微波毫米波混頻與倍頻技術(shù)及應(yīng)用研究.pdf

1、微波毫米波混頻器與倍頻器是通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、測(cè)試設(shè)備等電子系統(tǒng)的核心部件，高性能混頻倍頻理論與技術(shù)研究對(duì)于微波毫米波應(yīng)用技術(shù)及亞毫米波技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本文立足國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)條件，以降低混頻器變頻損耗和提高倍頻器效率為主要目標(biāo)，深入研究了微波毫米波混頻與倍頻電路理論和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并應(yīng)用于多種高性能微波毫米波混頻器與倍頻器的研制，所取得的主要研究成果包括：
　　 1、針對(duì)毫米波混合集成混頻和倍頻電路中波導(dǎo)-平面電路過(guò)渡結(jié)構(gòu)寄

2、生諧振的問(wèn)題，對(duì)傳統(tǒng)的波導(dǎo)-鰭線-微帶過(guò)渡進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)在鰭線基片安裝槽位置處引入兩排金屬化過(guò)孔，有效地抑制了矩形波導(dǎo)安裝槽引起的高次模寄生諧振，不但降低了過(guò)渡損耗，而且還能提高電路的可靠性。
　　 2、應(yīng)用改進(jìn)型低損耗波導(dǎo)-鰭線-微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)和射頻與本振信號(hào)回收技術(shù)，研制成功了Ka波段低變頻損耗單端混頻器。基于混頻二極管等效電路模型，并結(jié)合電磁場(chǎng)仿真軟件，優(yōu)化設(shè)計(jì)了合理的輸入匹配電路和有效的射頻、本振信號(hào)回收電路。所研制的單

3、端混頻器樣品實(shí)測(cè)性能指標(biāo)為：在32.2GHz，最小變頻損耗3.52dB；在29～34GHz，變頻損耗低于5.68dB，且具有良好的變頻損耗平坦度。
　　 3、在高性能X波段單平衡混頻器設(shè)計(jì)中，采用三分支定向耦合器耦合輸入本振和射頻信號(hào)，并設(shè)計(jì)了合理的本振、射頻及空閑頻率信號(hào)回收電路對(duì)其能量加以回收利用，達(dá)到了降低變頻損耗、提高端口間隔離度、改善工作帶寬的目的。研制成功了低變頻損耗、高隔離度的X波段單平衡混頻器實(shí)驗(yàn)樣品，其性能指標(biāo)

4、為：在10～11.5GHz頻率范圍內(nèi)，變頻損耗6.4±0.7dB，平坦度良好；在10.6GHz，最小變頻損耗5.67dB；RF-IF、LO-IF和LO-RF端隔離度分別優(yōu)于27dB、24dB和14dB。
　　 4、為了改善毫米波諧波混頻器的變頻損耗，提出了改進(jìn)型V波段和E波段六次諧波混頻電路結(jié)構(gòu)。采取了綜合的有用信號(hào)回收技術(shù)，即在鄰近混頻二極管管對(duì)處設(shè)計(jì)合理的分支微帶線回收網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了射頻、本振頻率和部分空閑頻率的回收利用；對(duì)于

5、不能通過(guò)分支微帶線回收的空閑頻率信號(hào)，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的空閑頻率帶阻濾波器和相移網(wǎng)絡(luò)，對(duì)這部分空閑頻率分量呈現(xiàn)電抗性負(fù)載，實(shí)現(xiàn)其回收利用的目的?；谏鲜龌厥占夹g(shù)，分別研制成功了V波段和E波段六次諧波混頻器實(shí)驗(yàn)樣品。測(cè)試結(jié)果表明：V波段諧波混頻器在53.55GHz的變頻損耗最小值17dB，在所測(cè)試的50.2～51.35GHz和53.38～53.55GHz頻率范圍內(nèi)，變頻損耗小于24dB，LO-IF端隔離度大于35.7dB；E波段諧波混頻器在7

6、3.5～75.5GHz頻率范圍內(nèi)，測(cè)得變頻損耗典型值為30dB，在74.4GHz最小值為26.3dB，LO-IF端隔離度典型值40dB。
　　 5、提出了基于混頻二極管陣列的毫米波高次諧波混頻電路模型，利用該電路模型，可以在混頻器設(shè)計(jì)階段根據(jù)所要求的諧波次數(shù)，確定相應(yīng)的二極管陣列、功分和相移網(wǎng)絡(luò)，使空閑頻率信號(hào)通過(guò)相位抵消得以合理的回收利用，這樣不僅有效地降低變頻損耗、而且還能提高端口之間的隔離度?；谏鲜龈叽沃C波混頻電路模型及

7、設(shè)計(jì)技術(shù)路線，研制出了Ka波段新型四次諧波混頻器。實(shí)測(cè)所得性能指標(biāo)如下：在35～39GHz，變頻損耗低于10.3dB；在36.4GHz，最小變頻損耗8.3dB；LO-IF、RF-LO和RF-IF端隔離度分別優(yōu)于30.7 dB、22.9dB和46.5dB。
　　 6、針對(duì)高截止頻率肖特基勢(shì)壘二極管物理結(jié)構(gòu)中所存在的各種不連續(xù)性和寄生參量影響，以UMS的DBES105a二極管管對(duì)為研究對(duì)象，分有源和無(wú)源兩個(gè)部分進(jìn)行模型參數(shù)提取，建立

8、了該二極管管對(duì)的精確電路模型。對(duì)于有源部分，根據(jù)二極管的電流-電壓和電容-電壓測(cè)試曲線，提取其主要SPICE參數(shù)；對(duì)無(wú)源部分，采用全波分析方法，提取其S參數(shù)。通過(guò)擬合二極管S參數(shù)曲線，綜合出模型中各等效集總參數(shù)元件的數(shù)值。所建立的二極管模型小信號(hào)S參數(shù)分析結(jié)果和二極管在片測(cè)試結(jié)果吻合得很好，從而證明了所建立的二極管芯片電路模型的正確性和可靠性。
　　 7、基于混合集成技術(shù)，根據(jù)商用肖特基勢(shì)壘二極管的電性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取了D波段

9、平衡式二倍頻器合理的電路方案?；谏鲜龆O管管對(duì)精確電路模型并結(jié)合場(chǎng)分析軟件，對(duì)D波段二倍頻器電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。解決了硬件研制中基片定位、器件組裝等工藝技術(shù)問(wèn)題，研制成功了D波段二倍頻器實(shí)驗(yàn)樣品，獲得了以下實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果：當(dāng)E波段輸入信號(hào)功率為30～55mW時(shí)，倍頻器在140-160GHz頻率范圍內(nèi)倍頻效率典型值為1.75％；在145.7GHz，最大倍頻效率達(dá)到3.3％，輸出功率1.5mW。
　　 8、綜合采取無(wú)源倍頻和有源倍頻

10、技術(shù)，研制成功了性能優(yōu)良的低雜散6GHz倍頻源及12GHz倍頻鏈。以提高輸出信號(hào)雜散抑制為目標(biāo)，提出了合理的倍頻鏈技術(shù)方案，設(shè)計(jì)了高選擇性的各級(jí)帶通濾波器，利用工作在飽和狀態(tài)的L波段HBT放大器實(shí)現(xiàn)0.5GHz至1.5GHz的三倍頻功能，并利用低噪聲HEMT器件實(shí)現(xiàn)后續(xù)1.5GHz至6GHz的四倍頻功能。實(shí)驗(yàn)測(cè)得6GHz輸出信號(hào)在12GHz頻率范圍內(nèi)雜散抑制達(dá)-51dBc（商用倍頻模塊諧波抑制-24dBc）；以此作為激勵(lì)源的12GHz倍