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2017-02-24 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
內容簡介
本書以作者近年來在射頻微波平面電路領域的研究成果為主線,詳細論述了廣泛應用于現代無線系統中的新型高性能、小型化射頻/微波電路與器件。在簡單介紹了現代無線系統基本原理、組成結構、現代平面電路發展現狀和平面傳輸線基本結構與理論之后,作者重點討論和介紹了各種新型射頻微波電路。本書主要涉及到平面低通、帶通和帶阻多模諧振器與濾波器,基于新型微帶/共面波導和微帶/槽線等綜合傳輸線結構的高性能小型化雙金屬平面濾波器,以及平面功分器與功率放大器等內容。這些內容大部分是作者科研工作的總結和進一步完善,因此,不僅有一定的理論深度,而且也具有一定的工程應用價值。
前言/序言
本書主要介紹和討論基于單層介質基片的新型低成本小型化和高性能射頻與微波平面電路。其中,單層基片的單面/共面和雙面電路是本書討論的重點內容,并提前在此做一個約定:如果沒有特別說明,本書所指的電路都是基于單層介質基片,因此,本書研究內容主要涉及單面和雙面電路。
在電路理論中,我們知道理想的電阻是個恒定值,與頻率等參數無關。電路的阻抗和導納等特性僅與集總元件LC的頻率特性相關。但是,到了射頻和微波頻段,情況變得完全不同了。嚴格來講,任何電路都與頻率相關,也就是說,電路特性具有頻率相關性。射頻(RF,Radio Frequency),即無線電頻率,通常的頻率范圍是30MHz~4GHz。而微波頻段通常所指的頻率范圍是300MHz~300GHz,包括了毫米波頻段。因此,射頻與微波的低頻段之間有一定的重疊,這也成為了行業內的慣用分類方法。本書涉及的內容主要集中在射頻的高端(300MHz~3GHz)至微波的中低頻端(40GHz以下)之間的范圍內。為了能夠比較全面地表述本書的研究內容,用“射頻微波”兩個頻率范圍來界定是比較準確和科學的。
截至目前,國內外介紹射頻和微波電路理論及應用的專著及教材有很多,它們各有側重點且各有特色。本書是作者站在國內外同行的肩膀上并結合自身的科研與教學實踐提煉出來的,既有繼承又有發展,更有一定的創新。通常,由微帶、CPW以及槽線等傳輸線構成的平面電路因其小尺寸、低成本以及易集成等優點獲得了廣泛應用。但是,隨著現代無線通信及雷達等電子系統的快速發展,這些傳統的平面電路已經面臨很大的問題:性能指標難以進一步提升,體積和重量難以進一步減小,電路的集成度也難以進一步提高。因此,新型高性能平面電路的研究受到了廣大科研工作者的重視。其中,多線多路徑的平面耦合、微帶- CPW、微帶-槽線、微帶-DGS等混合耦合結構得到了廣泛研究,并取得了一定的成果。本書很大一部分內容正是基于這些新型復合結構展開的。
本書體系結構和主要內容安排如下:第1章,簡單介紹現代無線系統與技術以及各種新型傳輸線構成的現代平面電路;第2章,主要介紹了各種平面傳輸線的基本結構和理論,涉及單面單導體傳輸線、多導體耦合傳輸線以及雙面復合傳輸線等新型結構。這些傳輸線及其設計方程或等效電路模型,為后續章節深入討論各種高性能的平面電路奠定了理論基礎;第3章,重點介紹多模諧振器和濾波器,涉及多模諧振的基本概念、產生機理及其小型化多模諧振器濾波器應用;第4章,主要介紹雙金屬平面濾波電路,包括微帶-CPW低通濾波器以及超寬帶濾波器、微帶/槽線雜散抑制帶通濾波器、帶阻濾波器以及超寬帶濾波器等內容;第5章,主要討論了微帶功分器和功率放大器,涉及X波段微帶八路功分器的設計與實現以及X波段三級級聯功率放大器的設計與實現;第6章,主要是對平面傳輸線及其電路實現的現狀進行總結,并對其發展趨勢進行了展望。
本書以作者近年來以平面傳輸線的研究工作為基礎,主要介紹和討論了單層介質基片的單面和雙面傳輸線基本理論及其在射頻微波平面電路中的應用等有關內容。由于新型電路層出不窮、日新月異,要想完全覆蓋所有的技術和電路是不可能的。本書的目的意在向廣大讀者和同行介紹這類技術和方法,只能是拋磚引玉,有興趣的讀者可以深入研究。由于書中內容大多涉及作者近年來開展的研究,因此對其中理論問題的介紹能給出思路及方法的細節,對射頻微波電路與器件的研制也能給出其設計過程、具體結果、技術指標及實物照片等。這樣安排全書內容,其目的是為了方便廣大讀者和技術同行在工程應用或開展進一步研究時參考。另外,本專著注重新型實用電路技術的引入與討論,以拓展讀者的學術視野。
本書論述的平面傳輸線電路涉及很多PCB加工、制作與實際測量等大量煩瑣的內容,這些工作大部分是在成都賽英科技有限責任公司相關領導和技術人員的支持和幫助下完成的。因此,作者特別感謝成都賽英科技有限責任公司董事長、法人、原電子科技大學電路與系統學科學術帶頭人、學科組組長張玉興教授。同時,一并感謝成都賽英科技有限責任公司的王偉、譚琪、姚宗誠、吳義華、趙宏飛等技術同行和專家對作者教學和科研工作的一貫支持和幫助。
由于目前市面上關于新型平面傳輸線(特別是雙面復合傳輸線)在射頻微波電路應用方面的專著還比較少,因此,本專著的出版也是對該領域理論和技術方面的又一補充,并希望它能對平面傳輸線的深入研究及應用起到“拋磚引玉”的作用。本專著的主要內容是作者最近幾年來的最新研究成果,以獨特視角和研究方法對平面傳輸線在射頻/微波電路領域的應用展開討論。其中,部分研究項目受到中國博士后基金和總裝預研基金等機構的支持,在此一并表示感謝。另外,書中引用了一些相關著作、文獻和圖片,在此也對其原作者表示誠摯的謝意。限于成書時間以及作者的研究水平,書中不妥之處敬請廣大讀者和同行批評與斧正。
作者
電子科技大學
2016年9月
作者簡介
陳會,男,博士(后),副教授。2014年1月至2015年1月以訪問學者的身份在英國利茲大學進行為期1年的學術訪問與交流;2012年3月,博士后研究出站;2008年12月,獲電子科技大學電路與系統專業工學博士學位。先后在徐州工程集團、四川大學從事產品研發和教學科研,并于2009年1月留校就職于電子科技大學。目前主要研究方向與興趣:現代無線系統與射頻/微波前端電路、高速PCB的信號完整性以及信息安全與賽博空間控制技術等。
目錄
第1章 現代無線系統與平面電路 1
1.1 引言 2
1.2 現代無線系統與技術概述 3
1.2.1 GSM系統與原理 3
1.2.2 脈沖雷達系統與工作機理 5
1.3 現代平面電路概述 6
1.3.1 基于微帶-共面波導雙面結構的超寬帶濾波器 7
1.3.2 基于微帶-槽線雙面結構的微波濾波器 11
1.3.3 基于微帶-DGS雙面結構的雙模發射機 12
1.3.4 基于微帶-槽線的雙面功分器 14
1.3.5 SIW雙面傳輸線與電路 15
1.3.6 雙面平行傳輸線與電路 16
1.3.7 平衡(差分)傳輸線與電路 17
1.4 主要內容及安排 18
參考文獻 19
第2章 平面傳輸線基本結構與理論 23
2.1 單面傳輸線結構 24
2.1.1 單導體傳輸線 24
2.1.2 多導體傳輸線 30
2.2 雙面傳輸線耦合結構 34
2.2.1 微帶-CPW雙面耦合傳輸線 35
2.2.2 微帶-槽線雙面耦合傳輸線 35
2.2.3 寬邊耦合懸置微帶線 35
2.3 傳輸線耦合理論 37
2.3.1 微帶對稱雙導體耦合理論 37
2.3.2 微帶不對稱雙導體耦合理論 38
2.3.3 微帶對稱三線耦合理論 45
2.3.4 DGS通用電路模型 50
2.3.5 DMS的建模與分析 56
2.4 小結 60
參考文獻 60
第3章 多模諧振器與濾波電路 64
3.1 引言 65
3.2 多模諧振器理論 66
3.2.1 簡并雙模諧振理論 67
3.2.2 非簡并雙模諧振理論 71
3.2.3 多模諧振器理論 74
3.3 低損寬帶高選擇性的雙模帶通濾波器 77
3.3.1 三角形貼片諧振器的電磁場理論 77
3.3.2 正交開路支節加載的直角三角形雙模貼片諧振器 80
3.3.3 修正的缺微雙帶隙諧振器 81
3.3.4 雙模諧振濾波器的仿真與測量 84
3.3.5 結論 84
3.4 低損耗耦合線三模超寬帶帶通濾波器 85
3.4.1 耦合線三模諧振器 85
3.4.2 超寬帶的三模諧振器濾波器 87
3.4.3 超寬帶濾波器的仿真與測量結果 88
3.4.4 結論 89
3.5 高選擇性三模三頻帶通濾波器 89
3.5.1 引言 89
3.5.2 三模諧振器 90
3.5.3 基于三模諧振器的三頻濾波器 91
3.5.4 三頻濾波器的仿真與測量結果 92
3.5.5 結論 92
3.6 高選擇性橢圓函數響應的四模四頻帶通濾波器 93
3.6.1 引言 93
3.6.2 微帶-槽線復合耦合的四模諧振器 93
3.6.3 基于四模諧振器的四頻帶通濾波器 97
3.6.4 四頻濾波器的仿真與測量結果 98
3.6.5 結論 99
3.7 諧波抑制的寬阻帶橢圓函數帶通濾波器 99
3.7.1 引言 99
3.7.2 雙模諧振器及其濾波器的分析與設計 100
3.7.3 雙模寬帶濾波器的仿真與測量 103
3.7.4 雙模濾波器的小型化設計 103
3.7.5 結論 105
3.8 多模帶阻濾波器 105
3.8.1 引言 106
3.8.2 單貼片雙模帶阻濾波器 106
3.8.3 雙貼片雙模帶阻濾波器 110
3.9 低通-帶通雙模雙頻濾波器 110
3.9.1 引言 111
3.9.2 基本概念 111
3.9.3 附加傳輸零點的LP-BPF 114
3.9.4 實驗結果 115
3.10 微帶-DGS雙模高通濾波器 116
3.10.1 引言 116
3.10.2 DGS雙模諧振器 117
3.10.3 雙模高通濾波器 119
3.10.4 結論 121
3.11 微帶-CPW雙模高通濾波器 121
3.11.1 非均勻CPW雙模諧振器 121
3.11.2 雙模高通濾波器 124
3.11.3 結論 126
3.12 小結 127
參考文獻 127
第4章 高性能雙金屬平面濾波電路 132
4.1 微帶-CPW低通濾波器 133
4.1.1 微帶-CPW槽線加載的SI-LPF 133
4.1.2 微帶-CPW高選擇性橢圓LPF 135
4.2 微帶-槽線雜散抑制帶通濾波器 147
4.3 微帶-槽線(超)寬帶濾波器 149
4.3.1 微帶-槽線WB濾波器 149
4.3.2 微帶-槽線UWB濾波器 152
4.4 微帶-CPW超寬帶濾波器 153
4.4.1 CPW-MMR超寬帶濾波器 154
4.4.2 微帶-CPW帶外抑制超寬帶濾波器 157
4.4.3 非均勻CPW帶外抑制UWB濾波器 167
4.5 雙面耦合帶阻濾波器 170
4.5.1 微帶-SGS帶阻濾波器 170
4.5.2 折疊微帶-CPW帶阻濾波器 174
4.6 基片集成波導濾波器 178
4.6.1 基片集成腔體 178
4.6.2 SIW濾波器 179
4.7 微帶-CPW雙頻寬帶濾波器 180
4.7.1 引言 180
4.7.2 雙頻寬帶濾波器的分析與設計 182
4.7.3 實驗與分析 189
4.7.4 結論 190
4.8 極窄帶陷的超寬帶濾波器 191
4.9 微帶-開環槽雙頻濾波器 194
4.9.1 引言 195
4.9.2 雙頻段帶通濾波器的分析與設計 195
4.9.3 雙頻濾波器的仿真與測量結果 197
4.9.4 結論 198
4.10 小結 198
參考文獻 199
第5章 平面功分器與功率放大器 207
5.1 功分器/合成器概述 208
5.1.1 合成概念的演變 208
5.1.2 合成的基本原理 208
5.1.3 合成的網絡特性 209
5.2 微帶耦合線兩路和三路功分器 212
5.2.1 基于折疊耦合雙線結構的“兩路”功分器 213
5.2.2 基于對稱三線耦合結構的“三路”功分器 217
5.3 X波段微帶八路功分器 220
5.3.1 Wilkinson功分器的基本理論 220
5.3.2 微帶八路功分器的設計與實現 221
5.4 X波段功率放大器 227
5.4.1 偏置電路概論 227
5.4.2 X波段功率放大器的設計 230
5.4.3 X波段功率放大器的實現 233
5.5 小結 236
參考文獻 236
第6章 結論與展望 239
參考文獻 242
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