面向5G的七通路毫米波频分复用器的研制

Frequency division multiplexer (FDM) can work as frequency combiner or separator, and addresses massive applications in ultra-wideband (UWB) communication systems. So far, most of the FDMs have been designed at traditional communication frequencies, i.e., <10 GHz. According to the structure, FDMs can be classified into four categories: manifold type, hybrid-coupled type, circulator-coupled type and directional filter type. To obtain wide bandwidth and tens of gigabyte per second data transmission rate, communication systems are moving towards millimeter wave frequencies, where 60, 74, 84, and 94 GHz have gained tremendous interest due to their unlicensed bands. However, FDMs have seldom been reported within these bands. At such high frequencies, manifold, hybrid-coupled and circulator-coupled FDMs typically have large insertion loss. As an alternative, directional filter FDMs can provide low insertion loss, but have narrow bandwidth for each channel. We propose developing a seven-channel FDM to combine and separate 60, 74, 84, and 94 GHz, which consists of a four-channel DFM based on novel directional filters and a four-channel manifold FDM. The proposed FDM can provide tunable bandwidth from 3% to 15% for each channel as well as low insertion loss and reflection, promising great potential for future UWB communication systems.

频分复用器既可以用作频率合成器，也可以用作频率分离器，在超宽带通信系统中有着广泛的应用。目前的频分复用器基本设计在传统通信频段（<10GHz），根据其结构特点可以分为多支管类型、混合耦合类型、环形器耦合类型和定向滤波类型。为了获得更宽的频带和几十亿位每秒的数据传输速率，通信系统朝着毫米波的方向发展。其中，60、74、84和94 GHz附近的频段因尚未被利用而受到广泛关注。然而，目前很少有这些频段的频分复用器被报道。传统的多支管、混合耦合、环形器耦合结构在高频有较高的损耗，而定向滤波结构虽然损耗低，但是单通道带宽窄。申请人拟开发可对60、74、84和94GHz进行频率合成和分离的7通道频分复用器，该结构由一个基于新型定向滤波器的4通道频分复用器和一个4通道多支管频分复用器级联而成，可以在单通道内实现3%-15%的可调带宽，并实现低损耗和低反射，为未来的超宽带毫米波通信提供支持。

频分复用器既可以用作频率合成器，也可以用作频率分离器，在超宽带通信系统中有着广泛的应用，如基站通信、卫星通信等。目前的频分复用器基本设计在传统通信频段（<10GHz），根据其结构特点可以分为多支管类型、混合耦合类型、环形器耦合类型和定向滤波类型。为了获得更宽的频带和几十亿位每秒的数据传输速率，通信系统正朝着毫米波的方向发展，如5G和6G移动通信等。其中，60、74、84和94 GHz附近的频段因尚未被利用而受到广泛关注。然而，目前很少有这些频段的频分复用器被报道。传统的多支管、混合耦合、环形器耦合结构在高频有较高的损耗，而定向滤波结构虽然损耗低，但是单通道带宽窄。申请人基于定向滤波器开发了可对60、74、84和94 GHz进行频率合成和分离的多通道频分复用器，基于介质集成波导和人工表面等离激元开发了可对58、60、62和64 GHz进行频率合成和分离的多通道多支管频分复用器，单通道损耗小于3.8 dB。.项目团队经过努力取得了一系列创新成果：带宽在3%到15%的范围内可调的方向滤波器，95 GHz最大带宽达到15%，插损小于2.7 dB，为目前带宽最宽的方向滤波器；基于介质集成波导和人工表面等离激元的复合型窄带滤波器，利用非谐振结构实现带通滤波，具有尺寸小、矩形系数好的优势；将复合型窄带滤波器用于多支管频分复用器，由于不存在高阶谐振，而可以实现超宽带频分复用；首次使用IGZO肖特基二极管动态调控人工表面等离激元滤波器，动态调控性能世界领先。以上成果都有望用于毫米波和太赫兹通信和雷达系统中，如移动通信中的基站、卫星通信中的中继卫星和多波段雷达等。

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