短毫米波宽带倍频与谐波混频技术研究

摘要

短毫米波固态倍频器和混频器作为短毫米波通信、雷达、测量、电子对抗等宽带应用系统的核心部件，其宽带响应特性对整个系统的性能起着决定性的作用。针对基于肖特基二极管的毫米波宽带倍频器设计中容易出现的功率凹点问题以及宽带混频器设计中常见的变频损耗峰值点问题，本文基于Schottky二极管宽带精确模型，以实现低成本高性能宽带倍频与混频器为目标，在深入研究影响倍频电路与混频电路宽带响应特性主要因素的基础上，提出了有效的分析与解决方法，并应用于W波段、D波段以及G波段宽带倍频器和W波段二次谐波混频器的研制中。本文主要研究进展包括： 1.短毫米波多通道阵列式成像系统推广应用中，高昂的器件成本已成为制约其发展的主要问题。为了采用低成本的Schottky二极管研制出高性价比的倍频与混频器件，本文采用场路结合的方法，针对MACOM公司的MA4E1310和Alpha公司的DMK2308两种Schottky二极管，利用HFSS结合ADS软件，建立了包含封装材料寄生效应和管芯非线性特性的宽带精确模型，基于该模型设计了两款宽带倍频器测试样品，在50~110GHz范围内的输出功率测试结果与仿真结果一致性良好，从而验证了这两种Schottky二极管宽带精确模型的正确性，为后续多种毫米波宽带倍频器以及混频器电路的优化设计打下了重要基础。 2.提出了基于传输系数极小点全波仿真技术的毫米波宽带倍频器功率凹点问题的分析方法。采用无源电路全尺寸三维电磁模型结合Schottky管宽带精确模型，通过分析基波信号从射频输入端口到肖特基结集总端口（lumpport）以及谐波信号从肖特基结集总端口到射频输出端口之间在宽频带范围内的传输特性，直观地找出产生传输系数极小点的电路关键部位及具体尺寸。通过实验测试验证了传输系数极小点与倍频器功率凹点之间的对应关系。利用该方法，可以快速移除指定工作频带范围内的输出功率凹点，为宽带倍频电路的设计提供了一种有效的优化设计方法。 3.针对采用较低截止频率的Schottky二极管设计的W波段全波段三倍频器高端性能下降的问题，在传统“去嵌入法”提取二极管等效电路参数工作基础上，改进了阻抗参数提取方法。针对DBES105a二极管，将管子封装、焊盘（安装二极管的微带端线）及邻近的腔体空间作为一个子区域进行三维建模分析，结合Schottky结的非线性模型，深入研究了焊盘尺寸、管子安装高度及腔体尺寸对输入输出阻抗宽带特性的影响。采用上述基于传输系数极小点的功率凹点分析方法，仿真分析了基波和谐波信号传输系数极小点随关键尺寸的变化规律，优化设计了W波段宽带无源三倍频器。实验测试结果表明，倍频器在W波段全波段的输出功率为5±1.25dBm。另外，对由MA4E1310组成的反向并联二极管对和DMK2308二极管也作了相应的仿真分析与实验研究，测试结果表明，两款倍频器输出功率在W波段全波段无明显功率凹点。以上实验验证了本文提出的宽带倍频电路设计方法的有效性。 4.为了提高短毫米波段Schottky固态器件倍频器的功率容量，提出了将同向并联的两个串联型双肖特基管连同其安装微带焊盘作为一个整体的功分/合成单元的全波分析设计方法，采用无源结构三维全尺寸电磁模型与分布式多肖特基管芯精确模型相结合的一体化仿真分析技术，以宽频带内提高基波功分效率和谐波合成效率为目标，优化设计安装二极管的焊盘尺寸及分布间距。采用这种方法，优化设计了D波段和G波段宽带二倍频器电路参数并进行了实验研究。D波段二倍频器在20dBm激励功率下，在135~160GHz频段内的输出功率2.0~7.0dBm，其中140~150GHz频段内输出功率6±1dBm；G波段二倍频器在W波段17dBm的功率激励下，在166~188GHz的频率范围内的输出功率0.5±2.5dBm。 5.为了解决传统的波导多孔耦合器分析设计公式复杂、计算量大并且在短毫米波段工艺实现难度大的问题，提出了一种基于等间距分布、等半径多孔结构的短毫米波段波导定向耦合器的快速设计方法。优化设计了W波段10dB和8.5dB全波段波导定向耦合器，测试所得耦合系数平坦度、附加损耗等参数的宽带性能优良，验证了所提出的设计方法的有效性。为实现W波段信号从波导到微带高平坦度、全波段的波导-对脊鳍线-微带转换，采用了金属化通孔抑制高次模，并分析了金属化通孔关键尺寸参数对转换结构频响特性曲线的影响，研制了基于不同长度的背靠背波导-对极鳍线-微带转换结构实验样品，测试结果显示，在整个W频段，背靠背波导-对极鳍线-微带转换结构具有优良平坦的传输特性。 6.在全面分析谐波混频器本振信号和射频信号从输入端到混频管肖特基结耦合效率的基础上，提出了基于传输系数全波分析技术的短毫米波宽带二次谐波混频器变频损耗峰值问题的分析与解决方法。根据仿真分析，指出本振和射频信号到肖特基结lumpport端的传输系数极小点是形成变频损耗峰值点的主要原因。基于DBES105a与MA4E1310肖特基管的精确模型及其所构成的反向并联二极管对电路模型，通过移除工作频带内的传输谷点，优化设计了不同的电路拓扑结构的W波段宽带二次谐波混频器，并进行了实验研究。实测结果表明，基于DBES105a肖特基管的混频器在85~108GHz射频频率范围内变频损耗为12.5±2.5dB；基于MA4E1310肖特基管的混频器在80~100GHz射频频率范围内的变频损耗为16.5±2.5dB。测试结果与仿真结果一致性较好，表明所提出的分析设计方法的正确性和有效性。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外发展现状

1.2.1 Schottky二极管

1.2.2 短毫米波段倍频器

1.2.3 短毫米波段混频器

1.3 主要研究内容

1.4 论文结构安排

参考文献：

第2章 Schottky二极管毫米波段宽带精确模型的研究

2.1 引言

2.2 Schottky二极管精确模型建模一般方法

2.2.1 Schottky二极管主要特性

2.2.2 Schottky二极管一般模型

2.3 MA4E1310 Schottky二极管宽带精确模型

2.4 DMK2308 Schottky二极管宽带精确模型

2.5 二极管宽带精确模型的实验验证

2.6 本章小结

参考文献：

第3章 基于传输系数全波分析的毫米波宽带倍频电路 功率凹点问题研究

3.1 引言

3.2 基于传输系数极小点全波仿真技术的倍频器功率凹点问题的分析

3.2.1 传输系数极小点和倍频器功率凹点的关系

3.2.2 单管芯Schottky管倍频电路中传输特性仿真分析

3.2.3 串联Schottky结倍频电路中传输特性仿真分析

3.2.4 反向并联Schottky结倍频电路中传输特性仿真分析

3.2.5 引起传输系数极小点关键尺寸参数分析

3.3 短路枝节匹配条件下的倍频电路的传输特性分析

3.4 实测功率凹点和传输系数极小点的对应关系

3.5 本章小结

参考文献

第4章 基于Schottky管安装环境三维模型的W波段宽带三倍频器研究

4.1 引言

4.2 基于DBES105a二极管的W波段全波段三倍频器

4.2.1 W波段三倍频器设计方案

4.2.2 W波段三倍频器分区建模仿真

4.2.3 W波段三倍频器实验研究

4.3 基于MA4E1310以及DMK2308二极管的W波段宽带三倍频器

4.4 本章小结

参考文献:

第5章 D波段和G波段宽带二倍频器研究

5.1 引言

5.2 二倍频原理分析

5.3 二极管及其焊盘模型一体化模型功分合成网络分析

5.4 D波段和G波段宽带二倍频器设计

5.4.1 D波段二倍频器设计分析

5.4.2 G波段二倍频器设计分析

5.5 D波段和G波段宽带二倍频器实验研究

5.5.1 D波段二倍频器输出功率测试

5.5.2 G波段二倍频器输出功率测试

5.6 本章小结

参考文献

第6章 W波段全波段波导定向耦合器及波导鳍线过渡研究

6.1 引言

6.2 波导定向耦合器的理论

6.3 W波段波导耦合器的简化设计

6.3.1 W波段波导定向耦合器的设计

6.3.2 W波段定向耦合器的实验研究

6.4 W波段波导-对极鳍线-微带过渡传输线研究

6.5 本章小结

参考文献

第7章 W波段宽带二次谐波混频器研究

7.1 引言

7.2 基于DBES105a二极管的W波段宽带谐波混频器研究

7.2.1 二次谐波混频器原理

7.2.2 分区域仿真设计

7.2.3 基于全波仿真技术混频器变频损耗峰值点分析

7.3 基于MA4E1310二极管的W波段宽带谐波混频器研究

7.3.1 分区优化设计

7.3.2 基于全波仿真技术混频器变频损耗峰值点分析

7.4 W波段宽带二次谐波混频器实验研究

7.4.1 基于DBES105a二极管W波段宽带谐波混频器实验研究

7.4.2 基于MA4E1310二极管W波段宽带谐波混频器实验研究

7.5 本章小结

参考文献

第8章 结束语

8.1 论文工作总结

8.2 未来工作展望

致谢

作者简介