【摘 要】
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滤波电路是微波毫米波无线系统的重要组成部分。经典的射频前端构架中,滤波器通常与其他电路级联,存在体积大、损耗高和级间失配等问题。为此,国内外学者报道了多器件融合的多功能电路。然而大多数为基于低Q值的平面PCB工艺设计的微波频段电路,其设计理论与方法难以满足低损耗应用场景以及B5G/6G毫米波通信的需求。为此,本文开展了小型化多功能射频滤波电路研究,包括无源和有源电路设计。在无源电路方面,提出了基于
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滤波电路是微波毫米波无线系统的重要组成部分。经典的射频前端构架中,滤波器通常与其他电路级联,存在体积大、损耗高和级间失配等问题。为此,国内外学者报道了多器件融合的多功能电路。然而大多数为基于低Q值的平面PCB工艺设计的微波频段电路,其设计理论与方法难以满足低损耗应用场景以及B5G/6G毫米波通信的需求。为此,本文开展了小型化多功能射频滤波电路研究,包括无源和有源电路设计。在无源电路方面,提出了基于谐振器复用的单路和双路多功能滤波电路设计方法,实现了基于基片集成波导（SIW）和介质谐振器的多功能滤波功率分配/合成电路;在有源电路方面,提出了基于阻抗调控的多功能滤波电路设计方法,实现了基于同轴谐振器的微波多功能滤波开关电路和基于CMOS的毫米波滤波接收芯片。具体成果如下:1.提出了基于谐振器复用的功率分配/合成滤波电路设计方法,减小体积和损耗。通过复用双模SIW谐振器,利用SIW正交简并模式的电磁场特性,构造环形耦合器电路拓扑,实现滤波器与环形耦合器的功能融合,实现了小型化。基于多模介质谐振器,提出单腔结构的滤波功分器设计方法,通过耦合矩阵分析调控阻抗,实现了在一定范围内具有任意功分比的小型化平衡式滤波功分器。相关成果发表在微波领域Top期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques以及IEEE Transactions on Circuits and Systems II:Express Briefs上。2.提出了基于谐振器复用的单体双路多功能滤波电路设计方法,实现两个多功能电路的小型化和高集成。利用SIW模式的正交特性,两个平衡式滤波电路或滤波巴伦通过共用谐振器的方法实现集成,减小体积。通过两个滤波通道复用单个四模介质谐振器,并采用混合同轴谐振器和单模介质谐振器来融合功分器和巴伦功能,实现了高集成的单体双路平衡式滤波功分器。相关成果发表在工业电子领域Top期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics上。3.提出了基于阻抗调控的多功能滤波开关电路设计方法,减小体积并降低整体损耗。通过在同轴滤波器结构中加载开关控制电路,构建基于阻抗调控的滤波开关,实现窄带低损耗和大于60 dB的关状态隔离。并提出了在滤波开关和滤波功分器间功能可重构的新型拓扑,无需额外匹配网络实现两种功能切换下的阻抗匹配,降低电路复杂度和损耗,提高电路集成度。相关成果发表在微波领域Top期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques上以及获得ICMMT 2019国际会议论文奖1项。4.提出了基于阻抗调控的毫米波滤波接收芯片设计方法,实现毫米波接收链路的镜像频率以及卫星通信、雷达等其他应用频段的干扰抑制。提出了一种紧凑的磁电混合耦合电路设计方法,实现阻抗匹配功能的同时可以在带外产生传输零点。由此设计了基于28 nm bulk CMOS工艺的小型化滤波低噪放和滤波开关。提出的滤波低噪放工作在24-35 GHz,测试的噪声系数为2.4-3.6 d B,最大增益为22 d B,在18 GHz以下实现了高于25 d Bc的带外抑制,核心电路面积仅为0.40×0.33 mm~2。提出的毫米波CMOS滤波开关,在16GHz以下实现了优于12.9 d B的带外抑制,核心电路尺寸仅为156×162μm~2。本文提出了高Q值多功能微波滤波电路设计理论与方法,在小型化高集成方面具有优势;也提出了毫米波多功能滤波电路设计理论与方法,适应了新一代无线通信对高性能毫米波集成电路的需求,具有很好的应用潜力。
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