小型高效电磁带隙滤波器的设计与研究

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随着现代无线电技术的快速发展,单个通讯系统实现多频段多功能无线应用的需求日益迫切,以手机中的通讯系统为例,不仅需要同时支持Wifi,蓝牙,GSM,LTE等已有通讯标准,还需支持WiMax等未来通讯标准,以满足人们日益提高的无线应用需求。微波无源滤波器是微波射频通讯系统中的一个重要部件,广泛应用于各频段各种电子系统中,例如:移动通信系统、卫星通信系统、雷达系统、航空系统和传感器系统等。滤波器的性能优劣直接影响到通讯系统的性能,对系统是否能实现高效多功能应用起着决定性作用。  无线通信技术的迅猛发展使可用频段日趋紧张,越来越多的无线通讯标准与有限且不可再生的频谱资源形成了日益尖锐的矛盾,对无线通信电子设备及滤波器提出了更高的要求。滤波器的高效化、小型化,有利于提高频谱利用率,同时有助于实现多标准无线通讯应用的集成,满足人们在有限的频谱内实现更多无线应用的需求。所以,小型化、高性能、高集成度微波滤波器的研究工作,是现代无线通信系统研究重点之一。  本文基于电磁带隙结构首先设计提出了一款微型带通滤波器,分析了该滤波器的工作原理及影响其性能的各个因素。接着,通过提取该滤波器的等效电路模型,对影响其工作频率范围的各因素进行分析,在此基础上设计提出了一款具有超宽工作频率范围的带通滤波器。另外通过设计引入外部电压控制网络,设计了一款微型压控电可调谐滤波器。最后基于电磁带隙结构设计提出了一款双带带通滤波器,与其它已公开报道多带滤波器不同,该滤波器实现了小型化与高性能的有效结合。  本文基于印制电路板工艺对所设计提出的各滤波器进行了实验验证。在FR4衬底上首先设计实现了一款尺寸为2.50×3.00×1.00mm3的微型电磁带隙滤波器,该滤波器易于实现,便于与其它射频通讯器件集成。实验证明,通过外接不同容值集总电容器,可控制该滤波器工作在不同频率,其插入损耗及带外噪声抑制能力等性能不受其工作频率的影响,其尺寸远远小于现已公开报道的其它电磁带隙滤波器。  接下来基于罗杰斯RO4350衬底设计实现了同样尺寸具有超宽工作频率范围的带通滤波器,通过选择特定电容器,可控制该滤波器工作在2.6GHz至10.0GHz频率范围内的任意频点,该滤波器在整个频率范围内都具有较好性能。接着,通过引入压控变容二极管,设计实现了一款微型压控电可调谐滤波器,该滤波器的尺寸为3.20×3.90×1.52mm3,通过控制外部电压,该滤波器的工作频率可在5.3-6.3 GHz范围内进行调节。  最后基于罗杰斯RO4350衬底设计实现尺寸为28.00×28.00×1.52mm3的双带滤波器,在其余频带性能不受影响的情况下,可单独控制该滤波器的任意一个频带工作在选定频率。通过测试可知,双带滤波器对应频带的中心频点分别为2.3GHz与4.1GHz,对应插入损耗分别为2.18dB和2.24dB,回波损耗分别为14.5dB和11.3dB。另外,该滤波器具有48.0dB的频带隔离,同时具有极宽的无噪声频带。
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