在移动通信领域,随着近年来科技以及无线通信系统发展速度的大幅度提升,当前通信系统面临着频谱资源紧张的问题,传统微波系统不能满足5G通信系统的发展要求。随着物联网等技术的普及,对系统集成化、智能化、小型化的要求越来越高。为了解决上述难题,就需要提升移动通信基站技术,功率放大器是发射机的重要部分,同样也是整个系统中至关重要的一部分,其性能的高低影响着整个发射系统的性能。多模多带是解决该问题的有效技术,开展多模多带移动通信功率放大器的研究对于未来无线通信系统的性能提升具有重要意义。本文首先基于并发双频段匹配理提出了T型与Π型混合结构的微带线匹配电路结构,解决了并发双频段匹配电路难以实现的问题。设计了多频段偏置电路,滤除了多频段工作下的电源干扰,最终实现了一款能够同时工作在FDD-LTE和IMT-2020网络通信基站的并发双频段功放。测试结果表明:在工作频率为945MHz和2.6GHz时,29d Bm的信号输入功率条件下,功率附加效率约为54.1%,输出功率分别达到40.2d Bm和39.8d Bm,输出1d B压缩点分别为41.6d Bm和41.2d Bm。所设计的功放整体结构简单、带内增益平稳。针对多种通信模式下的频谱资源紧张问题,在并发双频段匹配理论的基础上提出了可重构四频段匹配理论,通过公式推导得出了匹配结构中微带线的具体参数。利用PIN二极管作为射频开关,将并发双频匹配电路中Π型结构重构为双Π型结构,获得了功放在四种不同频段上的可重构性,提高了频谱复用能力。最终实现了一款应用于GSM900、TD-SCDMA、FDD-LTE和IMT-2020网络通信基站的可重构四频段功放。测试结果表明:工作频率在890MHz和2.01GHz时,所设计的可重构四频段功放输出功率分别达到39.7d Bm和38.7d Bm,功率附加效率分别达到33.6%和34.2%,增益分别为10.7d B和9.7d B。工作频率在945MHz和2.6GHz时,所设计的可重构四频段功放输出功率分别达到39.4d Bm和39.5d Bm,功率附加效率分别达到33.6%和38.1%,增益分别为10.4d B和10.5d B。相关结果证明了可重构四频段匹配理论的正确性,实现了设定的目标参数。所设计可重构四频段功放具有灵活性高,开关数量少的特点,降低了电路设计的复杂度,提升了通信系统中功率放大器的性能,节约了频谱资源,为通信基站高性能功放模块提供了新的设计理论。该论文有图63幅,表10个,参考文献81篇。

随着无线通信技术不断更新,其系统的性能不断改进,其复杂度也在增加。可重构滤波器在系统中能够替代滤波器组,可以优化系统结构,引起了国内外研究人员的广泛关注。本文在相关理论研究的基础上,采用变容二极管实现了两款多模可重构微带滤波器。论文的研究工作归纳如下:针对于现代无线通信系统对多模式多制式高集成的要求,提出了一种基于开环孔型谐振器的单频多模可重构滤波器结构并进行设计。该可重构滤波器采用半波长传输线中心加载孔谐振单元的结构来实现其带通特性,并在开环传输线两端及孔谐振单元加载变容二极管,以此来分别控制谐振器的奇偶模谐振频率,通过调节偏置电压进行中心频率的可重构。场和电路联合仿真与实物测试结果表明,其中心频率可在2.04～2.5GHz范围内连续调节,可覆盖FDD、TD-LTE、ISM相应频段。在调节过程中,插入损耗在1.9～2.5d B之间,回波损耗优于25d B。所提出的可重构滤波器可以用单个滤波器实现多标准的通信要求,有助于提高通信系统集成度。为适应多标准GNSS全球定位系统射频信号接收机的需要,提出了一种基于并联双谐振单元的双频多模可重构滤波器结构并进行了设计。该可重构滤波器采用两组谐振单元共用输入输出馈线的方法来实现双频带通特性,其中高通带由中心加载短路枝节的阶跃阻抗谐振器实现,低通带由一对相耦合的四分之一波长均匀阻抗谐振器实现,采用折叠的π形馈线为两组谐振单元馈电。通过引入两组变容二极管,实现了两个通带的可重构。此外,通过引入源和负载耦合增加传输零点、加入DGS缺陷地结构抑制谐波来提高通带选择性。仿真与实测结果表明,该滤波器的两个通带的中心频率调谐范围分别为1160～1280 MHz和1530～1630 MHz,每一个通带都可覆盖到GPS、GLONASS、Galileo和北斗的BDS信号。在所有调谐范围内,其插入损耗优于2.1d B,回波损耗优于26d B。所提出的双带通滤波器设计显示了独立控制通带来兼容多标准信号的灵活性,可以适应新的全球导航卫星系统标准规范的部署。该论文有图40幅,表4个,参考文献102篇。

无线通讯技术迅猛发展要求射频电路器件工作在更高的频段上。而传统的用于模块设计仿真的射频微波CAD软件一直存在着仿真过程繁琐,精度低,运行速度慢,占用计算机内存较大等问题。神经网络具有强大的并行数据处理能力,可以很好地解决非线性关系映射问题。因此非常适用于射频微波领域,可以在射频模块的设计中广泛应用。本文研究射频电路模块神经网络逆向建模及其设计应用的问题,研究内容如下:针对直接逆向建模所面临的多值问题,提出了ALO-LMBP神经网络逆向建模方法。使用LM算法调节网络参数可以加快神经网络训练过程,加速收敛BP算法。再用蚁狮优化算法优化LMBP神经网络的权值和阈值,以提高网络建模精度。将此逆建模方法用于对双陷波超宽带天线的建模中,通过对比未经优化的LMBP逆建模方法和直接建模方法,结果发现该方法的误差分别低于两种方法97.62%和99.9%,建模精度优势明显,且网络运行时间更短。为进一步提高逆向建模的精度,提出了一种IFOA-BRBP神经网络逆向建模方法。先是对原始果蝇优化算法进行改进,改进后的算法搜索能力更强,并且可以很好地全局寻优。引入L1/2范数的贝叶斯优化算法对网络调参,逆向更新网络输入参量,提高了网络的稀疏性和稳定性。用搭建好的IFOA-BRBP逆模型对超宽带天线建模,通过对比实验发现,该方法的误差比L1/2正则化逆建模方法和直接逆建模方法减小了97.7%和99.9%,验证了所提出的逆建模方法的可行性和高效性。并使用IFOA-BRBP逆向建模方法设计一款超宽带天线,根据天线的理想回波损耗S11值逆向求解天线设计的几何参数尺寸。最后将设计出的天线用HFSS软件仿真测试,结果表明该天线拥有良好的陷波特性,可以有效抑制窄带通信频段的干扰,且设计精度较高,简化设计步骤,节省了大量时间成本。故神经网络逆向建模方法在射频电路模块的设计中有很强的适用性。该论文有图33幅,表4个,参考文献70篇。

随着近年来科技以及无线通信系统的发展速度的大幅度提升,对系统的集成度、智能化程度和小型化的需求越来越高。功率放大器是发射机的重要部分,同样的也是整个系统中至关重要的一部分。而可重构功率放大器使用可重构器件来控制完成阻抗转换的匹配网络,使电路可以实现不同结构、不同频率间的重构,是无线通信系统实现小型化和智能化的核心所在,故而多模多频段的可重构功率放大器对未来无线通信系统的发展尤为关键。本文首先设计了一款工作在S波段的单波段高效射频功率放大器,对功率放大器常用的几种匹配方法进行分析比较,然后选择了匹配准确且灵活性较强的混合参数匹配网络。设计所使用的晶体管为CGH40010F,在设计时加入了串联谐振网络,用来滤除所有的谐波成分,使得流过该网络的电流为正弦信号。最终设计的测试结果为:在2.1GHz的频段上,最大输出功率达到了39.5d Bm,功率附加效率最大值为70.8%,同时有12.5d B的小信号增益,指标基本满足要求,证实了设计的合理性。然后结合S波段高效射频功率放大器的混合参数匹配网络设计方法,设计了一款L/S波段可重构双波段射频功率放大器。从可重构器件的角度出发,设计了微带线结构的PIN开关,可以实现对功率放大器匹配结构重构的目的,基于此设计了一款可实现在L、S两个不同波段之间进行重构的输出匹配网络。为了减少可重构模块带来的尺寸、损耗、成本等问题的影响,输入匹配选用了宽带网络,顺应了小型化、集成化、智能化的发展趋势。对上述的可重构双波段功放进行实物的制作以及测试,测试结果显示在1.75GHz和2.6GHz时,功放的小信号增益分别是12.7d B和11.7d B,最大输出功率不低于39d Bm,功率附加效率都大于43%。测试的结果基本满足预期设想的指标,验证了设计的合理性,同时具有灵活性高,开关数量少以及小型化、集成化的特点。该论文有图60幅,表12个,参考文献76篇。

通信技术快速更新的同时,多个通信系统相继出现,通信系统的带宽、传输速率、系统容量都有较大提升,但其兼容性与频谱资源短缺问题却愈发严峻,对未来通信系统发展提出更大挑战。射频功率放大器作为通信系统中核心部分,如何能做到多模式、多波段工作,对于解决上述问题及微波器件实现小型化、多功能集成化、降低生产成本,有重要研究价值和深远意义。可重构技术作为实现功放多模式、多波段工作核心技术,如何将其用于功率放大器设计已成为当前研究热点。为解决通信系统中现存兼容性与频谱资源短缺问题,本文通过对可重构器件研究,利用PIN开关设计了单刀双掷开关和分布式开关,并分别用于两款可重构功率放大器设计。本文主要工作内容如下:1)基于Ga N晶体管CGH40010F,提出了双频可重构谐波抑制匹配结构,在此基础上设计了双频可重构谐波抑制功率放大器。此功放通过在输出匹配中添加谐波抑制网络以提高电路整体效率,并利用单刀双掷开关控制输出支路导通状态;输入匹配采用结构紧凑、计算简单的T型节。电路仿真表明功放在1.75GHz和2.6GHz时,输出功率分别为43d Bm和41d Bm,PAE（power added efficiency）大于67%,一定程度上缓解了上述问题。2)为进一步解决兼容性与频谱资源短缺问题,通过对宽带匹配结构研究,提出了多波段可重构匹配结构,设计了多波段可重构功率放大器。此功放工作频带部分覆盖L、S和C波段,在输出匹配上使用分布式开关控制支路工作状态,完成不同工作波段切换,并基于宽带滤波器理论设计了输入匹配。测试结果表明,在1.5～2.85GHz时,输出功率大于39.5d Bm,PAE高于39.5%。在3.15～4.5GHz,输出功率大于38.1d Bm,PAE大于43.5%。测试结果满足设计要求,证明了理论可行性。该论文有图58幅,表10个,参考文献77篇。

本文首先概述了超宽带无线通信系统的发展进程,分析了目前超宽带滤波器几种实现途径和研究中面临的问题。将设计UWB滤波器中常用的基本理论进行介绍,包括微波滤波器的技术参数、网络理论、设计原理和传输线理论等。其次针对当前存在的陷波深度不足、带外抑制较差以及陷波个数较少的问题,通过对陷波产生方法的分析,使用DGS结构设计了两个具有陷波特性的超宽带滤波器。（1）针对超宽带滤波器存在的陷波深度和上边带抑制不足的问题,基于新型缺陷接地结构和加载枝节的方法设计了超宽带滤波器。该结构通过内嵌、折叠开路枝节来构建双陷波带,并在滤波器两端加载不对称倒T型枝节来加深陷波深度,通过刻蚀所设计的缺陷接地结构来增强上边带抑制以及陷波深度。该滤波器工作频段在2.8～11.4 GHz,插入损耗较小,在5.3 GHz陷波深度为18 d B,而在8 GHz处陷波深度和上边带的抑制均达到了57d B。（2）针对超宽带滤波器存在的陷波个数不足和陷波深度不够的问题,采用了改进的新型多模谐振器以及缺陷接地结构,提出了一种具有三陷波和较好选择性的微带超宽带滤波器。该谐振器在阶梯阻抗谐振器两侧和下方加载枝节,构建了超宽带滤波器的通带和两个陷波,并设计缺陷接地结构在增加陷波的同时对陷波特性加以改善。仿真结果表明:该滤波器通带2.8 GHz～10.6 GHz,在3.8 GHz,5.9 GHz,8.2 GHz处形成了三个陷波,且三个陷波深度均达到了-20 d B。对于几种窄带信号有着较好的抑制,适用于电路的集成。通过两次设计证实DGS结构可以加深陷波深度、改善带外抑制以及增加陷波带。利用电磁仿真软件HFSS对滤波器进行建模仿真及制作,确定了所采用设计方法的准确性和可实现性。该论文有图47幅,表4个,参考文献80篇。

天线在无线通信系统中非常重要,尤其是在高质量的移动通讯系统中,小尺寸、集成度高的UWB-MIMO（Ultra Wide Band-Multiple-Input Multiple-Output）天线越来越重要。论文针对UWB-MIMO无线通信系统中存在带宽窄,尺寸大,隔离度低等问题,围绕小型化技术和去耦技术展开了研究,主要完成了以下的工作:针对当前超宽带多输入多输出天线存在窄带频段干扰、尺寸大、隔离度低等缺陷,设计了一款具有陷波特性的紧凑型UWB-MIMO天线,天线尺寸仅有41mm×25mm。通过扳手形微带馈线扩宽天线的带宽,在天线的接地平面上引入锯齿形和梳状电磁带隙结构以获得较高的隔离度。实验结果表明:所设计的UWB-MIMO天线的阻抗带宽为3.1～12.0 GHz,在整个工作带宽内,隔离度大于20 d B。该UWB-MIMO天线具有良好的辐射特性、稳定的增益和较低的包络相关系数（ECC＜0.006）,适用于UWB-MIMO系统应用。针对当前超宽带系统中由于信号传输中的多径衰落问题,设计了一款高性能、形状新颖的具有高隔离度的UWB-MIMO天线。该天线由两个圆形辐射元件组成,它们享有共同的F形接地平面,尺寸为30mm×18mm。在天线的F形接地平面中引入短截线,在MIMO天线元件之间产生高度隔离。所设计的UWB-MIMO天线具有极低的耦合（S21＜-22d B）、低包络相关系数（ECC＜0.003）、高分集增益（DG＞9.98d B）,适用于便携式通信设备。通过对UWB-MIMO的小型化技术和MIMO去耦技术的研究,提出了两种天线结构,解决了天线的隔离度低、尺寸较大等问题,天线的各项参数都符合超宽带系统的要求,为MIMO通信设备天线的选择提供了更多的思路。该论文有图55幅,表5个,参考文献110篇。

近年来,无线通信技术随着人们工作生活的需求日益发展更新,终端设备小型化、低成本、高效率的发展趋势也逐渐凸显,使得天线必将朝着小型化和宽带化的目标迈进。依据以上研究背景,本文采用工作模式种类递进式增加的手法,对三款天线模型进行设计撰写,采用先进行理论研究与撰写,后采用由多陷波超宽带（ultra wideband,UWB）天线到单频可重构天线再到双频可重构天线这样的一个设计思路。首先,为有效抑制Wi MAX频段、国际卫星波段、X波段以及国际电信联盟（International Telecommunication Union,ITU）波段等窄带通信系统的干扰,文中设计了一款小型四陷波超宽带天线,背板开五阶鱼骨形凹槽实现超宽带特性。在天线结构上开槽及添加枝节的方法产生四个频段的陷波特性,抑制了窄带频段的干扰。天线的工作带宽为3.0～13.09GHz,适用于多种超宽带通信系统。然后,提出了一款单频可重构超宽带天线,采用八边形作为辐射贴片,实现了超宽带天线的小型化;通过引入H形枝节的方式产生阻带,有效滤除不同窄带信号的干扰;通过在H形枝节上添加二极管开关,控制开关的闭合来实现不同的工作状态;具有小型化、结构简单、辐射特性好等优点,具有较高的实用价值。最后,提出了一款双频可重构超宽带天线。采用改进矩形结构作为辐射贴片;接地板采用缺陷地结构,实现超宽带特性。通过开倒U形槽并引入对称L形谐振枝节,抑制国际卫星波段、5G频段及X波段的窄带通信频段干扰,实现陷波特性。采用在陷波结构合适处加入PIN二极管开关的方法实现频率可重构特性,通过控制开关的不同组合状态,分别实现超宽带、单陷波和多陷波特性,提高天线的利用率。天线尺寸仅为20mm×20mm×1.6mm,工作带宽为1.42～11.57GHz,实现了超宽带天线的小型化设计,实测与仿真结果基本吻合,可用于很多超宽带系统之中。加工成实物并测试。仿真与实测结果表明:在陷波频段内,天线的S11均大于-10d B,产生良好的陷波特性;通过控制开关的闭合状态,使天线有不同的工作状态,且保持全向辐射性,增益良好,适用于多种超宽带系统当中。该论文有图54幅,表5个,参考文献66篇。

随着无线通信领域的快速发展,人们对通信质量与高速率的要求随之提高。为了提高系统容量和可靠性提出了MIMO技术。其中,系统中多个天线元件的加载即构成了MIMO天线。由于UWB系统具有多径衰落的缺点,故将MIMO技术引入到UWB系统中,从而提供高容量和高速的无线通信。针对现有的大部分UWB MIMO天线存在无法兼备小型化和高隔离度性能,且存在多个天线元件的接地平面不共用的问题,本论文提出共地且实现小型化和高隔离度的UWB MIMO天线具有重要的意义和应用价值。本论文对UWB MIMO天线的小型化和高隔离度展开研究,具体创新工作如下:针对加载寄生枝节提高隔离度的方法会增加天线整体设计尺寸,并且会带来大部分MIMO天线的接地平面不共用的问题。以设计的第一款UWB天线为基础,提出了二端口和四端口MIMO天线。利用小型化天线元件的设计有助于MIMO天线小型化实现的设计方法,通过将采用曲流技术实现小型化的天线元件倒置放置在同一介质基板上,并在二端口天线的接地平面间加载三个交叉的X形枝节,保证天线结构小型化和共用一个接地平面的同时改善了天线的隔离度。进一步将二端口天线扩展为四端口天线,采用相同的接地平面连接结构,验证了此隔离结构同样适用于四端口天线的去耦设计。针对采用分集技术的MIMO天线中的天线元件彼此正交放置会增大天线尺寸的问题,提出了半圆形二端口MIMO天线。通过将采用对半均分技术实现小型化的天线元件倒置放置在同一介质基板上,并利用两个半圆形天线元件固有的定向辐射特性,保证了天线小型化的同时实现更高的隔离度。针对采用缺陷地面结构会改变天线的上下频段的问题,以设计的第二款UWB天线为基础,提出了二端口MIMO天线。通过在无缝连接的两半圆形天线元件的接地平面中央加载阶梯形凹槽,在保证天线的上下工作频段的同时实现了更高的隔离度。将以设计的第二款小型化半圆形天线元件构成的二端口MIMO天线扩展为天线元件彼此正交放置的八端口MIMO天线。同样采用加载交叉枝节的接地平面连接结构,验证了此类隔离结构同样适用于八端口天线的去耦设计。通过对设计的UWB MIMO天线进行仿真和实物测试可知,所设计的MIMO天线均可在UWB频段内实现大于20d B的隔离度。同时,小型化的尺寸、良好的辐射特性以及满足设计要求的包络相关系数可应用于现代MIMO通信系统中,相关研究为其商业化的应用提供了理论支撑。该论文有图71幅,表4个,参考文献95篇。

近年来,无线通信技术不断发展,人们对通信的稳定性、安全性、低时延等提出了更高的要求,超宽带系统因具有安全性高、传输速率快、低功耗等特点而得以广泛应用。由于超宽带系统与许多窄带系统的通信频段有重叠,进而引起通信时的相互干扰,因此设计具有抗干扰性能且具有稳定增益的陷波超宽带天线尤为重要。陷波超宽带天线虽然能够解决不同通信系统之间的干扰问题,但是陷波频段固定且干扰信号并不总是存在,这就需要设计在有干扰信号时能抑制干扰,无干扰信号时能有效提高天线频谱利用效率的陷波可重构超宽带天线。本文综合考虑了天线的小型化、抗干扰性和多功能需求,针对卫星C波段、WLAN频段、Wi MAX频段和X卫星通信频段等多种应用场景,提出了三款四态频率可重构超宽带天线和一款八态频率可重构超宽带天线。本文主要的研究内容及创新工作如下:首先,提出了一款开口圆环结构的可重构超宽带天线。针对Wi MAX和WLAN频段的干扰信号,分别采用在天线辐射贴片上刻蚀开口圆环和在馈线上引入倒U形槽的设计方案实现对两个频段的陷波。通过控制开口圆环和倒U形槽上的PIN二极管实现天线的可重构。其次,提出了一款共面波导结构的可重构超宽带天线。天线在辐射贴片上开C形槽和在馈线处开倒U形槽分别实现对INSAT频段和X卫星通信频段的陷波。控制两个槽上的PIN二极管以实现天线的可重构特性。天线在通带内的最大增益为7.17 d Bi,群时延小于1 ns。然后,提出了一款对称半切结构的可重构超宽带天线。天线采用截短圆形贴片作为辐射单元,使得天线的体积相比最初设计的天线体积减小了43.6%。在天线的辐射贴片上引入矩形槽和C形槽,分别形成对X卫星通信频段和C波段的陷波。通过控制天线开槽位置处的两个PIN二极管实现天线的可重构。最后,提出了一款阶梯馈电结构的可重构超宽带天线。C波段、WLAN频段和X波段的频带抑制分别由两个C形槽和一个倒U形槽产生。通过控制两个C形槽和一个倒U形槽上的PIN二极管实现天线的陷波可重构。本文针对超宽带系统中常见的干扰频段,提出了四款小尺寸可重构超宽带天线。前三款天线属于四态频率可重构天线,分别对Wi MAX和WLAN频段、INSAT和X卫星频段、X和C波段的干扰信号进行抑制,此三款天线所针对的应用场景不同,天线所采用的结构和技术也不同,并且天线的体积递进减小,具有互补且递进的关系。第四款天线属于八态频率可重构天线,主要针对C波段、WLAN频段和X卫星通信频段的干扰信号进行设计,天线的结构是在前三款天线结构基础上的改进,使得天线具备小型化和可重构的特点。所提出的四款天线均能在有窄带信号干扰时滤除干扰,无干扰时能有效提高频谱利用率,为天线与通信系统的集成化、通信系统的抗干扰性、通信系统的智能化提供了解决方案。该论文有图52幅,表11个,参考文献108篇。