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摘要
在无线系统射频前端中,包含了滤波器、功率放大器、开关、耦合器等多种有源和无源电路,它们通常以级联的方式存在,存在体积大、损耗大或者阻抗失配带来的效率下降等问题。为了解决这些问题,可以将两个或多个电路通过协同或者融合的方法设计为一个多功能电路以提高集成度、降低损耗或提升效率。尽管过去有相关的多功能电路研究报道,但是设计理论不完善,在小型化和低功耗方面也还有待提升。为此,本文提出了多个电路的协同设计方法,通过多个电路的性能互补提升了整体性能;也提出了在单个电路中构造其他电路功能的方法,实现了多个电路功能的融合,简化了电路结构,减小了体积和损耗。由此设计实现了一系列有源、无源以及单体双路/多路多功能滤波电路。具体创新成果包括以下三个部分:1.为了提升功放、开关和滤波器三者的整体效率,研究滤波器与有源电路（包括开关和功放）的协同融合。通过减小开关和滤波器的总损耗来提升整体效率,采用耦合控制的方法基于LTCC工艺研究了小型化单频和双频滤波开关;为了满足高功率的窄带基站应用,基于高Q值介质谐振器提出单刀单掷和单刀双掷滤波开关的设计方法;另外,为了避免滤波器和功放级联的阻抗失配带来效率下降问题,提出包含交叉耦合的高选择性滤波器与F类功率放大器的协同方法。基于该研究成果,多篇论文发表在IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques和IEEE Transactions on Industrial Electronics等本专业领域国际Top期刊。2.为了减小无源电路的损耗和体积,研究滤波器与其他无源电路的协同融合方法。在传统Marchand巴伦的工作原理上,将Marchand巴伦中的半波长和四分之一波长传输线用作谐振器,仅通过添加三条馈电线就融合了滤波功能,实现了小型化的LTCC滤波巴伦;通过采用共用双模谐振器,在LTCC多层电路上构建了小型化双工器,提出了两种方法来解决基于共用谐振器双工器中隔离差的问题,并实现双工器的通带频率和带宽分别可控;通过构造四模介质谐振器,在小型化单腔结构的滤波器中融合了混合环的功能,提出了基于介质谐振器的滤波混合环设计方法,减小了体积。基于该成果,多篇论文发表在IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques等本专业领域国际Top期刊。3.为了实现高集成,将多个功能相同的滤波电路集成到一起,研究单体双路和单体多路多功能滤波电路设计方法。基于四模介质谐振器,将两个滤波器集成为一个单体双路滤波器以减小体积,并研究其与双输入双输出Doherty功率放大器的协同方法,实现高集成和高效率;通过研究正方体介质谐振器的电磁场特性,发现可以将其三个正交的谐振模式分别激励给不同的滤波通道而实现相互隔离,由此提出单体多路滤波器的设计方法;此外,还研究了将两个多功能的平衡式滤波器或滤波巴伦融合得到单体双路平衡式滤波器或滤波巴伦的方法,实现了小型化和高集成。基于该成果,多篇论文发表在IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques等本领域国际Top期刊。本文详细分析了所提出的多功能滤波电路的设计方法或工作原理,通过加工测试来验证提出设计的有效性。与学术界的同类成果及产业界主流公司的最新产品相比,本文提出的多功能滤波电路在小型化和低功耗方面具有优势,在无线通信中具有应用潜力。
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