無(wú)線通信中小型化無(wú)源元件研究

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【摘要】小型無(wú)源元件是無(wú)線通信系統(tǒng)中重要的元件，這些無(wú)源元件的性能直接影響到無(wú)線通信系統(tǒng)的工作效率和通信質(zhì)量。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量和通信速度要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的無(wú)源元件已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)的要求。因此，集成化、高性能的無(wú)源元件逐漸受到關(guān)注，并在無(wú)線通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。本文主要分析了高性能小型化無(wú)源元件設(shè)計(jì)方法。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線通信系統(tǒng)；高性能；小型化無(wú)源元件

1引言

通信技術(shù)是信息社會(huì)的重要標(biāo)志，近年來(lái)隨著信息技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)快速發(fā)展，成為當(dāng)下通信技術(shù)發(fā)展方向。無(wú)源元件作為無(wú)線通信技術(shù)重要的硬件結(jié)構(gòu)，它在通信過(guò)程中起著選擇信號(hào)、收發(fā)信號(hào)、分配等作用，無(wú)源元件的運(yùn)行效率直接影響到整個(gè)通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。為了更好地滿足人們對(duì)通信要求，無(wú)源元件逐漸向小型化、高性能、低功耗等方向發(fā)展，高性能小型化的無(wú)源元件的研究越來(lái)越多。

2高性能小型化無(wú)源元件設(shè)計(jì)方法

2.1雙/多模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙/多模結(jié)構(gòu)是一種比較小型化的技術(shù)，雙模結(jié)構(gòu)就是在單個(gè)諧振器中加入到微波干擾，改變?cè)瓉?lái)正交并模的電場(chǎng)，讓一對(duì)正交并模產(chǎn)生耦合作用，從而在保持諧振回路不變，減少諧振器的數(shù)量，從而達(dá)到減少系統(tǒng)電路體積的目的。雙/多模結(jié)構(gòu)最早應(yīng)用在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，這種雙/多模結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。1972年有物理學(xué)家將雙模諧振結(jié)構(gòu)引入到平面電路中，雙模結(jié)構(gòu)從而在平面電路中得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展，到了2007年研制出苦力一種小型化的折疊雙模濾波器，能夠在平面實(shí)軸或者虛軸上靈活控制濾波器的輸入/輸入點(diǎn)。

2.2多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于平行耦合濾波器、發(fā)夾線濾波器以及短截線濾波器等形式濾波器電路尺寸比較大，無(wú)法滿足小型化設(shè)計(jì)要求。如果增加濾波器的階數(shù)則占用的體積比較大，所以使用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將各個(gè)諧振腔體設(shè)置在不同的層上，這樣可以讓濾波器的體積變小，設(shè)計(jì)更加靈活。因此，多層結(jié)構(gòu)在微波無(wú)源元件中廣泛應(yīng)用。目前這種多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分兩大類(lèi)：一類(lèi)是基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由兩排緊密排列的金屬化通孔或者金屬銷(xiāo)嵌入介質(zhì)基片構(gòu)成，其中金屬通孔的陣列和金屬壁的作用相同，兩排金屬通孔和上下導(dǎo)體表面抗原模擬一個(gè)介質(zhì)填充的矩形金屬波導(dǎo)，將電磁波限制在一定空間內(nèi)傳播。這也是介質(zhì)基片具有傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)的功能，同事具有高功率容量、低插損、體積小、價(jià)格低等集成的波導(dǎo)特點(diǎn)，能夠滿足無(wú)線通信系統(tǒng)所需的小型化、輕量化、低成本的發(fā)展要求。

2.3慢波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

慢波結(jié)構(gòu)也是濾波器小型化的一種設(shè)計(jì)方式，常見(jiàn)的形式有：第一，在無(wú)源器件主要傳輸線上加載電容和電感，在濾波器的主傳輸線上引入電容或者電感增加主傳輸線的單位長(zhǎng)度等效電容和電感，達(dá)到慢波效應(yīng)。可以分為分布參數(shù)加載和集總元件加載。當(dāng)無(wú)線通信系統(tǒng)工作頻率比較低的時(shí)候，集總元件加載比較適合小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)無(wú)線通信系統(tǒng)工作頻率比較高的時(shí)候，會(huì)增加集總元件的耗能，從而影響到濾波器的性能，因此，濾波器的小型化結(jié)構(gòu)適合分布參數(shù)加載方式。第二種形式是缺陷結(jié)構(gòu)，缺陷結(jié)構(gòu)是根據(jù)接地板上的刻蝕缺陷圖形打亂接地板上的分布電流，從而達(dá)到改變傳輸線的傳輸參數(shù)，這就相當(dāng)于慢波效應(yīng)。按照缺陷圖形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為微帶缺陷地結(jié)構(gòu)、槽線缺陷地結(jié)構(gòu)、共面波導(dǎo)缺陷地結(jié)構(gòu)等。第三種是分形、折疊等結(jié)構(gòu)形式，這種慢波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)型是在不增加電路面積的基礎(chǔ)，在無(wú)源元件的內(nèi)部增加折疊、分形等形式，增加通信信號(hào)在無(wú)源元件中的傳輸距離，減少電路面積實(shí)現(xiàn)慢波效應(yīng)。

2.4階躍阻抗諧振器

階躍阻抗諧振器由兩段不同阻抗的傳輸線構(gòu)成，并提出等效四分之一波長(zhǎng)和半波長(zhǎng)兩種基本諧振形式，并通過(guò)傳輸線路理論分析了諧振器振動(dòng)時(shí)的長(zhǎng)度，這種階躍阻抗諧振器結(jié)構(gòu)可以滿足濾波器電路小型化的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還具備減小無(wú)載Q值的作用，因此在濾波器小型化設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。這種階躍阻抗諧振器結(jié)構(gòu)形式比較多，根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式可以分成平面階躍阻抗諧振器和立體階躍阻抗諧振器兩種。平面階躍阻抗諧振器的兼容性和靈活性比較好，在電路集成方面具有很大的有事，通過(guò)不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅可以達(dá)到降低階躍阻抗諧振器的體積，而且還能對(duì)超寬帶和高次諧波進(jìn)行有效的抑制，減少電波和磁場(chǎng)對(duì)線路的干擾。立體階躍阻抗諧振器具有平面阻抗器的相同優(yōu)點(diǎn)。

3階梯阻抗諧振器的微波濾波器

早期濾波器主要以電感電容組合為主的無(wú)源電路，然而隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信設(shè)備的工作頻率比較高，這種電容電感的無(wú)源電路無(wú)法滿足高性能小型化的無(wú)源元件。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，微帶形式的濾波器尺寸小、重量輕、成本比較低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在無(wú)線通信系統(tǒng)中。均勻阻抗諧振器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，因此近年來(lái)也廣泛應(yīng)用在電子通信領(lǐng)域，但是這種諧振器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)參數(shù)有限，而且在實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中可能出現(xiàn)寄生響應(yīng)，所以不利于濾波器高性能小型化設(shè)計(jì)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用階梯阻抗諧振器解決加載容量不足的問(wèn)題。階梯阻抗諧振器由兩個(gè)不同的傳輸線構(gòu)成橫向電磁場(chǎng)或者準(zhǔn)橫向電磁場(chǎng)模式的諧振器。本文使用新型的帶通濾波器，這種濾波器包括了4個(gè)諧振器，也就是兩個(gè)半圓形階梯阻抗諧振器和兩個(gè)帶有貼片分支的微帶饋線，這4個(gè)諧振器組成了一個(gè)交叉耦合結(jié)構(gòu)，也就是微帶饋線和半圓形階梯阻抗諧振器的磁微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)

4結(jié)語(yǔ)

濾波器、巴倫、功分器都是無(wú)線通信系統(tǒng)中的無(wú)源元件，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)、無(wú)線基站中發(fā)揮著重要作用，它的性能高低直接影響到整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)無(wú)源元件廣性能要求越來(lái)越高。如果通信系統(tǒng)的工作頻率高時(shí)，無(wú)源元件受到色散影響很容易導(dǎo)致?lián)p耗增加，所以高性能小型化的無(wú)源元件逐漸受到歡迎。

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作者：黃盛輝 單位：民航中南空管局