W波段及E波段寬帶混頻技術(shù)與應(yīng)用研究.pdf

1、W波段覆蓋75-110GHz的電磁頻譜，是重要的毫米波大氣窗口所在頻段，二十世紀(jì)80年代以來一直備受世界各國研究機構(gòu)及應(yīng)用部門的關(guān)注。E波段工作頻率60-90GHz，包括60GHz和77GHz兩個開放頻段，近年來在民用方面引發(fā)持續(xù)研究熱潮?；祛l器是雷達(dá)、通信、測量、電子對抗、射電天文等應(yīng)用系統(tǒng)中的核心部件之一，毫米波混頻理論與技術(shù)研究對于毫米波技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。隨著超高速率數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、空間技術(shù)、軍事與民用通信技術(shù)

2、的迅猛發(fā)展，對微波毫米波系統(tǒng)的工作帶寬提出了越來越高的要求，超寬帶毫米波器件相關(guān)理論與技術(shù)研究成為當(dāng)前富有挑戰(zhàn)性的的前沿課題。本文立足國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)條件，以實現(xiàn)高性能W波段及E波段寬帶混頻器為目標(biāo)，針對直接影響超寬帶混頻電路性能的關(guān)鍵技術(shù)問題，從Schottky器件毫米波寬帶等效電路模型、寬帶基波和高次諧波混頻電路方案、寬帶高次諧波混頻器分析設(shè)計新方法以及關(guān)鍵工藝技術(shù)等方面進(jìn)行了深入研究，多項關(guān)鍵技術(shù)取得重要研究進(jìn)展，研制成功了W波段寬帶

3、基波和全波段八次諧波混頻器、E波段全頻帶七次諧波混頻器、W波段組件型和集成小型化的正交混頻器等一批性能優(yōu)良的寬帶及全波段毫米波混頻器硬件實物，并將低損耗基波混頻器應(yīng)用于W波段雷達(dá)射頻前端設(shè)計，研制成功了高性能的射頻前端子系統(tǒng)。本文研究進(jìn)展包括以下內(nèi)容:
　　1、建立Schottky混頻管精確的寬帶等效電路模型是優(yōu)化設(shè)計寬帶混頻電路的重要前提。本文以UMS公司的DBES105a串聯(lián)雙Schottky結(jié)混頻二極管為研究對象，總結(jié)吸取前

4、人大量的研究工作基礎(chǔ)，根據(jù)二極管物理特性和結(jié)構(gòu)特點，提出了分區(qū)全波分析結(jié)合電路擬合求解的等效電路建模方法，將二極管芯片無源區(qū)域分為焊盤、金指等多個部分，分別提取各自寄生參數(shù)，導(dǎo)入包含有源區(qū)域模型的等效電路模型中，對各個等效電路參數(shù)進(jìn)行擬合優(yōu)化，建立了充分考慮芯片封裝效應(yīng)的二極管寬帶等效電路模型。利用該模型對二極管特性所做的仿真計算結(jié)果與實測結(jié)果一致性優(yōu)良，為后續(xù)多種毫米波寬帶混頻器電路的優(yōu)化設(shè)計提供了可靠的有源器件等效電路模型。同時，本

5、文對寬帶混頻器電路設(shè)計中所涉及到的采用平衡二極管對的基本混頻電路結(jié)構(gòu)、緊湊寬阻帶濾波器、寬帶波導(dǎo)至微帶過渡等共同問題進(jìn)行了深入研究，為寬帶混頻電路結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路優(yōu)化做了實用的鋪墊。
　　2、利用上述Schottky二極管等效電路模型，基于混合集成電路技術(shù)研制成功了以單級定向耦合器和二級級聯(lián)定向耦合器為混合電路的W波段寬帶基波混頻器。采取非標(biāo)準(zhǔn)高阻抗微帶線的分支線定向耦合器的電路方案，克服了W波段3dB耦合器耦合臂帶線寬度相對于耦合

6、臂長度過寬的問題。優(yōu)化設(shè)計了匹配電路網(wǎng)絡(luò)，采用單耦合器的W波段基波混頻器實驗樣品測試結(jié)果表明，在91～97GHz頻段內(nèi)變頻損耗小于10dB。針對單級混合電路的混頻器實驗研究中出現(xiàn)的工作帶寬相對較窄、周期性變頻損耗尖峰現(xiàn)象、只能應(yīng)用于下變頻系統(tǒng)等不足，提出了改進(jìn)的兩級級聯(lián)非標(biāo)準(zhǔn)定向耦合器結(jié)構(gòu)的混頻器電路方案，其中采取了Schottky二極管芯附近就近接地和多路接地、增加90°相移線等電路設(shè)計改進(jìn)方案。利用HFSS全波分析與ADS電路仿真相

7、結(jié)合的設(shè)計技術(shù)，對改進(jìn)后的基波混頻器總體電路進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計?；诜抡嬖O(shè)計參數(shù)，加工制作了改進(jìn)的寬帶混頻器電路，解決了高精度芯片焊裝等工藝技術(shù)。研制完成的混頻器工作頻帶覆蓋81～102GHz頻段，測試得到變頻損耗小于10dB，在94GHz附件頻點，變頻損耗低至6dB左右，實現(xiàn)了優(yōu)良的寬頻帶、低變頻損耗特性，可直接應(yīng)用于W波段射頻前端的研制。
　　3、對基于波導(dǎo)內(nèi)同向串聯(lián)二極對管平衡結(jié)構(gòu)的E波段全波段七次諧波混頻器進(jìn)行了電路理論分

8、析與實驗研究，并對諧波混頻器用于倍頻輸出進(jìn)行了分析與實驗驗證。奇次諧波混頻器與偶次諧波混頻器一樣，可以使閑散頻率分量減少一半，而且它在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)RF波導(dǎo)主模與LO微帶主模的模式正交隔離，同時為RF、LO、IF信號提供寬帶接地回路。通過在軟基片上制作大面積金屬化接地通孔實現(xiàn)了波導(dǎo)內(nèi)二極管終端RF信號良好接地，避免了金帶鍵合裝配方案引入的人為因素影響。IF端低通濾波器采用改進(jìn)的兩級級聯(lián)CMRC結(jié)構(gòu)，相比于階躍阻抗低通濾波器不僅消除了寄生通帶

9、影響，而且濾波器尺寸縮小了64％。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的七次諧波混頻器在整個E波段60-90GHz頻率范圍內(nèi)變頻損耗小于26.2dB，最低變頻損耗16.7dB。當(dāng)作為二倍頻應(yīng)用時，在輸入功率為20dBm條件下，在50GHz～68GHz寬頻段內(nèi)實測得到輸出功率典型值4dBm。
　　4、提出了基于負(fù)載牽引技術(shù)的毫米波混頻器電路分析設(shè)計方法，該方法可以方便地分析獲取最低變頻損耗時的最佳RF端和LO端負(fù)載阻抗特性。將該方法成功地應(yīng)用于W波

10、段八次諧波混頻器的匹配電路網(wǎng)絡(luò)的分析設(shè)計。在混頻器各端口分別設(shè)計寬帶四線耦合帶通濾波器、新型CMRC低通濾波器、超寬阻帶DGS低通濾波器，以抑制寬帶八次諧波混頻器中各次閑散頻率分量。實驗結(jié)果表明，八次諧波混頻器在89～99GHz頻率范圍內(nèi)變頻損耗小于23.2dB，最低變頻損耗17.4dB。
　　為了進(jìn)一步展寬混頻器工作帶寬，提出了兩級級聯(lián)RF四分之一波長匹配線代替原混頻器中LO四分之一波長匹配線的頻帶擴展方案，同時根據(jù)新方案的IF

11、回路特點對混頻器電路結(jié)構(gòu)作了相應(yīng)改進(jìn)。實驗結(jié)果表明，改進(jìn)后的八次諧波混頻器在75～110GHz全波段內(nèi)變頻損耗典型值23dB，最小變頻損耗18dB。該混頻器在W全波段的變頻損耗特性與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)，可直接應(yīng)用于W波段寬帶測量等應(yīng)用系統(tǒng)。
　　5、W波段IQ正交混頻器在W波段雷達(dá)、通信系統(tǒng)中有著重要應(yīng)用價值，但由于W波段信號波長短，相位難于精確控制，因此實現(xiàn)高性能的W波段IQ混頻器面臨較大的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)困難。本文在W波段IQ混頻

12、器實現(xiàn)技術(shù)方面做了深入研究，采用組件形式和集成一體化形式的電路結(jié)構(gòu)研制成功了兩種W波段IQ混頻器實驗樣品。設(shè)計了窄邊多孔耦合寬帶3dB正交耦合器和H面寬帶3dB波導(dǎo)功分器，將其與兩只上述W波段基波混頻器模塊相組合，實現(xiàn)了組件形式的W波段正交混頻器。針對W波段結(jié)構(gòu)件與電路加工和裝配誤差難以控制，正交性難以精確實現(xiàn)的問題，提出了相移調(diào)配方案。實驗結(jié)果表明，組件式正交混頻器在86～98GHz頻段內(nèi)變頻損耗在10～13dB，幅度不平衡度優(yōu)于±2

13、dB。采用外接中頻正交耦合器的方法進(jìn)行了鏡像抑制混頻器的實驗研究，當(dāng)中頻信號為100MHz時，實測得到變頻損耗11dB，鏡頻抑制度典型值17dB，最高達(dá)到34.9dB。
　　在組件形式的正交混頻器研究基礎(chǔ)上，提出了集成一體化的W波段正交混頻器設(shè)計方案。采用混合集成電路技術(shù)實現(xiàn)一體化的正交耦合器、功分器和兩路單平衡混頻器整體電路，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用分隔腔體等措施解決電路各部分的電磁耦合及可能出現(xiàn)的寄生諧振問題。建立了一體化電磁仿真模

14、型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，消除了子電路分界面處不連續(xù)性的影響。實驗結(jié)果表明，集成一體化的W波段正交混頻器在90.5～98.5GHz頻段內(nèi)變頻損耗在10～13dB，幅度不平衡度優(yōu)于±2dB。將其與中頻正交耦合器組合構(gòu)成鏡像抑制混頻器，當(dāng)中頻信號為100MHz時，實測得到變頻損耗12dB，鏡頻抑制度典型值15dB，最高達(dá)到34.3dB。
　　6、應(yīng)用本文所研制的W波段高性能基波混頻器，進(jìn)行了W波段雷達(dá)射頻前端系統(tǒng)的研制。根據(jù)射頻前端系統(tǒng)整體技術(shù)

15、指標(biāo)要求，充分考慮各級有源器件最大輸入功率、飽和輸出功率等特性，合理分配各級電路功率電平，完成了前端系統(tǒng)的總體技術(shù)方案分析設(shè)計。采用接收和發(fā)射本振信號異頻方案，有效解決了二次變頻超外差系統(tǒng)中鏡頻干擾問題。對射頻前端系統(tǒng)中發(fā)射、接收和本振源鏈路的核心功能模塊進(jìn)行了深入研究，解決了W波段固態(tài)放大器匹配電路設(shè)計、模塊腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計、放大器微組裝工藝等關(guān)鍵技術(shù)，研制成功了W波段高增益低噪放、中功放、本振驅(qū)動放大器等射頻模塊，將上述W波段基波混頻器