W波段高性能檢波器與諧波混頻器的研究.pdf

1、隨著電子與通信技術(shù)的迅速發(fā)展，系統(tǒng)工作頻率不斷向微波毫米波高端推進(jìn)，W波段接收前端關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用課題已成為國內(nèi)外專家、學(xué)者的研究熱點(diǎn)。毫米波接收前端主要完成頻率變換與濾波功能，以便后續(xù)電路解調(diào)和放大。除了低噪放以外，混頻器和檢波器也是毫米波接收機(jī)中的關(guān)鍵部件。結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、集成度高、變換損耗低是毫米波接收組件的設(shè)計(jì)要旨。因此，研制高靈敏度的檢波器與低變頻損耗的諧波混頻器對(duì)毫米波接收技術(shù)的發(fā)展有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文立足于國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)

2、條件，分別研制了W波段寬帶高靈敏度檢波器與低變頻損耗諧波混頻器，并應(yīng)用于W波段接收前端組件。本文主要研究工作包括:
　　1、基于Avago Tech.公司的零偏置肖特基勢(shì)壘二極管HSCH-9161，針對(duì)寬頻帶、高靈敏度的設(shè)計(jì)要求，采用改進(jìn)的超寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，研制成功了75GHz～103GHz高靈敏度檢波器。在傳統(tǒng)的波導(dǎo)-鰭線-微帶過渡結(jié)合多級(jí)低阻抗線的匹配電路方案的基礎(chǔ)上，引入多支節(jié)阻抗調(diào)配電路，利用三對(duì)λRF/4支節(jié)與其后的多

3、級(jí)阻抗線共同組成匹配網(wǎng)絡(luò)，從而改善寬帶匹配效果，提高檢波器靈敏度。輸出端低通濾波器采用多級(jí)扇形線結(jié)構(gòu)，用于阻擋射頻輸出信號(hào)及由二極管非線性特性產(chǎn)生的諧波分量。基于二極管非線性等效電路模型，采用場(chǎng)路結(jié)合的仿真分析方法，對(duì)鰭線、寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)及低通濾波器等電路進(jìn)行了一體化仿真分析與優(yōu)化。對(duì)加工、組裝完成的W波段檢波器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在射頻輸入功率為-30dBm條件下，在75GHz～103GHz頻率范圍內(nèi)，檢波電壓靈敏度高于1000mV/mW，

4、且在82GHz處，最高檢波電壓靈敏度約為7000mV/mW。
　　2、采用上述高靈敏度檢波器的電路設(shè)計(jì)方案，根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目的需要，應(yīng)用功率檢測(cè)的特性，成功研制了兩種W波段的檢波電路，其一為功放輸出功率監(jiān)測(cè)電路，其二為低噪聲放大器保護(hù)電路。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，分別設(shè)計(jì)了具有不同耦合度的微帶耦合器，并采用場(chǎng)路結(jié)合的方法，對(duì)檢波電路和耦合器電路進(jìn)行了一體化仿真分析。微帶耦合器主要用來耦合部分射頻功率用于監(jiān)測(cè)，并將耦合端信號(hào)饋入檢波電路中

5、轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，以供后級(jí)視頻放大器放大。對(duì)帶有功率監(jiān)測(cè)功能的功放模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，93GHz處，當(dāng)功放輸出功率范圍為0.66dBm～21.66dBm時(shí)，檢波輸出電壓為96.9mV～4050.0mV。96GHz處，當(dāng)功放輸出功率范圍為1.06dBm～21.55dBm時(shí)，檢波輸出電壓為87.8mV～2470.0mV。對(duì)帶保護(hù)功能的W波段低噪聲放大器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在75GHz～80GHz頻帶范圍內(nèi)，低噪聲放大器線性增益典型值為7.1dB～1

6、2.2dB。當(dāng)?shù)驮肼暦糯笃鹘咏柡蜁r(shí)，76GHz頻點(diǎn)處檢波輸出電壓為376mV，79GHz頻點(diǎn)處檢波輸出電壓為323mV。對(duì)應(yīng)不同的射頻頻率，兩檢波電路輸出電壓隨輸入功率增大呈指數(shù)關(guān)系上升，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。
　　3、選用基于反向并聯(lián)GaAs肖特基二極管對(duì)的單片集成混頻器芯片，研制了一款W波段二次諧波混頻器。實(shí)驗(yàn)研究表明，固定中頻頻率為12GHz時(shí)，諧波混頻器變頻損耗為9.6～12.5dB。固定本振頻率為35.85GHz，對(duì)應(yīng)中

7、頻頻率為4GHz～12GHz時(shí)，變頻損耗為9.9～11.7dB。
　　4、基于W波段諧波混頻器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，為降低接收模塊的噪聲系數(shù)，本文將諧波混頻器與低噪聲放大器集成在一起，研制了一種W波段下變頻模塊，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。固定本振頻率為35.85GHz，中頻輸出頻率為3.3GHz～8.3GHz時(shí)，實(shí)測(cè)變頻增益為1.7dB～6.2dB。根據(jù)調(diào)頻連續(xù)波接收系統(tǒng)的要求，基于上述測(cè)試基礎(chǔ)，將帶保護(hù)功能的低噪放模塊與下變頻器級(jí)聯(lián)，組成了一套W