无线通信中小型化无源元件研究

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【摘要】小型无源元件是无线通信系统中重要的元件，这些无源元件的性能直接影响到无线通信系统的工作效率和通信质量。随着社会的发展，人们对无线通信系统的通信质量和通信速度要求越来越高，传统的无源元件已经无法满足现代无线通信系统的要求。因此，集成化、高性能的无源元件逐渐受到关注，并在无线通信系统中广泛应用。本文主要分析了高性能小型化无源元件设计方法。

【关键词】无线通信系统；高性能；小型化无源元件

1引言

通信技术是信息社会的重要标志，近年来随着信息技术的发展，无线通信技术快速发展，成为当下通信技术发展方向。无源元件作为无线通信技术重要的硬件结构，它在通信过程中起着选择信号、收发信号、分配等作用，无源元件的运行效率直接影响到整个通信系统的通信质量。为了更好地满足人们对通信要求，无源元件逐渐向小型化、高性能、低功耗等方向发展，高性能小型化的无源元件的研究越来越多。

2高性能小型化无源元件设计方法

2.1双/多模结构设计

双/多模结构是一种比较小型化的技术，双模结构就是在单个谐振器中加入到微波干扰，改变原来正交并模的电场，让一对正交并模产生耦合作用，从而在保持谐振回路不变，减少谐振器的数量，从而达到减少系统电路体积的目的。双/多模结构最早应用在卫星通信系统的腔体结构设计，随着电子技术的发展，这种双/多模结构得到了广泛应用。1972年有物理学家将双模谐振结构引入到平面电路中，双模结构从而在平面电路中得到了广泛的应用。经过几十年的研究和发展，到了2007年研制出苦力一种小型化的折叠双模滤波器，能够在平面实轴或者虚轴上灵活控制滤波器的输入/输入点。

2.2多层结构设计

由于平行耦合滤波器、发夹线滤波器以及短截线滤波器等形式滤波器电路尺寸比较大，无法满足小型化设计要求。如果增加滤波器的阶数则占用的体积比较大，所以使用多层结构设计，将各个谐振腔体设置在不同的层上，这样可以让滤波器的体积变小，设计更加灵活。因此，多层结构在微波无源元件中广泛应用。目前这种多层结构设计分两大类：一类是基片集成波导结构，这种结构由两排紧密排列的金属化通孔或者金属销嵌入介质基片构成，其中金属通孔的阵列和金属壁的作用相同，两排金属通孔和上下导体表面抗原模拟一个介质填充的矩形金属波导，将电磁波限制在一定空间内传播。这也是介质基片具有传统金属波导的功能，同事具有高功率容量、低插损、体积小、价格低等集成的波导特点，能够满足无线通信系统所需的小型化、轻量化、低成本的发展要求。

2.3慢波结构设计

慢波结构也是滤波器小型化的一种设计方式，常见的形式有：第一，在无源器件主要传输线上加载电容和电感，在滤波器的主传输线上引入电容或者电感增加主传输线的单位长度等效电容和电感，达到慢波效应。可以分为分布参数加载和集总元件加载。当无线通信系统工作频率比较低的时候，集总元件加载比较适合小型化结构设计，当无线通信系统工作频率比较高的时候，会增加集总元件的耗能，从而影响到滤波器的性能，因此，滤波器的小型化结构适合分布参数加载方式。第二种形式是缺陷结构，缺陷结构是根据接地板上的刻蚀缺陷图形打乱接地板上的分布电流，从而达到改变传输线的传输参数，这就相当于慢波效应。按照缺陷图形的结构特点可以分为微带缺陷地结构、槽线缺陷地结构、共面波导缺陷地结构等。第三种是分形、折叠等结构形式，这种慢波结构设计类型是在不增加电路面积的基础，在无源元件的内部增加折叠、分形等形式，增加通信信号在无源元件中的传输距离，减少电路面积实现慢波效应。

2.4阶跃阻抗谐振器

阶跃阻抗谐振器由两段不同阻抗的传输线构成，并提出等效四分之一波长和半波长两种基本谐振形式，并通过传输线路理论分析了谐振器振动时的长度，这种阶跃阻抗谐振器结构可以满足滤波器电路小型化的设计要求，同时还具备减小无载Q值的作用，因此在滤波器小型化设计中应用广泛。这种阶跃阻抗谐振器结构形式比较多，根据实现方式可以分成平面阶跃阻抗谐振器和立体阶跃阻抗谐振器两种。平面阶跃阻抗谐振器的兼容性和灵活性比较好，在电路集成方面具有很大的有事，通过不同结构设计，不仅可以达到降低阶跃阻抗谐振器的体积，而且还能对超宽带和高次谐波进行有效的抑制，减少电波和磁场对线路的干扰。立体阶跃阻抗谐振器具有平面阻抗器的相同优点。

3阶梯阻抗谐振器的微波滤波器

早期滤波器主要以电感电容组合为主的无源电路，然而随着现代无线通信技术的发展，无线通信设备的工作频率比较高，这种电容电感的无源电路无法满足高性能小型化的无源元件。近年来，随着电子技术的发展，微带形式的滤波器尺寸小、重量轻、成本比较低等优点，广泛应用在无线通信系统中。均匀阻抗谐振器结构比较简单，因此近年来也广泛应用在电子通信领域，但是这种谐振器结构比较简单，设计参数有限，而且在实践应用过程中可能出现寄生响应，所以不利于滤波器高性能小型化设计。为了解决这个问题，采用阶梯阻抗谐振器解决加载容量不足的问题。阶梯阻抗谐振器由两个不同的传输线构成横向电磁场或者准横向电磁场模式的谐振器。本文使用新型的带通滤波器，这种滤波器包括了4个谐振器，也就是两个半圆形阶梯阻抗谐振器和两个带有贴片分支的微带馈线，这4个谐振器组成了一个交叉耦合结构，也就是微带馈线和半圆形阶梯阻抗谐振器的磁微带带通滤波器的设计参数

4结语

滤波器、巴伦、功分器都是无线通信系统中的无源元件，在卫星通信系统、无线基站中发挥着重要作用，它的性能高低直接影响到整个无线通信系统的稳定性。随着通信技术的发展对无源元件广性能要求越来越高。如果通信系统的工作频率高时，无源元件受到色散影响很容易导致损耗增加，所以高性能小型化的无源元件逐渐受到欢迎。

【参考文献】

[1]丁晨.小型化微带与同轴滤波器的研究[D].西安电子科技大学,2015.

[2]杨俊越.微波毫米波高性能无源元件的研究[D].东南大学,2016.

[3]吴振川.射频前端无源器件的小型化与集成化[D].中国科学院大学,2016.

作者：黄盛辉 单位：民航中南空管局