论文部分内容阅读
W波段覆盖了75～110GHz的电磁频谱，处于大气吸收窗口频段，具有极宽的频带，蕴涵着巨大的频谱资源。W波段属于短毫米波频段，相关设备体积小、重量轻、抗干扰能力强、通信容量大、能全天候工作，因而在军事及民用雷达与通信系统应用中具有极大的发展潜力。毫米波正交混频器（I/Q混频器）同时具有频率转换和提供正交中频相位两方面的功能，因此广泛应用于毫米波雷达、精确制导、宽带无线通信等前沿电子技术领域。本文以实现W波段高性能正交混频器为目标，利用Schottky势垒混频二极管和毫米波混合集成电路技术，基于国内现有工艺水平和研发条件，解决了方案分析、仿真建模、优化设计、工艺实现及性能测量等关键技术，研制出了W波段组件形式和集成一体化形式两种正交混频器实验样品，并将其应用于该波段镜频抑制混频器的实验研究。本文主要研究工作包括: 1、单平衡混频器是正交混频器的重要组成部分，本文首先分析了几种毫米波单平衡混频器的工作原理和电路特性，根据W波段正交混频器的基本设计要求和现有工艺条件，选取了合适的混合集成形式单平衡混频器的电路拓扑结构，确定了本振反相型单平衡混频器的具体设计方案。在分析研究正交混频器电路理论的基础上，设计了W波段正交混频器组件的整体架构和实现方案，针对短毫米波段设计和工艺误差难以严格控制、两路中频输出信号的正交性难以精确实现的问题，设计了相应的调试解决方案。根据正交混频器组件整体结构布局要求，确定了波导结构的3dB正交耦合器和3dB功分器的具体结构与接口设计方案。 2、根据组件形式的正交混频器的设计要求，研制了波导结构的W波段宽带3dB正交耦合器和宽带3dB功分器。结合波导小孔耦合理论和HFSS仿真分析软件，对宽带3dB多孔正交耦合器进行了仿真分析与优化设计;利用HFSS对宽带波导功分器进行了优化设计。实测结果表明，在90～100GHz频率范围，正交耦合器输入端至直通端和耦合端之间的插入损耗典型值均为3.6dB（考虑3dB的分配损耗，正交耦合器净损耗0.6dB左右），两路输出功率不平衡度小于0.4dB，在91～99GHz上优于0.2dB。耦合器隔离度测试结果典型值为22dB。在90～100GHz上，功分器输入端口与两路等分输出端之间的插入损耗为3.5～3.8dB（含分配损耗3dB，净损耗0.5～0.8dB），两路输出功率不平衡度在0.1dB以内。正交耦合器和功分器实测结果与仿真设计结果一致性良好，其性能满足正交混频器组件设计要求。 3、采用混合集成电路技术，利用高截止频率的Schottky混频管研制成功了W波段低变频损耗单平衡混频器。为了拓展带宽、便于工艺实现并能适应后续正交混频器组件中频输出设计方案要求，单平衡混频器以微带三分支线正交耦合器和四分之一波长微带线的组合电路作为混合网络。利用HFSS对三分支线微带耦合器、中频低通滤波器和波导-微带探针过渡等无源电路进行建模仿真优化，提取其S参数并与混频二极管精确等效电路模型相结合，对整个混频器电路参数进行优化设计。加工制作了两套单平衡混频器实验样品，构建了相应的测试系统对其性能参数进行了测试与分析。实测结果为，当固定本振频率为95GHz，中频在0～7GHz范围内，变频损耗小于10dB;固定射频信号频率为96GHz，中频在0～15GHz范围内，变频损耗亦小于10dB;当保持中频100MHz，射频信号作为本振的上边带和下边带两种情况下的变频损耗变化很小，在81.5～98.5 GHz频率范围内，变频损耗为7.5±1.5dB。最佳本振功率＞14dBm，1dB压缩点＞4dBm;在90～100GHz频段内本振到射频端的隔离度典型值为15dB。本文所研制的W波段单平衡混频器的变频损耗、本振与射频端口间隔离度等主要性能指标与当前国外同类产品相当，中频带宽有明显优势。 4、将上述波导3dB正交耦合器、3dB功分器和两个对称的单平衡混频器按照所设计方案组合起来，构成了一套W波段正交混频器组件实验样品。功分器的公共输入端为正交混频器组件的本振信号输入端，其输入总功率要求达到两个平衡混频器的本振电平要求;正交耦合器的输入端为正交混频器组件射频信号输入端，直通端和耦合端输出信号相位正交，分别与两个平衡混频器的射频输入端相接。利用W波段有源六倍频器、无源三倍频器和中等功率放大器及10dB定向耦合器等波导元件，构建了W波段I/Q混频器组件的测试系统，对其变频损耗、I/Q中频信号的正交性等性能进行了测试。实测结果表明，在射频90～97GHz范围内，正交混频器组件I与Q两路变频损耗为10.9±1.3dB，在射频为95GHz，中频100MHz处，用双路示波器测得两路相位差为89°左右，幅度差相对值约为1.0％。 5、为了实现结构紧凑、体积小重量轻的W波段I/Q混频器，将波导结构的功分器和正交耦合器用微带结构来实现，并与两个单平衡混频器电路集成在一块基片上，研制成功了集成化的W波段正交混频器。在微带三分支线正交耦合器和全频段宽带功分器仿真设计的基础上，建立了W波段集成正交混频器的整体仿真分析模型。在腔体中采用金属隔离柱增大本振和射频电路之间以及两单平衡混频器之间的隔离度。在完成整体仿真优化设计的基础上，采用混合集成电路工艺加工制作了W波段集成正交混频器。测试结果为:在射频90～97GHz频带内，集成正交混频器I/Q两路变频损耗为11.4±1.4dB，两路中频信号相位正交性良好，在90～105 GHz频带内本振与射频端口间隔离度大于22dB。 6、镜频抑制是正交混频器的一种重要应用，镜频抑制度(Image Rejection Ratio，IRR)反映了正交混频器I/Q两路中频信号的幅度一致性和相位正交性。本文设计制作了100MHz三分支集总参数正交耦合器，并设计了单频点镜频抑制度调试方案。中频正交耦合器输入端至直通端和耦合端的插入损耗典型值均为4.10dB（含分配损耗），输出信号相位差为90°±1°，输入端反射系数优于-15dB。分别将组件形式和集成形式的两种正交混频器与中频正交耦合器组合起来构成两种镜频抑制混频器，测试结果为:正交混频器组件构成的镜频抑制混频器在射频90～97GHz范围内镜频抑制度＞10dB，典型值为15dB;集成正交混频器构成的镜频抑制混频器在射频90～97GHz频段上，镜频抑制度＞11.5dB。