毫米波間隙波導技術及FMCW反射功率對消系統(tǒng)應用研究.pdf

1、間隙波導技術是近年微波毫米波研究領域的一項新技術，它采用平行放置的金屬良導體表面以及人工磁導體表面作為電磁屏蔽手段。兩個表面無需直接的物理接觸即可形成一個寬帶的電磁禁帶。目前，常見的間隙波導結構包括:脊間隙波導、槽間隙波導、倒置微帶間隙波導等。脊間隙波導的主模為TEM模，與微帶線類似。槽間隙波導的傳輸主模為準TE10模，與矩形波導類似。與微帶線相比，脊間隙波導采用空氣作為介質，具有較低的插入損耗。脊間隙波導又是一種封閉式傳輸線結構，具有

2、更高的電磁兼容特性。與傳統(tǒng)波導相比，槽間隙波導不需要直接的物理接觸。這使得槽間隙波導具有更高的設計便利性，且無需考慮電氣接觸問題。因此，開展間隙波導技術研究具有重要價值。另一方面，單天線體制的毫米波FMCW反射功率對消技術是FMCW雷達技術的研究熱點之一。本文結合間隙波導技術，對35GHz單天線FMCW反射功率對消技術以及FMCW單目標測距雷達系統(tǒng)開展了相應的研究。本文的主要研究進展包括以下幾個方面:
　　1.對基于間隙波導技術的

3、寬帶陣列天線技術開展了相關的研究。目前，間隙波導陣列天線普遍采用脊間隙波導或者垂直極化槽間隙波導作為饋電方式，工作帶寬低于15％。本文首次采用水平極化槽間隙波導作為饋電方式，成功研制了中心頻率為35GHz的高效率8×8陣列天線。該天線由四層金屬層構成。天線的最底層為由T型槽間隙波導功分器級連而成的4×4饋電網(wǎng)絡。第二層為4×4相位調(diào)整層。該層通過改進的扭波導陣列解決了T型水平極化槽間隙波導功分器相位反相的問題。第三層為4×4槽間隙波導諧

4、振腔層。第四層為8×8矩形窗口輻射單元陣列層。實測結果顯示，陣列天線的工作頻帶為31.5GHz到39.7GHz(S11＜-10dB)，相對帶寬達到23％。與已見報道的間隙波導陣列天線相比，有效展寬了工作帶寬。天線的實測效率優(yōu)于70％，與同類型天線相當。
　　2.在槽間隙波導的基礎之上，提出了一種全槽間隙波導的結構。全槽間隙波導由四個獨立的非接觸金屬構件構成，這大大提高了設計以及加工的靈活度。許多采用傳統(tǒng)波導技術難以加工的電路結構采

5、用全槽間隙波導技術可以很方便的完成。為了驗證全槽間隙波導的電氣性能，設計并加工了Ka波段全槽間隙波導以及Ka波段全槽間隙波導膜片濾波器。結果顯示，全槽間隙波導電路在設計靈活性大大提高的情況下，保持了與傳統(tǒng)矩形波導相當?shù)碾姎庑阅堋?br>　　3.采用間隙波導技術設計的器件，可以在不需要拆卸整體結構的情況下，實現(xiàn)核心部件的替換或者調(diào)節(jié)，從而可以很方便地調(diào)整電路性能。為了驗證這一思路，本文設計了一款Ka波段耦合度可調(diào)節(jié)的縫隙耦合波導耦合器。通

6、過替換在窄邊開有不同傾斜角度的耦合縫隙的耦合板可以實現(xiàn)所需的耦合度。
　　4.間隙波導電路無需物理接觸的特性使得電路子部件之間的相互位移成為可能。利用這一特性，本文研制了一種扭動角度可實時調(diào)節(jié)的矩形扭波導。該扭波導結構由多個具有非接觸式法蘭的矩形波導構成，可以實現(xiàn)±90°范圍內(nèi)的任意扭角。在平面非接觸法蘭的基礎之上，提出了柱面非接觸法蘭，并成功研制了H面可彎折矩形波導以及可旋轉矩形槽間隙波導到同軸線的轉換器。該轉換器與另一個傳統(tǒng)波

7、導同軸轉換器級聯(lián)即可構成一個寬帶波導旋轉關節(jié)。
　　5.以一維釘床作為慢波結構，提出了H面相位矯正喇叭天線，并開展了仿真設計與實驗研究。間隙波導以二維釘床結構作為人工磁導體表面，該結構也是一種慢波結構。通過在H面喇叭天線中心線上加載慢波結構，喇叭天線中心區(qū)域的等效波長變短，從而降低了中心區(qū)域與邊緣區(qū)域之間的相位差，在輻射口徑實現(xiàn)較為均勻的等相位面。利用這種技術可以有效縮短最佳H面喇叭天線的長度，維持增益不變。
　　6.采用D

8、DS結合固態(tài)倍頻技術對Ka波段高線性度掃頻源進行了方案設計和實驗研究。本文采用ADI公司2.5GHz主頻的DDS芯片AD9915作為直接數(shù)字頻率合成器，采用TI公司DSP芯片TMS320VC5509A作為控制器，成功研制了DC-1GHz的超寬帶高線性度掃頻源。以此為基礎，經(jīng)過×2×8×3的倍頻鏈倍頻以及中等功率放大器放大之后，完成了Ka波段毫米波高線性度掃頻源實驗樣品的研制。
　　7.對FMCW反射功率對消系統(tǒng)進行了理論分析并設計

9、了反射功率對消實驗驗證系統(tǒng)。在系統(tǒng)設計過程中，對各個通路之間的延時做了相應的分析與優(yōu)化，從而實現(xiàn)了較寬的對消帶寬。另一方面，在控制環(huán)路設計中對環(huán)路帶寬也做了相應的分析，從而優(yōu)化了載波對消和相位噪聲對消的綜合效果。本文完成了35GHz FMCW反射功率對消系統(tǒng)的實驗研究，實現(xiàn)了較寬的工作帶寬，較好的靜態(tài)以及掃頻狀態(tài)下泄漏功率對消比。
　　8.對FMCW雷達單目標測距開展了實驗研究。完成了頻率靈敏度控制電路設計，AD采樣電路的設計，A