微波谐振单元的多频耦合调控机理及其应用研究

With the rapid development of integration and minimization of radio frequency (RF) circuits in communication and radar system, signal interference and spurious of in-band and out-of-band have become increasingly serious in wireless devices. In order to suppress the undesirable modes, a common method is to cascade filters. However, the dimensions of circuits are enlarged and the efficiency is decreased, because the undesirable modes are wasted. In order to carefully deal with fundamental and harmonic resonant modes of RF circuits., the present topic focuses on the coupling characteristics and independent control under different modes, i.e. utilization or cancellation. In our primary research, we have found that by choosing a special coupling region, the coupling characteristics of fundamental mode and harmonics resonating frequencies can be adjusted independently, which is called mutli-frequencies coupling control between microwave resonant cells. And it is useful to realize multi-functionality and integration of microwave devices. Based on the current study, we will extend our investigation further to the following regards for this project: (1) Coupling control theory of fundamental mode and harmonics resonant frequencies; (2) Design methodology of high efficiency microwave active circuits based on controllable coupling and load-pull effect, i.e. high efficiency amplifier, high-efficiency frequency multiplier and etc. (3) Design methodology of millimeter-wave and Terahertz filters designs based on high order mode, as well as highly spurious suppression RF passive circuits. The applicant has done primitive research on the topics mentioned above, and published two papers on IEEE cited publications.

通信和雷达系统的射频电路面临集成化和小型化导致的带内带外干扰和杂散问题。因此，通常在电路后端级联滤波器以消除不需要的模式。但是这种方法存在两个问题，一是难以集成化；二是不能有效利用闲频分量，效率较低。为了妥善处理射频子系统的基波和谐波谐振模式，实现微波器件的高效率和集成化，本课题重点研究不同谐振频率的耦合特性并对其加以控制(利用或消除)。我们前期研究中发现，通过耦合区间的选取，可以独立控制基波和谐波频率的耦合特性，即谐振单元的多频耦合调控。本项目以此为基础，将进一步深入研究：(1)谐振单元的基波及谐波频率的多频耦合调控机理；(2)基于多频耦合实现谐波牵引效应的有源电路(功率放大器和倍频器)的高效率设计方法；(3)基于多频耦合的无源电路设计，包括高次模工作的毫米波太赫兹滤波电路设计，以及具有高杂波抑制的射频滤波电路设计。申请人前期已经初步探讨并发表了2篇IEEE论文，具有坚实的基础。

在2016-2018年国家自然科学基金项目的资助下，主要开展了多频耦合机理及在有源电路和无源电路中的应用研究，从而实现了对微波电路的基波和谐波谐振模式的合理利用，提升了有源器件的效率和无源器件的集成度。项目形成了一些具有创新性的理论与方法。主要研究内容和进展包括：1) 谐振单元的基波及谐波频率的多频耦合调控机理。提出利用耦合矩阵分析基波和谐波特性，结合准静态场分析和等效电路，实现了多频耦合在电路原理上的表征。2) 基于多频耦合实现谐波牵引效应的有源电路(功率放大器和倍频器)的高效率设计方法。开展了具有滤波功能的高效率功率放大器和倍频器研究，通过研究耦合矩阵的复阻抗变换特性，使基波和谐波的阻抗分别变换到晶体管宽带高效率区域，从而实现滤波功放的一体化设计，提升了有源器件的功率效率和带宽。3）基于多频耦合的无源电路设计。通过对基波和谐波的独立控制，设计了一系列毫米波太赫兹电路、平衡式滤波电路以及宽阻带滤波功分电路，分别实现了毫米波太赫兹电路的大尺寸设计，高共模抑制比的平衡式滤波电路和小型化宽阻带滤波功分电路。. 围绕上述三个研究方向，在课题开展过程中，取得了一系列成果。依托该项目共发表学术论文12篇，其中SCI论文6篇（IEEE期刊论文4篇），EI收录的国内外会议论文6篇。参加国际会议交流4人次。授权实用新型专利1项，申请中国发明专利4项和美国专利1项。在项目执行期，一作及通信的IEEE Trans论文进入ESI 1%高被引论文。项目负责人获得2016年广东省自然科学一等奖1项（排名4/5，当年度信息类自然科学一等奖仅一项），2018年获得广州市珠江新星人才称号。协助及独立指导博士和硕士研究生共10人。因此，本项目已经完成既定的研究目标。.