無線通信中小型化無源元件研究

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

【關(guān)鍵詞】無線通信系統(tǒng)；高性能；小型化無源元件

1引言

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

2高性能小型化無源元件設(shè)計方法

2.1雙/多模結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)就是在單個諧振器中加入到微波干擾，改變原來正交并模的電場，讓一對正交并模產(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，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，能夠在平面實軸或者虛軸上靈活控制濾波器的輸入/輸入點。

2.2多層結(jié)構(gòu)設(shè)計

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，無法滿足小型化設(shè)計要求。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，將各個諧振腔體設(shè)置在不同的層上，這樣可以讓濾波器的體積變小，設(shè)計更加靈活。因此，多層結(jié)構(gòu)在微波無源元件中廣泛應(yīng)用。目前這種多層結(jié)構(gòu)設(shè)計分兩大類：一類是基片集成波導(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、價格低等集成的波導(dǎo)特點，能夠滿足無線通信系統(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

慢波結(jié)構(gòu)也是濾波器小型化的一種設(shè)計方式，常見的形式有：第一，在無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度等效電容和電感，達到慢波效應(yīng)?？梢苑譃榉植紖?shù)加載和集總元件加載。當(dāng)無線通信系統(tǒng)工作頻率比較低的時候，集總元件加載比較適合小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)無線通信系統(tǒng)工作頻率比較高的時候，會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)計類型是在不增加電路面積的基礎(chǔ)，在無源元件的內(nèi)部增加折疊、分形等形式，增加通信信號在無源元件中的傳輸距離，減少電路面積實現(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和半波長兩種基本諧振形式，并通過傳輸線路理論分析了諧振器振動時的長度，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)計要求，同時還具備減小無載Q值的作用，因此在濾波器小型化設(shè)計中應(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，通過不同結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅可以達到降低階躍阻抗諧振器的體積，而且還能對超寬帶和高次諧波進行有效的抑制，減少電波和磁場對線路的干擾。立體階躍阻抗諧振器具有平面阻抗器的相同優(yōu)點。

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源電路，然而隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信設(shè)備的工作頻率比較高，這種電容電感的無源電路無法滿足高性能小型化的無源元件。近年來，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，廣泛應(yīng)用在無線通信系統(tǒng)中。均勻阻抗諧振器結(jié)構(gòu)比較簡單，因此近年來也廣泛應(yīng)用在電子通信領(lǐng)域，但是這種諧振器結(jié)構(gòu)比較簡單，設(shè)計參數(shù)有限，而且在實踐應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)寄生響應(yīng)，所以不利于濾波器高性能小型化設(shè)計。為了解決這個問題，采用階梯阻抗諧振器解決加載容量不足的問題。階梯阻抗諧振器由兩個不同的傳輸線構(gòu)成橫向電磁場或者準(zhǔn)橫向電磁場模式的諧振器。本文使用新型的帶通濾波器，這種濾波器包括了4個諧振器，也就是兩個半圓形階梯阻抗諧振器和兩個帶有貼片分支的微帶饋線，這4個諧振器組成了一個交叉耦合結(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)計參數(shù)

4結(jié)語

濾波器、巴倫、功分器都是無線通信系統(tǒng)中的無源元件，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)、無線基站中發(fā)揮著重要作用，它的性能高低直接影響到整個無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著通信技術(shù)的發(fā)展對無源元件廣性能要求越來越高。如果通信系統(tǒng)的工作頻率高時，無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源元件逐漸受到歡迎。

【參考文獻】

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[3]吳振川.射頻前端無源器件的小型化與集成化[D].中國科學(xué)院大學(xué),2016.

作者：黃盛輝 單位：民航中南空管局