集成滤波功能的功率分配/合成电路研究

With the development of wireless technologies and applications, integrated and miniaturized RF and Microwave subsystems are highly demanded in wireless systems. As important building blocks in RF systems, integrated and miniaturized passive components such as filters and power dividers or combiners are necessary. In our preliminary study, it is found that some parts of Wilkinson power dividers can be replaced by filtering circuits to realize integration. The components perform dual functions of both filtering and power splitting, with the advantages of low insertion loss and compact size. Based on our previous study, we will conduct systematical research on power dividers or combiners with filtering responses. The research topics are as follows. (I) In-phase and out-of-phase power dividers integrated with filtering responses. (II) Quadrature hybrid couplers integrated with filtering responses. (III) 180-degree rat-race couplers integrated with filtering responses. We will perform both theoretical analysis and experimental verification. Firstly, we will investigate the basic theoretical issues for the integration, for instance,the certain filtering circuits are equivalent to quarter-wavelength transmission lines and can replace the transmission lines in power splitters or combiners. Then, we will propose the scheme for the integration of the filtering and power splitting circuits and design the integrated PCB or LTCC circuits to experimentally verify the proposed design methods. Finally, the design rule and methodology will be summarized, which is helpful and meaningful to the integration and miniaturization of RF subsystems.

随着无线技术和应用的发展，无线系统对集成化、小型化的射频子系统有巨大需求。作为射频子系统中的重要组成部分，滤波器和功率分配/合成器件等无源器件的集成化和小型化具有重要意义。我们在前期研究中发现，可以用滤波电路取代功分器中的部分结构实现集成一体化设计，使器件同时具有滤波功能与功率分配/合成功能，这类器件的插入损耗小且尺寸小。本项目将在此基础上对各种集成滤波功能的功率分配/合成电路进行系统深入的研究，主要包括：（1）集成滤波功能的同相及反相功分器；（2）集成滤波功能的3dB正交电桥；（3）集成滤波功能的180度环形电桥(rat-race coupler)。我们将首先研究两类滤波电路与功分电路中部分结构等效的理论基础，然后设计各种集成化方案并在PCB电路和LTCC电路中进行实验验证，从而研究滤波电路与功分电路集成化设计的方法和规律。本项目的实施可促进射频子系统的集成化和小型化，具有有重要意义。

快速发展的无线系统对射频器件的小型化及低损耗提出了越来越严格的要求。滤波器与功率分配/合路器是射频前端中体积较大的两个基本器件，过去，二者是分别设计再进行级联，这种方式会造成级间匹配问题及额外的损耗，同时整体电路体积较大。为了解决这些问题，本项目研究了滤波器与功率分配/合路器的融合设计理论与技术。根据项目申请报告的研究内容和技术路线，结合研究过程中出现的新问题和新热点，主要针对以下五个方面进行了深入的理论及工程研究：.(1).单个滤波器及功分器的研究, 为滤波器和功分电路的融合设计做铺垫；.(2).滤波器与功分器的融合设计研究, 包括等分、不等分、频率可调、谐波抑制、宽阻带等滤波功分电路；.(3).滤波器与耦合器的融合设计研究，包括小型化宽阻带滤波180度混合环、平衡式滤波90度分支线耦合器、基于空间八线耦合结构的滤波180度混合环；.(4).基于LTCC的滤波器及滤波功分电路研究，利用LTCC工艺设计了滤波器及滤波功分器，极大地减小了电路体积，提高了电路的集成度；.(5).其他融合设计研究，例如功率放大器和滤波器，十字交叉器和滤波器，天线和滤波器等。.研究结果表明，融合设计实现了多功能的器件，不仅减小了体积，而且降低了损耗。.本项目实现了预定的研究目标，共发表SCI/ EI论文32篇，其中SCI论文18篇 (IEEE Trans.论文8篇，IEEE Letters论文9篇)，EI论文14篇，另还有已投稿IEEE Trans.论文2篇，申请中国发明专利13项，其中6项获授权，申请美国专利3项。另外，申请人作为第一完成人获得了广东省自然科学一等奖，指导的学生获得多项奖项，包括：指导学生获得2016年IEEE亚太天线会议最佳学生论文奖；2016年IEEE国际微波及太赫兹先进材料与工艺研讨会最佳学生论文奖，2015年全国微波毫米波会议优秀学生论文奖；2014年两岸四地无线科技研讨会最佳论文奖；指导的硕士论文被评为2016年中国电子学会优秀硕士论文（全国电磁场领域仅2篇）。 .总之，本项目超额完成了研究内容，取得的各项成果均超过预期指标。