5G通信系统中的可重构功率分配器研究与设计

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随着通信标准的多元化发展,多种通信系统、通信标准共存,传统的结构复杂、体积较大、功能单一的微波器件已不能满足5G移动通信系统的发展需求。可重构微波器件可以用一个器件解决多个器件才能解决的问题,既可实现小型化、多功能集成化,又可解决日趋紧张的频率资源问题。功率分配器作为无线通信系统中不可或缺的微波无源器件,其主要作用是对功率进行重新分配和组合。而传统的功率分配器由于其工作频率、带宽和功能的局限性,已不能满足目前无线通信应用多样化的需求。本文主要研究实现传输线特征阻抗和相移的可重构,然后应用到几种常见功率分配器中,实现功率分配器性能的可重构。本文提出的可重构功率分配器,利用变容二极管的电容值受直流偏置电压实时调节的特性,将变容二极管加载在阻抗变换器的传输线上,使特定传输线的特征阻抗和相移发生变化,从而改变了功率分配器的工作频率和输出功率比例,实现了对功率分配器工作频率和功率分配比例的实时、连续可重构。该可重构功率分配器还具有电路尺寸小、结构简单紧凑、易于集成等优点,能够满足5G移动通信系统对微波器件的需求。本文的主要研究内容如下:首先,本文对无线通信领域中可重构功率分配器的研究背景和研究意义作了详细介绍,对功率分配器的国内外研究现状作了重点阐述。然后,重点介绍了功率分配器的基本理论和工作原理,详细介绍了几种常见功率分配器的工作原理和设计方法,运用奇偶模相关理论对其进行深入的分析。在基于传输线理论和电磁场微波理论基础上,对传输线特征阻抗和相移的可重构进行了研究,提出了一种加载可变电容的可重构功率分配器的具体设计方法和理论参数。依据功率分配器的具体设计参数,在ADS仿真软件中分别建立了多种可重构功率分配器模型,并利用ADS软件对其进行了仿真分析,分别实现了功率分配器的工作频率和功率分配比例的连续可重构。其中,对工作频率大范围可重构的不等分功率分配器和功率分配比例连续可重构的功率分配器两种可重构功率分配器申请了发明专利。最后,在ADS软件中设计了功率分配器的电路版图,并完成了不同类型可重构功率分配器的版图仿真和实物制作。对制作的可重构功率分配器实物正在进行数据测试,依据现有的仿真数据结果,证明本文提出的可重构功率分配器设计方法是有效的。
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