微波毫米波高性能接收前端關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用.pdf

1、微波毫米波接收前端是軍/民通信應(yīng)用系統(tǒng)、高速無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及毫米波探測(cè)成像系統(tǒng)中的核心單元，其雜散干擾抑制能力、通帶幅頻響應(yīng)平坦度、通帶群時(shí)延波動(dòng)及噪聲系數(shù)是衡量接收機(jī)性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。隨著微波毫米波系統(tǒng)應(yīng)用往更高頻率、更寬帶寬方向發(fā)展，對(duì)微波毫米波接收前端提出了更高的要求。因此，研究寬帶微波毫米波系統(tǒng)中存在的理論問題及關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于寬帶微波毫米波系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本文以實(shí)現(xiàn)微波毫米波高性能寬帶接收前端為目標(biāo)，對(duì)高選擇性

2、帶阻濾波技術(shù)、寬帶幅度均衡技術(shù)、群時(shí)延波動(dòng)分析與優(yōu)化、級(jí)間阻抗失配對(duì)系統(tǒng)幅頻響應(yīng)及噪聲系數(shù)的影響、高寬帶高增益系統(tǒng)中噪聲系數(shù)精確測(cè)量等接收前端中的的理論問題與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入的分析和研究，并應(yīng)用于Ka波段低幅相失真寬帶接收前端、Ku波段低噪聲接收變頻模塊(LNB)及W波段輻射計(jì)的研制中，完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究工作。本文的研究進(jìn)展包括以下內(nèi)容:
　　1、提出了一種微帶反向并聯(lián)雙耦合陷波結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有阻帶雙諧振特性，能夠有效展寬阻帶帶

3、寬。仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究表明該結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)平行耦合陷波結(jié)構(gòu)具有更高的頻率選擇性和更寬的阻帶帶寬。基于所提出的反向并聯(lián)雙耦合陷波結(jié)構(gòu)，研制了一款L波段結(jié)構(gòu)緊湊的高選擇性帶阻濾波器。為解決寬帶系統(tǒng)中普通帶阻濾波器強(qiáng)反射信號(hào)導(dǎo)致的鄰近元件性能惡化的問題，研制了一種基于電阻加載平行耦合結(jié)構(gòu)的吸收型帶阻濾波器，這種濾波器能夠有效的吸收阻帶信號(hào);通過對(duì)電路方案的改進(jìn)，使加載電阻的選擇具有更大的靈活性;仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的吸收型帶阻濾波器阻帶內(nèi)傳

4、輸參數(shù)、輸入端反射系數(shù)均小于-20dB，實(shí)現(xiàn)了阻帶信號(hào)有效吸收。
　　2.提出了一種基于低階帶通濾波器結(jié)合帶外陷波結(jié)構(gòu)的低群時(shí)延波動(dòng)帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)寬帶系統(tǒng)通帶內(nèi)群時(shí)延波動(dòng)特性進(jìn)行了分析與研究。C波段微帶帶通濾波器仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，采用該方法可以同時(shí)保證帶外高抑制度和帶內(nèi)良好的群時(shí)延平坦度特性。將這種設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于高相位正交性I-Q混頻電路中的濾波器設(shè)計(jì)，測(cè)試結(jié)果表明，這種方法能顯著降低I-Q兩路輸出電路中濾波器器

5、件參數(shù)誤差對(duì)群時(shí)延值的影響，提高了電路的I-Q兩路輸出信號(hào)的相位正交性。
　　3、為了改善負(fù)群時(shí)延電路的工程實(shí)用性，提出了一種新型的傳輸型低損耗負(fù)群時(shí)延電路，并對(duì)電路進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析。電路的負(fù)群時(shí)延特性是通過在平行耦合諧振單元靠近短路端加載電阻實(shí)現(xiàn)的，通過加載不同阻值的電阻可以配置不同的負(fù)群時(shí)延值，采用徑向開路扇形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了電路的緊湊性設(shè)計(jì)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該電路可配置獲得-2ns～-12ns的負(fù)群時(shí)延值，其最大信號(hào)衰減在6～1

6、0dB范圍內(nèi)。相比國(guó)外報(bào)道的負(fù)群時(shí)延電路，本文提出的負(fù)群時(shí)延電路在結(jié)構(gòu)緊湊性、信號(hào)衰減、端口駐波及負(fù)群時(shí)延可配置性等方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)，為負(fù)群時(shí)延電路在工程中的應(yīng)用提供了一種實(shí)際可行的電路實(shí)現(xiàn)方式。
　　4、建立了微波毫米波寬帶系統(tǒng)級(jí)間阻抗失配與通帶幅頻響應(yīng)的關(guān)系的理論分析模型，并針對(duì)如何有效改善系統(tǒng)通帶幅頻響應(yīng)平坦度進(jìn)行了深入研究，提出了能夠有效改善寬帶接收前端系統(tǒng)通帶內(nèi)增益平坦度的寬帶幅度均衡方案，并設(shè)計(jì)了基于并聯(lián)微帶諧振單元

7、的Ka波段幅度均衡器和基于集總參數(shù)器件設(shè)計(jì)的L波段寬帶幅度均衡器。結(jié)合寬帶幅度均衡技術(shù)及低群時(shí)延波動(dòng)濾波器設(shè)計(jì)方法對(duì)Ka頻段寬帶接收前端的系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)研究表明，研制的Ka頻段寬帶接收前端在最大增益達(dá)60dB條件下，通帶內(nèi)幅頻響應(yīng)平坦優(yōu)于±0.45dB，帶內(nèi)群時(shí)延波動(dòng)低于1.8ns，實(shí)現(xiàn)了寬頻段內(nèi)低幅相失真。
　　5、在對(duì)射頻級(jí)間阻抗失配與系統(tǒng)噪聲系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)噪聲系數(shù)最優(yōu)的系統(tǒng)增益配置方法

8、，該方法基于當(dāng)前器件性能水平對(duì)系統(tǒng)逐層分解配置，簡(jiǎn)化了高增益系統(tǒng)設(shè)計(jì)中噪聲系數(shù)、增益的配置和優(yōu)化的過程。對(duì)寬帶高增益接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)測(cè)量方法進(jìn)行了研究，建立了分析增益壓縮引起的噪聲系數(shù)測(cè)量誤差的理論模型，并提出了噪聲系數(shù)測(cè)量中判斷寬帶高增益系統(tǒng)是否存在增益壓縮的判據(jù)?；谏鲜龇椒ǎ岢隽穗p頻段Ku波段低噪聲變頻模塊(LNB)的設(shè)計(jì)方案，并研制了關(guān)鍵電路，包括寬帶低噪聲放大器、輸出頻點(diǎn)可切換的本振源、高性能Bias-Tee電路及寬帶均衡

9、電路等。此外，在滿足系統(tǒng)帶外抑制要求的條件下，通過適當(dāng)展寬帶通濾波器帶寬有效降低了系統(tǒng)通內(nèi)群時(shí)延波動(dòng)值。實(shí)驗(yàn)研究表明，所研制的Ku波段LNB模塊噪聲系數(shù)典型值為0.90dB，通帶增益平坦度優(yōu)于±1.5dB，總體性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)外同類商用產(chǎn)品的相當(dāng)水平。
　　6、建立了寬帶毫米波輻射計(jì)的亮溫分辨率有效帶寬隨系統(tǒng)增益不平坦度變化的評(píng)估模型，定量分析了通帶增益不平坦度對(duì)系統(tǒng)有效帶寬的影響。對(duì)采用超外差體制的W波段單通道和六通道輻射計(jì)的系

10、統(tǒng)方案進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。通過中頻寬帶幅度均衡技術(shù)和數(shù)控增益調(diào)節(jié)及積分時(shí)間調(diào)節(jié)電路，解決了毫米波寬帶系統(tǒng)頻域內(nèi)幅度不平衡和多通道之間增益及亮溫靈敏度不一致性等關(guān)鍵技術(shù)問題。根據(jù)低噪放和下變頻器的寬帶頻響特性，研制了寬帶均衡中頻電路，實(shí)現(xiàn)了在11GHz射頻帶寬內(nèi)變頻增益波動(dòng)低于±1.5dB的優(yōu)良幅頻特性。構(gòu)建了W波段輻射計(jì)試驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)亮溫靈敏度和長(zhǎng)期工作穩(wěn)定度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，研制的輻射計(jì)具有優(yōu)于0.55K的亮溫靈敏度，長(zhǎng)期工作性能穩(wěn)