管偏压，带宽可调范围为42～70MHz和72～100MHz;同时控制调频变容管和调耦合变容管的偏压可实现恒定绝对带宽，81MHz(中心频率调谐范围550～806MHz)，和恒定相对带宽，15％(中心频率调谐范围537～860MHz)。并与国外最新成果进行了比较。 3、从理论上分析了压电换能器调谐介质谐振器的原理。设计和实现了压电换能器电调TE模介质谐振器和TE模介质滤波器。采用压电双片和介电常数为45的介质谐振器制作了实物，实测结果分别是:压电换能器调谐介质谐振器的谐振频率为4.1073GHz，当电压从-27V调到27V，频率变化量从-16MHz变到24MHz，频率呈线性变化，有载QL值从2850变化到2400，并与金属杆谐振介质谐振器作了比较。当电压0V调到50V时，压电换能器电调介质滤波器的中心频率可调范围:4.155～4.205GHz，通带特性变化较小。 4、采用渐进空间映射技术优化了可调介质滤波器的结构参数和耦合元件的参数，以实现不同带宽特性的电调滤波器。在粗模型中，以中心频率作参变量，选择优化算法，使滤波器的带宽（绝对或相对带宽）在各个频率处都保持恒定，细模型只需验证结构参数，参数提取时，不需要提取频率的变化值，提高了优化速度。在建模方面，采用LC并联谐振电路作为可调元件加载介质谐振器（或复合谐振器）的粗模型，优化速度很快，只需精细模型2～4次迭代，便得到细模型的最优值。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1电调滤波器各有其特点

1．2．2变容管电调滤波器

1．2．3铁电薄膜电调滤波器

1．2．4MEMS电调滤波器

1．2．5压电换能器电调微波带通滤波器

1．3本文主要工作内容及贡献

2介质谐振器的结构与特性

2．1微波介质材料

2．2介质谐振器的特性

2．2．1介质谐振器的工作原理

2．2．2谐振频率

2．2．3品质因素

2．2．4频率温度系数

2．3同轴介质谐振器的结构与参数

2．3．1同轴介质谐振器的结构

2．3．2电学参效

2．4小结

3介质谐振器滤波器空间映射优化理论

3．1概述

3．2渐进空间映射算法

3．3两阶介质带通滤波器优化

3．4四阶一体化介质滤波器优化

3．5数控单波段六路开关介质滤波器组的实现

3．5．1数字控制电路的设计

3．5．2四阶介质滤波器的实现

3．5．3开关滤波器组的组装与测量

3．6小结

4恒定带宽电调介质滤波器的研究

4．1概述

4．2复合阶梯阻抗谐振器的特性分析

4．3恒定绝对带宽电调介质滤波器的实现

4．3．1复合阶梯阻抗谐振器间的耦合分析

4．3．2外部品质因素与频率的关系

4．3．3空间映射技术优化滤波器的结构参数

4．3．4设计实例

4．4恒定相对带宽电调介质滤波器的实现

4．4．1耦合系数与频率的关系

4．4．2外部品质因素与频率的关系

4．4．3空间映射技术优化滤波器的结构参数

4．4．4设计实例

4．5电调滤波器的非线性测试与分析

4．6插入损耗偏大的原因分析与改进措施

4．7小结

5中心频率和带宽可调的介质带通滤波器的研究

5．1概述

5．2带宽可调原理

5．2．1平行耦合微带线滤波器的带宽可调机理

5．2．2同轴介质谐振器带通滤波器的带宽可调机理

5．3中心频率与带宽可调介质滤波器的研究

5．3．1耦合系数的分析

5．3．2外部品质因素分析

5．3．3带宽逐渐增大的可调滤波器的设计与实现

5．3．4带宽可调滤波器的实现

5．4绝对带宽恒定电调介质滤波器的研究

5．4．1空间映射技术优化滤波器的结构参数

5．4．2绝对带宽恒定电调介质滤波器的实现

5．5相对带宽恒定电调介质滤波器的研究

5．5．1空间映射技术优化滤波器的结构参数

5．5．2相对带宽恒定电调介质滤波器的实现

5．6小结

6压电换能器电调介质滤波器的研究

6．1概述

6．2影响介质谐振器谐振频率的因素

6．3压电换能器的结构与性能分析

6．3．1压电换能器的结构

6．3．2压电换能器的性能

6．3．3压电双片换能器的弯曲特性

6．3．4压电换能器的可靠性分析

6．4压电换能器调谐介质谐振器

6．5压电换能器调谐介质滤波器

6．5．1耦合系数的分析

6．5．2外部品质因素的分析

6．5．3空间映射技术优化滤波器的结构参数

6．6设计实例

6．7小结

7总结与展望

致谢

参考文献

附录