基于基片集成波導(dǎo)的高性能毫米波平面振蕩器研究與應(yīng)用.pdf

1、目前，由于無線應(yīng)用多元化，造成頻譜資源緊張，促使新興毫米波雷達(dá)和無線通信迅速發(fā)展，這對毫米波系統(tǒng)提出了新的要求—更好的電氣性能與更高的集成度。毫米波平面振蕩器是毫米波平面集成系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的性能好壞直接影響整個毫米波平面集成系統(tǒng)的性能以及功能能否實現(xiàn)。在毫米波頻段，相位噪聲是振蕩器最關(guān)鍵的指標(biāo)之一，因此對高性能低相位噪聲毫米波平面振蕩器開展研究，具有重大的現(xiàn)實意義。本文基于一種新型的平面?zhèn)鬏斁€結(jié)構(gòu)—基片集成波導(dǎo)（Substrate

2、Integrated Waveguide, SIW），對毫米波低相位噪聲平面振蕩器的設(shè)計和應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，主要研究工作可概括為如下幾個方面：
　　（1）本文系統(tǒng)地介紹了基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（SIW），概括了其基本理論、電氣特性和設(shè)計方法。
　?。?）本文系統(tǒng)地介紹了振蕩器的分析方法和設(shè)計理論，詳細(xì)闡述了振蕩器電路的相位噪聲特性以及低相位噪聲振蕩器的實現(xiàn)方法。
　?。?）基于電磁場仿真軟件，對SIW諧振器進(jìn)行了詳細(xì)研究，

3、包括：諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)和能量耦合結(jié)構(gòu)等。在此基礎(chǔ)上，基于負(fù)阻理論，提出一種低相位噪聲毫米波平面振蕩器的設(shè)計方法。將一個新穎的機(jī)械可調(diào)SIW平面諧振器應(yīng)用到W波段振蕩器電路中，詳細(xì)分析了SIW諧振器對毫米波平面振蕩器性能的影響。實驗結(jié)果驗證了該低相位噪聲毫米波平面振蕩器設(shè)計方法的可行性。
　?。?）在前期研究成果的基礎(chǔ)上，針對毫米波平面系統(tǒng)對高穩(wěn)定度、低相位噪聲小型化本振源的迫切需求，本文基于SIW諧振器對W波段低相位噪聲平面單頻

4、振蕩器進(jìn)行了詳細(xì)研究，并利用國產(chǎn)GaAs Gunn二極管在低成本介質(zhì)基片上實現(xiàn)了該平面振蕩器。測試結(jié)果表明：該平面振蕩器在94.78 GHz輸出功率大于9 dBm，相位噪聲為-108.56 dBc/Hz@1MHz，具有可供工程實用的輸出功率、相位噪聲等性能指標(biāo)以及緊湊的電路尺寸。
　　（5）為了提升性能，現(xiàn)代毫米波系統(tǒng)廣泛采用相參的工作體制，這要求振蕩源能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的電調(diào)諧?；谧?nèi)莨苷{(diào)諧的壓控振蕩器（ Voltage-Contr

5、olled Oscillator，VCO）具有調(diào)諧速度快、體積小、成本低、易于集成等優(yōu)點，是目前VCO設(shè)計的首選。針對毫米波頻段常用的基波鎖相、諧波輸出頻率源電路的應(yīng)用要求，本文對基于 SIW的毫米波低相位噪聲雙端口平面 VCO進(jìn)行了深入研究。測試結(jié)果表明：設(shè)計的VCO能夠同時工作在Ka和E波段。在基波輸出端口，輸出信號的中心頻率為32 GHz，調(diào)諧帶寬大于120 MHz，輸出功率為6.04~8.75 dBm，偏離載波1 MHz的相位噪

6、聲為-114.7 dBc/Hz；在諧波輸出端口，輸出信號的中心頻率為64 GHz，調(diào)諧帶寬大于240 MHz，輸出功率為7.2~9.46 dBm。
　?。?）除了通過優(yōu)化振蕩器電路自身設(shè)計的方法來降低相位噪聲外，還可以通過頻率相參技術(shù)，如注入鎖定（Injection-Locked，IL）技術(shù)，利用低頻高性能參考信號來實現(xiàn)毫米波信號的低相位噪聲和高穩(wěn)定度。注入鎖定諧波振蕩器（Injection-Locked Harmonic Osc