差分微波功率分配类器件及其协同设计研究

Differential circuits and systems have drawn much attention due to their high immunity to the environmental noise and electromagnetic (EM) interferences, and got rapid development with the development of chip technology. However, the research of passive differential circuits, especially the differential devices for power distribution, are relatively slow. Meanwhile, the RF front-end circuits and antenna are required to have high integration and small size under the trend of high-integration and miniaturized wireless terminals and systems. Based on this, the novel differential devices for power distribution and its co-design with other circuits and antennas will be carried out, where improved performance and compact size can be achieved. One part of the content of this project is various differential devices for power distribution, such as differential power divider, differential coupler, differential hybrid and differential magic-T, and so on, where the design method and related equation will be completed for high performance. Devices with wideband or dual-band performance will be developed. Meanwhile, unbalanced-to-balanced or balanced-to-unbalanced devices for power distribution will be studied to satisfy more complicated systems. Lastly, we will perform the co-design of the differential/unbalanced-to-balanced/balanced-to-unbalanced devices for power distribution and other microwave circuits or antennas. The target is to explore the common problems of such co-designs, reduce the number of the devices and the size, improve the performance, and finally realize the effect of 1+1>2.

差分电路或系统因其对外界噪声和电磁串扰等具有高度免疫能力而倍受关注，且随着芯片技术的发展日益增多，而差分无源电路特别是差分功率分配类器件的研究相对滞后。同时，随着无线终端和无线系统设备在向小型化、高集成度的方向发展，微波前端电路与天线也要求具有高集成度、尺寸小的特点。鉴于此，本课题将深入开展新型差分微波功率分配类器件及其协同设计的研究，提高电路性能和减小电路尺寸。主要内容包括各种的差分功率分配类器件包括差分功分器、差分耦合器、差分混合网络、差分魔T等，完善电路设计方法、推导相关公式，并进行宽带、双通带器件设计，优化各方面性能。同时，探索单端差分混合式功率分配类器件理论与设计，以满足更复杂系统的需要。在此基础上进行差分/单端差分混合式功率分配类器件与其它微波电路或天线的集成化协同设计研究，探索此类协同设计的共性问题，整合电路功能，减少器件的数目、体积，提高性能，达到1+1>2的效果。

差分功率分配类器件能有效提高对外界噪声和电磁串扰的免疫能力，但是其研究相对滞后。同时，无线系统的小型化、高集成度发展趋势提出了差分功率分配类器件与其它电路的协同化设计要求。因此，本项目进行了差分功率分配类器件及其协同设计的系列研究工作，并结合研究过程中出现的新问题、新热点拓展了研究内容，总体上可以归纳为以下五点：.1）提出了多个差分功率分配类器件相关的理论，包括馈电结构的差模输入与共模抑制理论、差分功率分配类器件的参数求解理论和协同设计的替代理论，为具体设计提供了理论基础。.2）提出了多种高性能差分功率分配类器件：例如基于平衡式-单端功分器的低损耗（0.1dB）差分功分器；基于耦合线的小型化差分耦合器；首例任意功分比差分耦合器和差分混合环；基于背对背结构实现的宽带差分功分器（85%）；基于T型结的首例双频差分功分器；利用平衡式-单端功分器和单端-平衡式功分器提出了首例一分多差分功分器。.3）提出了多种单端差分混合式功率分配类器件：例如单端差分混合式功分器包括基于耦合微带线的小型化设计，级联式宽带设计（46.4%），任意功分比设计（功分比达11.6）；基于半波长微带线的首例单端差分混合式分支线耦合器。.4）提出了多种差分功率分配类器件与滤波器/天线的协同设计方法：例如利用电、磁耦合混合构建环形耦合拓扑结构形成的小型化同/反相差分滤波功分器；基于替代理论的多个差分滤波耦合器、平衡式-单端滤波功分器；嵌入式差分滤波天线，实现小型化。.5）拓展研究了首例差分移相器，小型化非对称式差分滤波器，宽带差分过渡以及低剖面/高效率/低交叉极化的滤波天线等。.上述研究填补了差分功率分配类器件领域的多项空白，提出了可指引差分功率分配类器件及其协同设计工程化的理论，提高了差分系统的集成化程度及性能，对设计高性能的微波系统提供重要的技术参考，具有较强的实际应用及学术价值，并进行了部分专利技术转化，研究进展顺利，圆满完成研究计划。.本项目发表SCI期刊论文15篇（IEEE论文11篇，IEEE Trans. 5篇），EI收录国际会议论文14篇，中文核心1篇，申请中国发明专利19项，其中11项授权，转让2项，培养硕士研究生13名，博士研究生4名，各项成果均超出预期指标。