毫米波間隙波導(dǎo)技術(shù)及FMCW反射功率對(duì)消系統(tǒng)應(yīng)用研究.pdf

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

2、更高的電磁兼容特性。與傳統(tǒng)波導(dǎo)相比，槽間隙波導(dǎo)不需要直接的物理接觸。這使得槽間隙波導(dǎo)具有更高的設(shè)計(jì)便利性，且無需考慮電氣接觸問題。因此，開展間隙波導(dǎo)技術(shù)研究具有重要價(jià)值。另一方面，單天線體制的毫米波FMCW反射功率對(duì)消技術(shù)是FMCW雷達(dá)技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。本文結(jié)合間隙波導(dǎo)技術(shù)，對(duì)35GHz單天線FMCW反射功率對(duì)消技術(shù)以及FMCW單目標(biāo)測(cè)距雷達(dá)系統(tǒng)開展了相應(yīng)的研究。本文的主要研究進(jìn)展包括以下幾個(gè)方面:
　　1.對(duì)基于間隙波導(dǎo)技術(shù)的

3、寬帶陣列天線技術(shù)開展了相關(guān)的研究。目前，間隙波導(dǎo)陣列天線普遍采用脊間隙波導(dǎo)或者垂直極化槽間隙波導(dǎo)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(dǎo)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(gòu)成。天線的最底層為由T型槽間隙波導(dǎo)功分器級(jí)連而成的4×4饋電網(wǎng)絡(luò)。第二層為4×4相位調(diào)整層。該層通過改進(jìn)的扭波導(dǎo)陣列解決了T型水平極化槽間隙波導(dǎo)功分器相位反相的問題。第三層為4×4槽間隙波導(dǎo)諧

4、振腔層。第四層為8×8矩形窗口輻射單元陣列層。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，陣列天線的工作頻帶為31.5GHz到39.7GHz(S11＜-10dB)，相對(duì)帶寬達(dá)到23％。與已見報(bào)道的間隙波導(dǎo)陣列天線相比，有效展寬了工作帶寬。天線的實(shí)測(cè)效率優(yōu)于70％，與同類型天線相當(dāng)。
　　2.在槽間隙波導(dǎo)的基礎(chǔ)之上，提出了一種全槽間隙波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。全槽間隙波導(dǎo)由四個(gè)獨(dú)立的非接觸金屬構(gòu)件構(gòu)成，這大大提高了設(shè)計(jì)以及加工的靈活度。許多采用傳統(tǒng)波導(dǎo)技術(shù)難以加工的電路結(jié)構(gòu)采

5、用全槽間隙波導(dǎo)技術(shù)可以很方便的完成。為了驗(yàn)證全槽間隙波導(dǎo)的電氣性能，設(shè)計(jì)并加工了Ka波段全槽間隙波導(dǎo)以及Ka波段全槽間隙波導(dǎo)膜片濾波器。結(jié)果顯示，全槽間隙波導(dǎo)電路在設(shè)計(jì)靈活性大大提高的情況下，保持了與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)相當(dāng)?shù)碾姎庑阅堋?br>　　3.采用間隙波導(dǎo)技術(shù)設(shè)計(jì)的器件，可以在不需要拆卸整體結(jié)構(gòu)的情況下，實(shí)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(yàn)證這一思路，本文設(shè)計(jì)了一款Ka波段耦合度可調(diào)節(jié)的縫隙耦合波導(dǎo)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(shí)現(xiàn)所需的耦合度。
　　4.間隙波導(dǎo)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(dòng)角度可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的矩形扭波導(dǎo)。該扭波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由多個(gè)具有非接觸式法蘭的矩形波導(dǎo)構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)±90°范圍內(nèi)的任意扭角。在平面非接觸法蘭的基礎(chǔ)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(dǎo)以及可旋轉(zhuǎn)矩形槽間隙波導(dǎo)到同軸線的轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器與另一個(gè)傳統(tǒng)波

7、導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器級(jí)聯(lián)即可構(gòu)成一個(gè)寬帶波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。
　　5.以一維釘床作為慢波結(jié)構(gòu)，提出了H面相位矯正喇叭天線，并開展了仿真設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究。間隙波導(dǎo)以二維釘床結(jié)構(gòu)作為人工磁導(dǎo)體表面，該結(jié)構(gòu)也是一種慢波結(jié)構(gòu)。通過在H面喇叭天線中心線上加載慢波結(jié)構(gòu)，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(shí)現(xiàn)較為均勻的等相位面。利用這種技術(shù)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(jié)合固態(tài)倍頻技術(shù)對(duì)Ka波段高線性度掃頻源進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)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(chǔ)，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(shí)驗(yàn)樣品的研制。
　　7.對(duì)FMCW反射功率對(duì)消系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析并設(shè)計(jì)

9、了反射功率對(duì)消實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)各個(gè)通路之間的延時(shí)做了相應(yīng)的分析與優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)了較寬的對(duì)消帶寬。另一方面，在控制環(huán)路設(shè)計(jì)中對(duì)環(huán)路帶寬也做了相應(yīng)的分析，從而優(yōu)化了載波對(duì)消和相位噪聲對(duì)消的綜合效果。本文完成了35GHz FMCW反射功率對(duì)消系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)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(duì)消比。
　　8.對(duì)FMCW雷達(dá)單目標(biāo)測(cè)距開展了實(shí)驗(yàn)研究。完成了頻率靈敏度控制電路設(shè)計(jì)，AD采樣電路的設(shè)計(jì)，A