短毫米波寬帶射頻前端理論與關鍵技術研究.pdf

1、隨著超高速數(shù)據(jù)傳輸和高分辨率雷達成像技術的迅速發(fā)展，微波毫米波系統(tǒng)工作帶寬要求越來越高，W波段、D波段等短毫米波段頻譜資源開發(fā)利用備受關注，相關的寬帶射頻前端理論與關鍵技術研究已成為富有挑戰(zhàn)性的前沿課題。本文以實現(xiàn)短毫米波段寬帶高性能射頻前端為目標，針對目前寬帶射頻系統(tǒng)研究開發(fā)中普遍存在的若干理論與技術問題，在短毫米波寬帶接收機噪聲系數(shù)理論與精確測量方法、W波段低雜散射頻前端系統(tǒng)方案、W波段寬帶低噪聲下變頻器與接收組件的設計與實現(xiàn)技術、

2、W波段寬帶收發(fā)前端原理樣機研制以及D波段寬帶諧波混頻器研制等方面進行了深入研究。本文主要研究進展包括:
　　1、建立了寬帶非平衡信頻/鏡頻通道接收機的雙邊帶、單邊帶噪聲系數(shù)理論模型，將傳統(tǒng)的理想超外差接收機噪聲系數(shù)理論公式推廣到了非理想寬帶接收機情況，深入研究了通道不平衡度對接收機噪聲系數(shù)的影響，提出了相應的設計準則?；趥鹘y(tǒng)的測量噪聲系數(shù)的Y因子法和直接測量法，提出了適用于非平衡信頻/鏡頻通道接收機噪聲系數(shù)的精確測量方法，并通過

3、構(gòu)建三種W波段超外差接收機測量系統(tǒng)進行了實驗驗證。結(jié)果表明，通過Y因子法和直接測量法測得的噪聲系數(shù)均與推廣的理論模型相符合。將寬帶非平衡信頻/鏡頻通道接收機噪聲系數(shù)理論應用于高性能W波段寬帶下變頻器和寬帶接收組件的指標分配及硬件研制。
　　2、提出了將高增益低噪放芯片和基于反向并聯(lián)二極管對結(jié)構(gòu)的諧波混頻器一體化集成優(yōu)化的下變頻器設計方案，采用級間網(wǎng)絡匹配技術結(jié)合三維電磁仿真方法，解決了超寬帶W波段低噪放與二次諧波混頻電路增益平坦度

4、優(yōu)化的技術難題，實現(xiàn)了在89～101GHz范圍內(nèi)，變頻增益波動優(yōu)于±1.5dB、雙邊帶噪聲系數(shù)3.0～5.0dB的優(yōu)良技術指標。提出了一種帶有耦合檢波式自保護電路的寬帶接收組件設計方案。通過建立檢波二極管寬帶等效電路模型，完成了寬帶、低損耗的W波段耦合檢波式自保護電路的準確設計。在75～80GHz范圍內(nèi)，所研制的寬帶接收組件變頻增益大于11dB，增益波動在±1.6dB以內(nèi)，鏡頻抑制度遠大于40dB，技術指標均滿足雷達整機系統(tǒng)研制的要求。

5、
　　3、針對W波段寬帶FMCW探測雷達具體應用需求，提出了將雙本振架構(gòu)和二次變頻接收相結(jié)合的W波段寬帶射頻前端系統(tǒng)技術方案。基于相互獨立的異頻收發(fā)本振源，建立了系統(tǒng)分析模型，深入分析了系統(tǒng)各節(jié)點信號頻譜分布及其相位噪聲特性，提出采用雙本振架構(gòu)與二次變頻接收相結(jié)合的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，從原理上闡述了該總體方案實現(xiàn)相噪對消的可行性。在此基礎上，完成了系統(tǒng)關鍵指標的參數(shù)論證，并充分考慮各級有源器件和混頻倍頻模塊的電性能參數(shù)，合理分配了各級電

6、路功率，對其中存在的諧雜波頻譜及其濾除方法進行了深入分析，改善系統(tǒng)雜散抑制度，建立了低雜散W波段寬帶射頻前端系統(tǒng)方案。
　　4、提出了一種新型的緊湊型平面微帶低通濾波器電路，將中頻低通濾波器的阻帶高頻端拓展到40GHz，有效改善了二次變頻接收機中頻信號的頻譜純度。該濾波器中心區(qū)域由相互交叉耦合的三種扇形諧振器、兩種四分之一圓形諧振器和一系列高阻抗線組成，形成了2.3-10GHz的較寬阻帶和高滾降速率。通過增加三類加載半圓形貼片的高

7、阻抗線諧振器和一類折疊型階躍阻抗線諧振器，在Ka頻段產(chǎn)生了多個傳輸零點，從而將阻帶拓寬到18次諧波頻點以上。實測結(jié)果表明，所研制的中頻低通濾波器阻帶覆蓋范圍寬達2.2～40GHz，抑制度優(yōu)于25dB，滾降速率達到104dB/GHz，與已報道的國內(nèi)外同類濾波器相比，阻帶帶寬和滾降速率綜合性能具有明顯優(yōu)勢。
　　5、在W波段寬帶射頻前端系統(tǒng)研制中，將場路結(jié)合的一體化仿真方法應用于W波段二路合成三倍頻器的優(yōu)化設計，并提出了在本振鏈路和中

8、頻端聯(lián)合應用高阻帶抑制度帶通/低通濾波器的雜散抑制方案，解決了寬帶射頻前端系統(tǒng)帶內(nèi)平坦度優(yōu)化、雜散抑制等關鍵技術問題。對W波段功率合成三倍頻器的二極管匹配電路、輸入功分網(wǎng)絡、輸出合成網(wǎng)路進行聯(lián)合仿真優(yōu)化，實現(xiàn)了在10GHz帶寬范圍內(nèi)優(yōu)于±0.8dB的輸出功率平坦度。通過對金絲鍵合方式及其損耗特性的試驗研究，解決了接收本振信號在高端頻點功率偏低的問題，改善了增益的平坦度。通過在本振鏈路和中頻端同時配置具有高阻帶抑制特性的濾波器，大幅減少了

9、接收鏈路的諧雜波分量。將收發(fā)鏈路、本振鏈路射頻模塊集成聯(lián)調(diào)，完成了W波段寬帶射頻前端系統(tǒng)的研制。實驗結(jié)果表明，在10GHz帶寬范圍內(nèi)，射頻前端發(fā)射輸出功率為9.5dBm±1.0dB，接收增益波動在±1.8dB以內(nèi)，雙邊帶噪聲系數(shù)為3.7～5.1dB，收發(fā)系統(tǒng)整體雜散抑制度大于50dBc，整體閉環(huán)測試驗證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相噪抵消效果，可直接應用于W波段短距離探測系統(tǒng)。
　　6、提出了利用串聯(lián)雙肖特基結(jié)二極管的單結(jié)工作模式實現(xiàn)D波段二次諧

10、波混頻器的技術方案，建立了單結(jié)工作模式下包含無源寄生效應的二極管寬帶等效電路模型。將該模型和負載牽引技術相結(jié)合，快速獲得射頻端和本振端的最佳阻抗特性，進而優(yōu)化整體電路尺寸，獲得優(yōu)良的變頻損耗寬帶頻響特性。研制成功了低成本、高性能的D波段寬帶二次諧波混頻器，測試表明，在135～165GHz范圍內(nèi)，混頻器單邊帶變頻損耗為14±3dB，在140～160GHz范圍內(nèi)變頻損耗為12±1dB，中頻帶寬覆蓋0～20GHz，實驗結(jié)果驗證了二極管單結(jié)等效