W波段及E波段宽带混频技术与应用研究

摘要

W波段覆盖75-110GHz的电磁频谱，是重要的毫米波大气窗口所在频段，二十世纪80年代以来一直备受世界各国研究机构及应用部门的关注。E波段工作频率60-90GHz，包括60GHz和77GHz两个开放频段，近年来在民用方面引发持续研究热潮。混频器是雷达、通信、测量、电子对抗、射电天文等应用系统中的核心部件之一，毫米波混频理论与技术研究对于毫米波技术及应用系统的发展起着至关重要的作用。随着超高速率数据传输技术、空间技术、军事与民用通信技术的迅猛发展，对微波毫米波系统的工作带宽提出了越来越高的要求，超宽带毫米波器件相关理论与技术研究成为当前富有挑战性的的前沿课题。本文立足国内现有技术条件，以实现高性能W波段及E波段宽带混频器为目标，针对直接影响超宽带混频电路性能的关键技术问题，从Schottky器件毫米波宽带等效电路模型、宽带基波和高次谐波混频电路方案、宽带高次谐波混频器分析设计新方法以及关键工艺技术等方面进行了深入研究，多项关键技术取得重要研究进展，研制成功了W波段宽带基波和全波段八次谐波混频器、E波段全频带七次谐波混频器、W波段组件型和集成小型化的正交混频器等一批性能优良的宽带及全波段毫米波混频器硬件实物，并将低损耗基波混频器应用于W波段雷达射频前端设计，研制成功了高性能的射频前端子系统。本文研究进展包括以下内容:
　　1、建立Schottky混频管精确的宽带等效电路模型是优化设计宽带混频电路的重要前提。本文以UMS公司的DBES105a串联双Schottky结混频二极管为研究对象，总结吸取前人大量的研究工作基础，根据二极管物理特性和结构特点，提出了分区全波分析结合电路拟合求解的等效电路建模方法，将二极管芯片无源区域分为焊盘、金指等多个部分，分别提取各自寄生参数，导入包含有源区域模型的等效电路模型中，对各个等效电路参数进行拟合优化，建立了充分考虑芯片封装效应的二极管宽带等效电路模型。利用该模型对二极管特性所做的仿真计算结果与实测结果一致性优良，为后续多种毫米波宽带混频器电路的优化设计提供了可靠的有源器件等效电路模型。同时，本文对宽带混频器电路设计中所涉及到的采用平衡二极管对的基本混频电路结构、紧凑宽阻带滤波器、宽带波导至微带过渡等共同问题进行了深入研究，为宽带混频电路结构设计和电路优化做了实用的铺垫。
　　2、利用上述Schottky二极管等效电路模型，基于混合集成电路技术研制成功了以单级定向耦合器和二级级联定向耦合器为混合电路的W波段宽带基波混频器。采取非标准高阻抗微带线的分支线定向耦合器的电路方案，克服了W波段3dB耦合器耦合臂带线宽度相对于耦合臂长度过宽的问题。优化设计了匹配电路网络，采用单耦合器的W波段基波混频器实验样品测试结果表明，在91～97GHz频段内变频损耗小于10dB。针对单级混合电路的混频器实验研究中出现的工作带宽相对较窄、周期性变频损耗尖峰现象、只能应用于下变频系统等不足，提出了改进的两级级联非标准定向耦合器结构的混频器电路方案，其中采取了Schottky二极管芯附近就近接地和多路接地、增加90°相移线等电路设计改进方案。利用HFSS全波分析与ADS电路仿真相结合的设计技术，对改进后的基波混频器总体电路进行了仿真优化设计。基于仿真设计参数，加工制作了改进的宽带混频器电路，解决了高精度芯片焊装等工艺技术。研制完成的混频器工作频带覆盖81～102GHz频段，测试得到变频损耗小于10dB，在94GHz附件频点，变频损耗低至6dB左右，实现了优良的宽频带、低变频损耗特性，可直接应用于W波段射频前端的研制。
　　3、对基于波导内同向串联二极对管平衡结构的E波段全波段七次谐波混频器进行了电路理论分析与实验研究，并对谐波混频器用于倍频输出进行了分析与实验验证。奇次谐波混频器与偶次谐波混频器一样，可以使闲散频率分量减少一半，而且它在结构上实现RF波导主模与LO微带主模的模式正交隔离，同时为RF、LO、IF信号提供宽带接地回路。通过在软基片上制作大面积金属化接地通孔实现了波导内二极管终端RF信号良好接地，避免了金带键合装配方案引入的人为因素影响。IF端低通滤波器采用改进的两级级联CMRC结构，相比于阶跃阻抗低通滤波器不仅消除了寄生通带影响，而且滤波器尺寸缩小了64％。实验结果表明，所设计的七次谐波混频器在整个E波段60-90GHz频率范围内变频损耗小于26.2dB，最低变频损耗16.7dB。当作为二倍频应用时，在输入功率为20dBm条件下，在50GHz～68GHz宽频段内实测得到输出功率典型值4dBm。
　　4、提出了基于负载牵引技术的毫米波混频器电路分析设计方法，该方法可以方便地分析获取最低变频损耗时的最佳RF端和LO端负载阻抗特性。将该方法成功地应用于W波段八次谐波混频器的匹配电路网络的分析设计。在混频器各端口分别设计宽带四线耦合带通滤波器、新型CMRC低通滤波器、超宽阻带DGS低通滤波器，以抑制宽带八次谐波混频器中各次闲散频率分量。实验结果表明，八次谐波混频器在89～99GHz频率范围内变频损耗小于23.2dB，最低变频损耗17.4dB。
　　为了进一步展宽混频器工作带宽，提出了两级级联RF四分之一波长匹配线代替原混频器中LO四分之一波长匹配线的频带扩展方案，同时根据新方案的IF回路特点对混频器电路结构作了相应改进。实验结果表明，改进后的八次谐波混频器在75～110GHz全波段内变频损耗典型值23dB，最小变频损耗18dB。该混频器在W全波段的变频损耗特性与国外同类产品相当，可直接应用于W波段宽带测量等应用系统。
　　5、W波段IQ正交混频器在W波段雷达、通信系统中有着重要应用价值，但由于W波段信号波长短，相位难于精确控制，因此实现高性能的W波段IQ混频器面临较大的设计与实现技术困难。本文在W波段IQ混频器实现技术方面做了深入研究，采用组件形式和集成一体化形式的电路结构研制成功了两种W波段IQ混频器实验样品。设计了窄边多孔耦合宽带3dB正交耦合器和H面宽带3dB波导功分器，将其与两只上述W波段基波混频器模块相组合，实现了组件形式的W波段正交混频器。针对W波段结构件与电路加工和装配误差难以控制，正交性难以精确实现的问题，提出了相移调配方案。实验结果表明，组件式正交混频器在86～98GHz频段内变频损耗在10～13dB，幅度不平衡度优于±2dB。采用外接中频正交耦合器的方法进行了镜像抑制混频器的实验研究，当中频信号为100MHz时，实测得到变频损耗11dB，镜频抑制度典型值17dB，最高达到34.9dB。
　　在组件形式的正交混频器研究基础上，提出了集成一体化的W波段正交混频器设计方案。采用混合集成电路技术实现一体化的正交耦合器、功分器和两路单平衡混频器整体电路，在结构设计上，采用分隔腔体等措施解决电路各部分的电磁耦合及可能出现的寄生谐振问题。建立了一体化电磁仿真模型进行优化设计，消除了子电路分界面处不连续性的影响。实验结果表明，集成一体化的W波段正交混频器在90.5～98.5GHz频段内变频损耗在10～13dB，幅度不平衡度优于±2dB。将其与中频正交耦合器组合构成镜像抑制混频器，当中频信号为100MHz时，实测得到变频损耗12dB，镜频抑制度典型值15dB，最高达到34.3dB。
　　6、应用本文所研制的W波段高性能基波混频器，进行了W波段雷达射频前端系统的研制。根据射频前端系统整体技术指标要求，充分考虑各级有源器件最大输入功率、饱和输出功率等特性，合理分配各级电路功率电平，完成了前端系统的总体技术方案分析设计。采用接收和发射本振信号异频方案，有效解决了二次变频超外差系统中镜频干扰问题。对射频前端系统中发射、接收和本振源链路的核心功能模块进行了深入研究，解决了W波段固态放大器匹配电路设计、模块腔体结构设计、放大器微组装工艺等关键技术，研制成功了W波段高增益低噪放、中功放、本振驱动放大器等射频模块，将上述W波段基波混频器分别作为发射链路中的上变频器和接收链路中的下变频器，研制成功了高性能二次变频雷达射频前端收发系统。实验结果表明，发射机在W波段输出功率16.5dBm，含有SPST保护开关的接收机噪声系数7.2dB，接收机增益大于45dB，收发系统整体杂散抑制度大于70dBc。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外发展现状

1．2．1 肖特基二极管

1．2．2 基波混频器

1．2．3 W波段谐波混频器

1．3 本文研究内容

1．4 论文结构安排

参考文献

第2章 肖特基二极管等效电路模型和平衡管对结构研究

2．1 引言

2．2 平面肖特基二极管等效电路研究

2．2．1 肖特基二极管物理结构分析

2．2．2 等效电路模型与分区寄生参数提取

2．3 二极管混频原理

2．4 平衡二极管对结构的混频和倍频研究

2．4．1 平衡二极管对混频器

2．4．2 平衡二极管对倍频器

2．4．3 平衡结构汇总分析

2．5 本章小结

参考文献

第3章 宽带混频器中高性能滤波器和过渡结构分析设计

3．1 引言

3．2 紧凑低通滤波器(CMRC结构)

3．3 超宽阻带低通滤波器(DGS结构)

3．4 W波段宽带四线耦合带通滤波器

3．5 毫米波宽带波导-微带过渡设计

3．5．1 紧凑鳍线结构

3．5．2 低插损探针结构

3．6 背靠背结构S参数估算误差分析和实验研究

3．7 本章小结

参考文献

第4章 W波段宽带低变频损耗基波混频器研究

4．1 引言

4．2 基波混频原理分析

4．2．1 下变频分析

4．2．2 上变频分析

4．2．3 噪声分析

4．3 W波段90°相移型混频器设计

4．3．1 设计方案

4．3．2 W波段微带定向耦合器

4．3．3 其它无源电路设计

4．3．4 二极管阻抗匹配

4．3．5 整体电路仿真

4．4 W波段90°相移型混频器实验研究

4．5 W波段180°相移型混频器设计

4．5．1 IF回路分析与改进

4．5．2 RF带宽改进

4．5．3 上变频应用改进

4．5．4 整体电路结构

4．6 W波段180°相移型混频器实验研究

4．6．1 变频损耗测试

4．6．2 RF信号1dB压缩点测试

4．6．3 最佳LO功率电平测试

4．7 本章小结

参考文献

第5章 E波段全波段七次谐波混频器及其二倍频应用研究

5．1 引言

5．2 奇次谐波混频原理分析

5．3 E波段七次谐波混频器设计

5．3．1 电路结构

5．3．2 二极管阻抗计算

5．3．3 RF输入电路设计

5．3．4 LO端频谱特征分析

5．3．5 IF端低通滤波器设计

5．4 E波段七次谐波混频器实验研究

5．4．1 混频器制作与装配

5．4．2 变频损耗测试

5．4．3 最佳LO功率电平测试

5．4．4 1dB压缩点测试

5．4．5 隔离度分析与测试

5．5 将混频器作为倍频器应用的理论与实验研究

5．5．1 原理分析

5．5．2 电路仿真

5．5．3 实验研究

5．6 本章小结

参考文献

第6章 W波段宽带和全波段八次谐波混频器研究

6．1 引言

6．2 偶次谐波混频器原理分析

6．3 W波段宽带八次谐波混频器设计

6．3．1 八次谐波混频器频谱特性分析

6．3．2 负载牵引法分析

6．3．3 宽带八次谐波混频器电路设计

6．4 W波段宽带八次谐波混频器实验研究

6．4．1 变频损耗测试

6．4．2 隔离度分析与测试

6．5 W波段全波段八次谐波混频器设计

6．5．1 工作带宽限制因素分析

6．5．2 改进后混频器设计方案

6．5．3 全波段八次谐波混频器电路设计

6．6 W波段全波段八次谐波混频器实验研究

6．6．1 变频损耗测试

6．6．2 最佳LO功率测试

6．6．3 1dB压缩点测试

6．7 本章小结

参考文献

第7章 W波段宽带正交混频器和应用研究

7．1 引言

7．2 组件式正交混频器

7．2．1 电路设计

7．2．2 实验研究

7．3 集成式正交混频器

7．3．1 电路设计

7．3．2 实验研究

7．4 正交混频器镜频抑制应用研究

7．4．1 镜频抑制度分析

7．4．2 镜像抑制混频器仿真结果

7．4．3 镜像抑制混频器实验研究

7．5 本章小结

参考文献

第8章 W波段雷达前端应用系统研究

8．1 引言

8．2 系统方案

8．3 发射链路设计

8．3．1 主要技术指标

8．3．2 发射链路方案

8．3．3 高增益发射功放设计

8．4 接收链路设计

8．4．1 主要技术指标

8．4．2 接收链路方案

8．5 本振源链路设计

8．5．1 主要技术指标

8．5．2 收发LO异频对杂散抑制分析

8．5．3 本振源电路设计

8．6 实验研究

8．6．1 发射机系统测试

8．6．2 接收机系统测试

8．7 本章小结

参考文献

第9章 结束语

9．1 论文工作总结

9．2 未来工作展望

致谢

作者简介