毫米波间隙波导技术及FMCW反射功率对消系统应用研究

摘要

间隙波导技术是近年微波毫米波研究领域的一项新技术，它采用平行放置的金属良导体表面以及人工磁导体表面作为电磁屏蔽手段。两个表面无需直接的物理接触即可形成一个宽带的电磁禁带。目前，常见的间隙波导结构包括:脊间隙波导、槽间隙波导、倒置微带间隙波导等。脊间隙波导的主模为TEM模，与微带线类似。槽间隙波导的传输主模为准TE10模，与矩形波导类似。与微带线相比，脊间隙波导采用空气作为介质，具有较低的插入损耗。脊间隙波导又是一种封闭式传输线结构，具有更高的电磁兼容特性。与传统波导相比，槽间隙波导不需要直接的物理接触。这使得槽间隙波导具有更高的设计便利性，且无需考虑电气接触问题。因此，开展间隙波导技术研究具有重要价值。另一方面，单天线体制的毫米波FMCW反射功率对消技术是FMCW雷达技术的研究热点之一。本文结合间隙波导技术，对35GHz单天线FMCW反射功率对消技术以及FMCW单目标测距雷达系统开展了相应的研究。本文的主要研究进展包括以下几个方面:
　　1.对基于间隙波导技术的宽带阵列天线技术开展了相关的研究。目前，间隙波导阵列天线普遍采用脊间隙波导或者垂直极化槽间隙波导作为馈电方式，工作带宽低于15％。本文首次采用水平极化槽间隙波导作为馈电方式，成功研制了中心频率为35GHz的高效率8×8阵列天线。该天线由四层金属层构成。天线的最底层为由T型槽间隙波导功分器级连而成的4×4馈电网络。第二层为4×4相位调整层。该层通过改进的扭波导阵列解决了T型水平极化槽间隙波导功分器相位反相的问题。第三层为4×4槽间隙波导谐振腔层。第四层为8×8矩形窗口辐射单元阵列层。实测结果显示，阵列天线的工作频带为31.5GHz到39.7GHz(S11＜-10dB)，相对带宽达到23％。与已见报道的间隙波导阵列天线相比，有效展宽了工作带宽。天线的实测效率优于70％，与同类型天线相当。
　　2.在槽间隙波导的基础之上，提出了一种全槽间隙波导的结构。全槽间隙波导由四个独立的非接触金属构件构成，这大大提高了设计以及加工的灵活度。许多采用传统波导技术难以加工的电路结构采用全槽间隙波导技术可以很方便的完成。为了验证全槽间隙波导的电气性能，设计并加工了Ka波段全槽间隙波导以及Ka波段全槽间隙波导膜片滤波器。结果显示，全槽间隙波导电路在设计灵活性大大提高的情况下，保持了与传统矩形波导相当的电气性能。
　　3.采用间隙波导技术设计的器件，可以在不需要拆卸整体结构的情况下，实现核心部件的替换或者调节，从而可以很方便地调整电路性能。为了验证这一思路，本文设计了一款Ka波段耦合度可调节的缝隙耦合波导耦合器。通过替换在窄边开有不同倾斜角度的耦合缝隙的耦合板可以实现所需的耦合度。
　　4.间隙波导电路无需物理接触的特性使得电路子部件之间的相互位移成为可能。利用这一特性，本文研制了一种扭动角度可实时调节的矩形扭波导。该扭波导结构由多个具有非接触式法兰的矩形波导构成，可以实现±90°范围内的任意扭角。在平面非接触法兰的基础之上，提出了柱面非接触法兰，并成功研制了H面可弯折矩形波导以及可旋转矩形槽间隙波导到同轴线的转换器。该转换器与另一个传统波导同轴转换器级联即可构成一个宽带波导旋转关节。
　　5.以一维钉床作为慢波结构，提出了H面相位矫正喇叭天线，并开展了仿真设计与实验研究。间隙波导以二维钉床结构作为人工磁导体表面，该结构也是一种慢波结构。通过在H面喇叭天线中心线上加载慢波结构，喇叭天线中心区域的等效波长变短，从而降低了中心区域与边缘区域之间的相位差，在辐射口径实现较为均匀的等相位面。利用这种技术可以有效缩短最佳H面喇叭天线的长度，维持增益不变。
　　6.采用DDS结合固态倍频技术对Ka波段高线性度扫频源进行了方案设计和实验研究。本文采用ADI公司2.5GHz主频的DDS芯片AD9915作为直接数字频率合成器，采用TI公司DSP芯片TMS320VC5509A作为控制器，成功研制了DC-1GHz的超宽带高线性度扫频源。以此为基础，经过×2×8×3的倍频链倍频以及中等功率放大器放大之后，完成了Ka波段毫米波高线性度扫频源实验样品的研制。
　　7.对FMCW反射功率对消系统进行了理论分析并设计了反射功率对消实验验证系统。在系统设计过程中，对各个通路之间的延时做了相应的分析与优化，从而实现了较宽的对消带宽。另一方面，在控制环路设计中对环路带宽也做了相应的分析，从而优化了载波对消和相位噪声对消的综合效果。本文完成了35GHz FMCW反射功率对消系统的实验研究，实现了较宽的工作带宽，较好的静态以及扫频状态下泄漏功率对消比。
　　8.对FMCW雷达单目标测距开展了实验研究。完成了频率灵敏度控制电路设计，AD采样电路的设计，AD与DSP之间基于EDA技术以McBsp为接口的串行数据通信，基于DSP的中频信号处理，以及DSP与串口屏之间的通信。最后将FMCW扫频源、高效率间隙波导阵列天线、反射功率对消器以及上述信号处理等相关电路进行系统集成，形成了一个简单的FMCW测距雷达系统，实现了单目标测距功能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 间隙波导基本结构及分类

1．2．1 非接触电磁带隙结构

1．2．2 间隙波导结构及其分类

1．3 间隙波导技术在微波毫米波器件设计中的应用现状

1．4 间隙波导技术在天线设计中的应用

1．5 毫米波扫频源发展概况

1．6 FMCW雷达反射功率对消研究现状

1．7 本文研究内容

1．8 论文结构安排

参考文献

第二章 基于宽带槽间隙波导馈电网络技术的阵列天线研究

2．1 引言

2．2 间隙波导技术原理分析

2．2．1 平行PEC-PMC电磁带隙结构

2．2．2 间隙波导人工磁导体表面

2．3 宽带槽间隙波导阵列天线设计方案

2．4 阵列天线电磁带隙结构研究

2．4．1 电磁带隙结构初始尺寸确定

2．4．2 电磁带隙结构的参数化研究

2．5 馈电网络设计

2．6 改进型极化转换设计方案

2．7 基本辐射单元设计

2．8 8×8阵列天线整体集成与性能仿真

2．8．1 4×4阵列天线集成以及仿真分析

2．8．2 8×8阵列天线集成以及仿真分析

2．9 8×8阵列天线测试结果

2．10 本章小结

参考文献

第三章 基于间隙波导技术的新型微波毫米波器件研究

3．1 引言

3．2 全槽间隙波导膜片滤波器

3．2．1 全槽间隙波导概念

3．2．2 Ka频段全槽间隙波导

3．2．3 全槽间隙波导膜片带通滤波器

3．3 耦合度可调槽间隙波导耦合器

3．3．1 缝隙耦合器原理分析

3．3．2 槽间隙波导耦合器

3．3．3 槽间隙波导耦合器测试结果

3．4 H面慢波相位矫正喇叭天线

3．4．1 加载容性金属柱慢波矩形波导

3．4．2 H面慢波相位矫正喇叭天线

3．4．3 H面慢波相位矫正喇叭天线测试结果

3．5 本章小结

参考文献

第四章 基于非接触波导法兰技术的间隙波导器件研究

4．1 引言

4．2 实时可旋转扭波导

4．2．1 实时可旋转扭波导

4．2．2 非接触法兰屏蔽性能分析

4．2．3 实时可旋转扭波导测试结果

4．3 可弯折矩形波导

4．3．1 可弯折矩形波导

4．3．2 可弯折矩形波导测试结果

4．4 可旋转矩形槽间隙波导到同轴线过渡电路

4．4．1 可旋转矩形槽间隙波导到同轴线过渡电路设计

4．4．2 可旋转矩形槽间隙波导到同轴线过渡电路测试结果

4．5 本章小结

参考文献

第五章 毫米波线性扫频源技术及其实验研究

5．1 引言

5．2 基于AD9915的DDS扫频源

5．2．1 DDS技术简介

5．2．2 DDS内核简介

5．2．3 AD9915简介

5．2．4 L波段DDS扫频源电路

5．3 2．4GHz倍频链测试结果

5．4 DDS扫频源测试结果

5．4．1 AD9915输出信号相位噪声测试结果

5．4．2 AD9915输出信号功率测试结果

5．5 35GHz线性扫频源设计与测试

5．5．1 倍频链设计与测试

5．5．2 倍频链测试结果

5．5．3 35GHz扫频源测试结果

5．6 Ka波段功率放大器设计与测试

5．7 35GHz功率放大扫频源测试结果

5．8 本章小结

参考文献

第六章 35GHz FMCW反射功率对消以及测距系统实验研究

6．1 引言

6．2 反射功率对消技术基本原理

6．2．1 开环反射功率对消系统

6．2．2 闭环自适应反射功率对消系统

6．3 系统延时对反射功率对消系统性能的影响

6．3．1 路径延时对工作带宽的影响

6．3．2 环路延时对对消深度的影响分析

6．3．3 射频路径延时对相位噪声对消的影响

6．4 FMCW雷达测距原理

6．5 反射功率对消系统子部件研究

6．5．1 功率分配单元

6．5．2 低噪声放大器模块

6．5．3 反射型移相器

6．5．4 监测耦合器

6．5．5 中频控制电路

6．5．6 矢量调制器

6．6 反射功率对消系统测试

6．6．1 功率分配测试结果

6．6．2 静态对消测试结果

6．6．3 扫频状态对消测试效果

6．6．4 噪声对消测试结果

6．7 频率灵敏度控制电路设计及测试

6．7．1 频率灵敏度控制电路设计

7．3．2 频率灵敏度控制电路测试

6．8 采样以及信号处理板设计

6．8．2 ADS1601与TMS320VC5509A串口通信

6．8．3 PCB板设计

6．9 FMCW雷达测距实验结果

6．10 本章小结

参考文献

第七章 结束语

7．1 论文工作总结

7．2 未来工作展望

作者简介