W波段正交混頻器及其應(yīng)用研究.pdf

1、W波段覆蓋了75～110GHz的電磁頻譜，處于大氣吸收窗口頻段，具有極寬的頻帶，蘊(yùn)涵著巨大的頻譜資源。W波段屬于短毫米波頻段，相關(guān)設(shè)備體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、通信容量大、能全天候工作，因而在軍事及民用雷達(dá)與通信系統(tǒng)應(yīng)用中具有極大的發(fā)展?jié)摿Α：撩撞ㄕ换祛l器（I/Q混頻器）同時(shí)具有頻率轉(zhuǎn)換和提供正交中頻相位兩方面的功能，因此廣泛應(yīng)用于毫米波雷達(dá)、精確制導(dǎo)、寬帶無線通信等前沿電子技術(shù)領(lǐng)域。本文以實(shí)現(xiàn)W波段高性能正交混頻器為目標(biāo)，利用S

2、chottky勢壘混頻二極管和毫米波混合集成電路技術(shù)，基于國內(nèi)現(xiàn)有工藝水平和研發(fā)條件，解決了方案分析、仿真建模、優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝實(shí)現(xiàn)及性能測量等關(guān)鍵技術(shù)，研制出了W波段組件形式和集成一體化形式兩種正交混頻器實(shí)驗(yàn)樣品，并將其應(yīng)用于該波段鏡頻抑制混頻器的實(shí)驗(yàn)研究。本文主要研究工作包括:
　　1、單平衡混頻器是正交混頻器的重要組成部分，本文首先分析了幾種毫米波單平衡混頻器的工作原理和電路特性，根據(jù)W波段正交混頻器的基本設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)有工藝條

3、件，選取了合適的混合集成形式單平衡混頻器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定了本振反相型單平衡混頻器的具體設(shè)計(jì)方案。在分析研究正交混頻器電路理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了W波段正交混頻器組件的整體架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方案，針對(duì)短毫米波段設(shè)計(jì)和工藝誤差難以嚴(yán)格控制、兩路中頻輸出信號(hào)的正交性難以精確實(shí)現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的調(diào)試解決方案。根據(jù)正交混頻器組件整體結(jié)構(gòu)布局要求，確定了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的3dB正交耦合器和3dB功分器的具體結(jié)構(gòu)與接口設(shè)計(jì)方案。
　　2、根據(jù)組件形式的正交

4、混頻器的設(shè)計(jì)要求，研制了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的W波段寬帶3dB正交耦合器和寬帶3dB功分器。結(jié)合波導(dǎo)小孔耦合理論和HFSS仿真分析軟件，對(duì)寬帶3dB多孔正交耦合器進(jìn)行了仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì);利用HFSS對(duì)寬帶波導(dǎo)功分器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)測結(jié)果表明，在90～100GHz頻率范圍，正交耦合器輸入端至直通端和耦合端之間的插入損耗典型值均為3.6dB（考慮3dB的分配損耗，正交耦合器凈損耗0.6dB左右），兩路輸出功率不平衡度小于0.4dB，在91～99GH

5、z上優(yōu)于0.2dB。耦合器隔離度測試結(jié)果典型值為22dB。在90～100GHz上，功分器輸入端口與兩路等分輸出端之間的插入損耗為3.5～3.8dB（含分配損耗3dB，凈損耗0.5～0.8dB），兩路輸出功率不平衡度在0.1dB以內(nèi)。正交耦合器和功分器實(shí)測結(jié)果與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果一致性良好，其性能滿足正交混頻器組件設(shè)計(jì)要求。
　　3、采用混合集成電路技術(shù)，利用高截止頻率的Schottky混頻管研制成功了W波段低變頻損耗單平衡混頻器。為了拓

6、展帶寬、便于工藝實(shí)現(xiàn)并能適應(yīng)后續(xù)正交混頻器組件中頻輸出設(shè)計(jì)方案要求，單平衡混頻器以微帶三分支線正交耦合器和四分之一波長微帶線的組合電路作為混合網(wǎng)絡(luò)。利用HFSS對(duì)三分支線微帶耦合器、中頻低通濾波器和波導(dǎo)-微帶探針過渡等無源電路進(jìn)行建模仿真優(yōu)化，提取其S參數(shù)并與混頻二極管精確等效電路模型相結(jié)合，對(duì)整個(gè)混頻器電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。加工制作了兩套單平衡混頻器實(shí)驗(yàn)樣品，構(gòu)建了相應(yīng)的測試系統(tǒng)對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行了測試與分析。實(shí)測結(jié)果為，當(dāng)固定本振頻率

7、為95GHz，中頻在0～7GHz范圍內(nèi)，變頻損耗小于10dB;固定射頻信號(hào)頻率為96GHz，中頻在0～15GHz范圍內(nèi)，變頻損耗亦小于10dB;當(dāng)保持中頻100MHz，射頻信號(hào)作為本振的上邊帶和下邊帶兩種情況下的變頻損耗變化很小，在81.5～98.5 GHz頻率范圍內(nèi)，變頻損耗為7.5±1.5dB。最佳本振功率＞14dBm，1dB壓縮點(diǎn)＞4dBm;在90～100GHz頻段內(nèi)本振到射頻端的隔離度典型值為15dB。本文所研制的W波段單平衡混

8、頻器的變頻損耗、本振與射頻端口間隔離度等主要性能指標(biāo)與當(dāng)前國外同類產(chǎn)品相當(dāng)，中頻帶寬有明顯優(yōu)勢。
　　4、將上述波導(dǎo)3dB正交耦合器、3dB功分器和兩個(gè)對(duì)稱的單平衡混頻器按照所設(shè)計(jì)方案組合起來，構(gòu)成了一套W波段正交混頻器組件實(shí)驗(yàn)樣品。功分器的公共輸入端為正交混頻器組件的本振信號(hào)輸入端，其輸入總功率要求達(dá)到兩個(gè)平衡混頻器的本振電平要求;正交耦合器的輸入端為正交混頻器組件射頻信號(hào)輸入端，直通端和耦合端輸出信號(hào)相位正交，分別與兩個(gè)平衡混

9、頻器的射頻輸入端相接。利用W波段有源六倍頻器、無源三倍頻器和中等功率放大器及10dB定向耦合器等波導(dǎo)元件，構(gòu)建了W波段I/Q混頻器組件的測試系統(tǒng)，對(duì)其變頻損耗、I/Q中頻信號(hào)的正交性等性能進(jìn)行了測試。實(shí)測結(jié)果表明，在射頻90～97GHz范圍內(nèi)，正交混頻器組件I與Q兩路變頻損耗為10.9±1.3dB，在射頻為95GHz，中頻100MHz處，用雙路示波器測得兩路相位差為89°左右，幅度差相對(duì)值約為1.0％。
　　5、為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、

10、體積小重量輕的W波段I/Q混頻器，將波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的功分器和正交耦合器用微帶結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，并與兩個(gè)單平衡混頻器電路集成在一塊基片上，研制成功了集成化的W波段正交混頻器。在微帶三分支線正交耦合器和全頻段寬帶功分器仿真設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立了W波段集成正交混頻器的整體仿真分析模型。在腔體中采用金屬隔離柱增大本振和射頻電路之間以及兩單平衡混頻器之間的隔離度。在完成整體仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用混合集成電路工藝加工制作了W波段集成正交混頻器。測試結(jié)果為:在

11、射頻90～97GHz頻帶內(nèi)，集成正交混頻器I/Q兩路變頻損耗為11.4±1.4dB，兩路中頻信號(hào)相位正交性良好，在90～105 GHz頻帶內(nèi)本振與射頻端口間隔離度大于22dB。
　　6、鏡頻抑制是正交混頻器的一種重要應(yīng)用，鏡頻抑制度(Image Rejection Ratio，IRR)反映了正交混頻器I/Q兩路中頻信號(hào)的幅度一致性和相位正交性。本文設(shè)計(jì)制作了100MHz三分支集總參數(shù)正交耦合器，并設(shè)計(jì)了單頻點(diǎn)鏡頻抑制度調(diào)試方案。中