W波段及E波段寬帶混頻技術與應用研究.pdf

1、W波段覆蓋75-110GHz的電磁頻譜，是重要的毫米波大氣窗口所在頻段，二十世紀80年代以來一直備受世界各國研究機構及應用部門的關注。E波段工作頻率60-90GHz，包括60GHz和77GHz兩個開放頻段，近年來在民用方面引發(fā)持續(xù)研究熱潮?；祛l器是雷達、通信、測量、電子對抗、射電天文等應用系統(tǒng)中的核心部件之一，毫米波混頻理論與技術研究對于毫米波技術及應用系統(tǒng)的發(fā)展起著至關重要的作用。隨著超高速率數據傳輸技術、空間技術、軍事與民用通信技術

2、的迅猛發(fā)展，對微波毫米波系統(tǒng)的工作帶寬提出了越來越高的要求，超寬帶毫米波器件相關理論與技術研究成為當前富有挑戰(zhàn)性的的前沿課題。本文立足國內現有技術條件，以實現高性能W波段及E波段寬帶混頻器為目標，針對直接影響超寬帶混頻電路性能的關鍵技術問題，從Schottky器件毫米波寬帶等效電路模型、寬帶基波和高次諧波混頻電路方案、寬帶高次諧波混頻器分析設計新方法以及關鍵工藝技術等方面進行了深入研究，多項關鍵技術取得重要研究進展，研制成功了W波段寬帶

3、基波和全波段八次諧波混頻器、E波段全頻帶七次諧波混頻器、W波段組件型和集成小型化的正交混頻器等一批性能優(yōu)良的寬帶及全波段毫米波混頻器硬件實物，并將低損耗基波混頻器應用于W波段雷達射頻前端設計，研制成功了高性能的射頻前端子系統(tǒng)。本文研究進展包括以下內容:
　　1、建立Schottky混頻管精確的寬帶等效電路模型是優(yōu)化設計寬帶混頻電路的重要前提。本文以UMS公司的DBES105a串聯雙Schottky結混頻二極管為研究對象，總結吸取前

4、人大量的研究工作基礎，根據二極管物理特性和結構特點，提出了分區(qū)全波分析結合電路擬合求解的等效電路建模方法，將二極管芯片無源區(qū)域分為焊盤、金指等多個部分，分別提取各自寄生參數，導入包含有源區(qū)域模型的等效電路模型中，對各個等效電路參數進行擬合優(yōu)化，建立了充分考慮芯片封裝效應的二極管寬帶等效電路模型。利用該模型對二極管特性所做的仿真計算結果與實測結果一致性優(yōu)良，為后續(xù)多種毫米波寬帶混頻器電路的優(yōu)化設計提供了可靠的有源器件等效電路模型。同時，本

5、文對寬帶混頻器電路設計中所涉及到的采用平衡二極管對的基本混頻電路結構、緊湊寬阻帶濾波器、寬帶波導至微帶過渡等共同問題進行了深入研究，為寬帶混頻電路結構設計和電路優(yōu)化做了實用的鋪墊。
　　2、利用上述Schottky二極管等效電路模型，基于混合集成電路技術研制成功了以單級定向耦合器和二級級聯定向耦合器為混合電路的W波段寬帶基波混頻器。采取非標準高阻抗微帶線的分支線定向耦合器的電路方案，克服了W波段3dB耦合器耦合臂帶線寬度相對于耦合

6、臂長度過寬的問題。優(yōu)化設計了匹配電路網絡，采用單耦合器的W波段基波混頻器實驗樣品測試結果表明，在91～97GHz頻段內變頻損耗小于10dB。針對單級混合電路的混頻器實驗研究中出現的工作帶寬相對較窄、周期性變頻損耗尖峰現象、只能應用于下變頻系統(tǒng)等不足，提出了改進的兩級級聯非標準定向耦合器結構的混頻器電路方案，其中采取了Schottky二極管芯附近就近接地和多路接地、增加90°相移線等電路設計改進方案。利用HFSS全波分析與ADS電路仿真相

7、結合的設計技術，對改進后的基波混頻器總體電路進行了仿真優(yōu)化設計?；诜抡嬖O計參數，加工制作了改進的寬帶混頻器電路，解決了高精度芯片焊裝等工藝技術。研制完成的混頻器工作頻帶覆蓋81～102GHz頻段，測試得到變頻損耗小于10dB，在94GHz附件頻點，變頻損耗低至6dB左右，實現了優(yōu)良的寬頻帶、低變頻損耗特性，可直接應用于W波段射頻前端的研制。
　　3、對基于波導內同向串聯二極對管平衡結構的E波段全波段七次諧波混頻器進行了電路理論分

8、析與實驗研究，并對諧波混頻器用于倍頻輸出進行了分析與實驗驗證。奇次諧波混頻器與偶次諧波混頻器一樣，可以使閑散頻率分量減少一半，而且它在結構上實現RF波導主模與LO微帶主模的模式正交隔離，同時為RF、LO、IF信號提供寬帶接地回路。通過在軟基片上制作大面積金屬化接地通孔實現了波導內二極管終端RF信號良好接地，避免了金帶鍵合裝配方案引入的人為因素影響。IF端低通濾波器采用改進的兩級級聯CMRC結構，相比于階躍阻抗低通濾波器不僅消除了寄生通帶

9、影響，而且濾波器尺寸縮小了64％。實驗結果表明，所設計的七次諧波混頻器在整個E波段60-90GHz頻率范圍內變頻損耗小于26.2dB，最低變頻損耗16.7dB。當作為二倍頻應用時，在輸入功率為20dBm條件下，在50GHz～68GHz寬頻段內實測得到輸出功率典型值4dBm。
　　4、提出了基于負載牽引技術的毫米波混頻器電路分析設計方法，該方法可以方便地分析獲取最低變頻損耗時的最佳RF端和LO端負載阻抗特性。將該方法成功地應用于W波

10、段八次諧波混頻器的匹配電路網絡的分析設計。在混頻器各端口分別設計寬帶四線耦合帶通濾波器、新型CMRC低通濾波器、超寬阻帶DGS低通濾波器，以抑制寬帶八次諧波混頻器中各次閑散頻率分量。實驗結果表明，八次諧波混頻器在89～99GHz頻率范圍內變頻損耗小于23.2dB，最低變頻損耗17.4dB。
　　為了進一步展寬混頻器工作帶寬，提出了兩級級聯RF四分之一波長匹配線代替原混頻器中LO四分之一波長匹配線的頻帶擴展方案，同時根據新方案的IF

11、回路特點對混頻器電路結構作了相應改進。實驗結果表明，改進后的八次諧波混頻器在75～110GHz全波段內變頻損耗典型值23dB，最小變頻損耗18dB。該混頻器在W全波段的變頻損耗特性與國外同類產品相當，可直接應用于W波段寬帶測量等應用系統(tǒng)。
　　5、W波段IQ正交混頻器在W波段雷達、通信系統(tǒng)中有著重要應用價值，但由于W波段信號波長短，相位難于精確控制，因此實現高性能的W波段IQ混頻器面臨較大的設計與實現技術困難。本文在W波段IQ混頻

12、器實現技術方面做了深入研究，采用組件形式和集成一體化形式的電路結構研制成功了兩種W波段IQ混頻器實驗樣品。設計了窄邊多孔耦合寬帶3dB正交耦合器和H面寬帶3dB波導功分器，將其與兩只上述W波段基波混頻器模塊相組合，實現了組件形式的W波段正交混頻器。針對W波段結構件與電路加工和裝配誤差難以控制，正交性難以精確實現的問題，提出了相移調配方案。實驗結果表明，組件式正交混頻器在86～98GHz頻段內變頻損耗在10～13dB，幅度不平衡度優(yōu)于±2

13、dB。采用外接中頻正交耦合器的方法進行了鏡像抑制混頻器的實驗研究，當中頻信號為100MHz時，實測得到變頻損耗11dB，鏡頻抑制度典型值17dB，最高達到34.9dB。
　　在組件形式的正交混頻器研究基礎上，提出了集成一體化的W波段正交混頻器設計方案。采用混合集成電路技術實現一體化的正交耦合器、功分器和兩路單平衡混頻器整體電路，在結構設計上，采用分隔腔體等措施解決電路各部分的電磁耦合及可能出現的寄生諧振問題。建立了一體化電磁仿真模

14、型進行優(yōu)化設計，消除了子電路分界面處不連續(xù)性的影響。實驗結果表明，集成一體化的W波段正交混頻器在90.5～98.5GHz頻段內變頻損耗在10～13dB，幅度不平衡度優(yōu)于±2dB。將其與中頻正交耦合器組合構成鏡像抑制混頻器，當中頻信號為100MHz時，實測得到變頻損耗12dB，鏡頻抑制度典型值15dB，最高達到34.3dB。
　　6、應用本文所研制的W波段高性能基波混頻器，進行了W波段雷達射頻前端系統(tǒng)的研制。根據射頻前端系統(tǒng)整體技術

15、指標要求，充分考慮各級有源器件最大輸入功率、飽和輸出功率等特性，合理分配各級電路功率電平，完成了前端系統(tǒng)的總體技術方案分析設計。采用接收和發(fā)射本振信號異頻方案，有效解決了二次變頻超外差系統(tǒng)中鏡頻干擾問題。對射頻前端系統(tǒng)中發(fā)射、接收和本振源鏈路的核心功能模塊進行了深入研究，解決了W波段固態(tài)放大器匹配電路設計、模塊腔體結構設計、放大器微組裝工藝等關鍵技術，研制成功了W波段高增益低噪放、中功放、本振驅動放大器等射頻模塊，將上述W波段基波混頻器