W波段小型化低噪聲前端關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、毫米波具有波長短、大帶寬、能全天候工作的特點(diǎn)，使得毫米波系統(tǒng)有著許多及其重要的應(yīng)用，例如寬帶通信、精確制導(dǎo)、高分辨率成像等。毫米波接收前端是毫米波系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一，接收前端的噪聲性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度。同時(shí)，前端的體積必須盡量小，重量必須盡量輕，以滿足機(jī)載、彈載等應(yīng)用平臺的要求。3mm頻段是毫米波四個(gè)大氣傳播窗口之一，具有很寬的頻譜資源。發(fā)達(dá)國家早在上個(gè)世紀(jì)八、九十年代就開始對這個(gè)頻段的器件進(jìn)行了大量的研究，并開發(fā)出了多種MMI

2、C芯片，以滿足W波段接收前端小型化和低噪聲的應(yīng)用需求。國內(nèi)對W波段器件的研究則起步較晚，目前報(bào)道的W波段器件和接收前端還主要集中在以鰭線為主要載體的混合集成電路水平上。但鰭線的體積較大，不易于和有源電路集成。而微帶電路具有體積小、重量輕、易于和平面電路集成等優(yōu)點(diǎn)。因此，在w波段對微帶電路的研究具有重要意義。本文立足于國內(nèi)現(xiàn)有器件和工藝水平，以實(shí)現(xiàn)W波段接收前端的小型化和低噪聲為目的，對W波段接收前端的關(guān)鍵器件和技術(shù)進(jìn)行了研究，主要研究內(nèi)

3、容包括以下幾個(gè)部分：
　　(1)對PIN管三維仿真模型的研究。針對W波段PIN管寄生參量對開關(guān)性能的影響較為嚴(yán)重，并且傳統(tǒng)SPICE參數(shù)難以描述這些寄生參量的問題，本文利用三維電磁仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了PIN管的準(zhǔn)確建模，并提取了相應(yīng)的寄生參量。為了說明所建立的仿真模型的準(zhǔn)確性，本文分別采用SPICE參數(shù)模型和所建的三維仿真模型設(shè)計(jì)了兩款參數(shù)相同的單刀單擲開關(guān)。測試結(jié)果表明，三維仿真模型能夠準(zhǔn)確反映PIN管的高頻特性，而SPICE數(shù)模型則

4、不能。
　　(2)利用電抗補(bǔ)償技術(shù)有效消除了PIN管寄生參量對開關(guān)性能的影響，實(shí)現(xiàn)了W波段微帶并聯(lián)型低插損、高隔離度單刀單擲開關(guān)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的開關(guān)在88GHz到98GHz頻帶內(nèi)的插入損耗小于1.5dB；在92.3GHz到95.3GHz頻帶內(nèi)的插入損耗小于1dB。在以94GHz為中心頻率的2GHz帶寬內(nèi)隔離度大于30dB，在91.5GHz到96.5GHz頻帶內(nèi)隔離度大于20dB。
　　(3)提出了一種新型分

5、諧波混頻器結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)分諧波混頻器結(jié)構(gòu)中的W波段四分之一波長短路分支線及側(cè)邊平行耦合濾波器。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)不僅降低了對加工精度的要求，而且還有效地降低了變頻損耗。測試結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)可以采用普通PCB工藝實(shí)現(xiàn)W波段二次分諧波混頻器?；祛l器的射頻頻率在80-100GHz頻段內(nèi)變頻損耗小于15dB，最小變頻損耗為10.9dB。
　　(4)分析了分諧波混頻器中二極管封裝結(jié)構(gòu)所引入的寄生參量，提出了一種減小二極管焊盤問寄生電容Cpp的安裝

6、結(jié)構(gòu)。為了驗(yàn)證所提出安裝結(jié)構(gòu)的有效性，本文采用該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款W波段二次分諧波混頻器。測試結(jié)果表明該混頻器在本振頻率為45GHz，中頻頻率為2.5GHz時(shí)單邊帶變頻損耗最小，最小值為8.3dB。射頻頻率在90-100GHz測試頻率范圍內(nèi)，變頻損耗的測量值小于10.5dB。與已發(fā)表同波段二次分諧波混頻器相比，本文所設(shè)計(jì)的這款混頻器的變頻損耗已經(jīng)接近最好水平，但所用的二極管的截止頻率卻遠(yuǎn)低于最好水平混頻器所采用的二極管的截止頻率。這種低變頻

7、損耗的獲得，說明了本文提出的安裝結(jié)構(gòu)的有效性。
　　(5)針對傳統(tǒng)二次分諧波混頻器結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)寬帶混頻器設(shè)計(jì)的問題，本文提出了一種寬帶、高中頻二次分諧波混頻器結(jié)構(gòu)。在W波段該結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)的中頻帶寬可到18GHz。由測試結(jié)果可知，中頻在0.1-18GHz內(nèi)(本振頻率為43GHz)變頻損耗小于13.7dB，最小變頻損耗為10.5dB?；祛l器在86-108GHz內(nèi)(固定中頻：12GHz)變頻損耗小于15dB，最小值為10.5dB，典型值為

8、12dB。
　　(6)考慮到W波段普通微帶濾波器的損耗較大，為了較好地在W波段實(shí)現(xiàn)鏡像抑制濾波器，本文還對鰭線濾波器進(jìn)行了研究，提出了一種新型鰭線耦合結(jié)構(gòu)。所實(shí)現(xiàn)的寬帶鰭線濾波器降低了對加工工藝的要求，并可顯著增加阻帶帶寬。實(shí)驗(yàn)證明，采用新型耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為30.2GHz，帶內(nèi)波紋因子0.1dB，相對帶寬為8％的7階鰭線濾波器，最小線條寬度為12mil，若要采用傳統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同的濾波器，最小線條尺寸為1mil。此外，

9、實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，與傳統(tǒng)鰭線濾波器相比，采用新型耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的寬阻帶鰭線濾波器的上阻帶帶寬增加了66％。
　　(7)提出了一種基于褶皺波導(dǎo)濾波器的屏蔽腔體結(jié)構(gòu)。這種屏蔽腔體可避免傳統(tǒng)屏蔽腔體中波導(dǎo)過模模式(oversizedmode)的產(chǎn)生。在短毫米波波段，該結(jié)構(gòu)可避免較大尺寸微帶電路(例如開關(guān)、濾波器等)的性能因上述寄生波導(dǎo)模式存在而惡化的問題。
　　(8)通過對微帶結(jié)構(gòu)開關(guān)電路及混頻器電路的研究，完成了一款W波段三通道小型