諧振腔穩(wěn)頻及壓控毫米波固態(tài)源理論與技術研究.pdf

1、毫米波固態(tài)源是毫米波系統(tǒng)的核心部件之一，高性能毫米波固態(tài)源理論與技術的研究對于發(fā)展毫米波應用技術及太赫茲（THz）技術具有重要意義。本文基于國產(chǎn)IMPATT器件和GUNN器件的技術水平，以充分挖掘國產(chǎn)器件的潛力、獨立自主地研制高性能毫米波固態(tài)源為目標，深入研究了諧振腔穩(wěn)頻和壓控毫米波振蕩器的理論與實現(xiàn)技術。提出了多種新型負阻振蕩器的電路結(jié)構形式，建立了相應的等效電路模型，據(jù)此對振蕩器性能進行了深入的分析計算，并完成了相關實驗研究工作。在

2、毫米波諧振腔穩(wěn)頻振蕩器和壓控振蕩器理論與實現(xiàn)技術等方面取得了新的研究進展。主要的研究成果包括以下五個方面： 1．對毫米波反射式諧振腔穩(wěn)頻振蕩器進行了理論與實驗研究。改進了已有的毫米波反射式諧振腔穩(wěn)頻諧波振蕩器的簡化電路模型，考慮了諧振腔對二次諧波的耦合作用和諧波輸出端不完全匹配的影響，建立了一個更為精確的電路模型，據(jù)此分析了毫米波諧波振蕩器的頻率穩(wěn)定度等性能參數(shù)與電路模型參數(shù)之間的關系，得到了振蕩器穩(wěn)頻系數(shù)和效率分別隨諧振腔等效

3、電阻和耦合端口反射系數(shù)變化的一般規(guī)律，討論了性能參數(shù)之間的相互制約關系，為設計高頻率穩(wěn)定度、低相位噪聲的反射式諧振腔穩(wěn)頻諧波振蕩器充實了電路理論基礎。針對國產(chǎn)IMPATT器件和GUNN器件，研制了毫米波反射式諧振腔穩(wěn)頻振蕩器，完成了振蕩器的調(diào)試以及結(jié)果的測試和分析。實驗結(jié)果表明，與低品質(zhì)因數(shù)自由振蕩器相比，反射式諧振腔穩(wěn)頻振蕩器輸出信號的相位噪聲改善量超過13dBc/Hz@1MHz，頻率穩(wěn)定度改善接近一個量級。 2．為了獲得高頻

4、率穩(wěn)定度和低相位噪聲的毫米波信號，對毫米波傳輸式諧振腔穩(wěn)頻振蕩器的特性進行理論建模與實驗研究。建立了毫米波傳輸式諧振腔穩(wěn)頻諧波振蕩器的等效電路模型，分析了它的機械調(diào)諧特性，推導了效率和品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)與電路參數(shù)之間的解析表達式，得到了振蕩器性能參數(shù)隨電路參數(shù)變化的一般規(guī)律。討論了振蕩器設計中的幾個具體問題，對這類振蕩器的優(yōu)化設計具有指導作用。在實驗研究方面，設計并加工了毫米波傳輸式諧振腔穩(wěn)頻振蕩器腔體，以國產(chǎn)IMPATT器件和GUNN器件

5、為有源器件，完成了實驗的設計、振蕩器的調(diào)試以及結(jié)果的檢測和整理。從結(jié)果可以看出，與低品質(zhì)因數(shù)自由振蕩器相比，傳輸式諧振腔穩(wěn)頻振蕩器輸出信號的相位噪聲降低16dBc/Hz@1MHz以上，頻率穩(wěn)定度改善一個量級左右。 3．為精確設計毫米波波導型壓控振蕩器（VCO），提出了數(shù)值計算和等效網(wǎng)絡相結(jié)合的分析方法。以有源器件和變?nèi)莨艿膫?cè)表面作為兩個參考面，建立兩端口等效網(wǎng)絡模型。利用模式匹配法，通過計算分別得到了并聯(lián)結(jié)構和串聯(lián)結(jié)構毫米波波導

6、型VCO腔體內(nèi)的電磁場分布參數(shù)。借助電磁場參數(shù)提取兩端口等效網(wǎng)絡的參數(shù)。通過網(wǎng)絡變換，最終建立起外電路阻抗與變?nèi)莨茏杩挂约罢袷幤髑惑w結(jié)構參數(shù)的關系，所得結(jié)果可應用于優(yōu)化設計腔體的結(jié)構與尺寸，從而設計出滿足要求的VCO腔體結(jié)構。在理論分析的基礎上，利用國產(chǎn)變?nèi)莨芎虶UNN器件，研制了V波段并聯(lián)結(jié)構VCO。構建了輸出信號的功率和頻率檢測系統(tǒng)，完成了振蕩器的調(diào)試及數(shù)據(jù)的采集和整理。實驗結(jié)果表明，這種VCO的電調(diào)諧帶寬超過200MHz，輸出功率

7、大于15mW，具有較好的線性度和合適的推頻系數(shù)，適用于毫米波鎖相環(huán)路之中。 4．為了產(chǎn)生低相位噪聲和高頻率穩(wěn)定度的電可調(diào)信號，提出了毫米波諧振腔穩(wěn)頻變?nèi)莨茈娬{(diào)諧振蕩器的技術方案。首先給出了兩種諧振腔穩(wěn)頻變?nèi)莨茈娬{(diào)諧振蕩器的電路結(jié)構形式，并建立了這兩種結(jié)構振蕩器的等效電路模型，然后依據(jù)等效電路研究了振蕩器在電調(diào)諧過程中的模式問題，推導了品質(zhì)因數(shù)和效率與電路參數(shù)之間的解析表達式，分析了性能參數(shù)隨電路參數(shù)變化的一般規(guī)律，并對比討論了兩

8、種結(jié)構振蕩器各自的特點。理論研究表明，通過合理地設計腔體結(jié)構，這兩種結(jié)構振蕩器都具有降低輸出信號相位噪聲和改善振蕩器頻率穩(wěn)定度的效果。 5．針對國產(chǎn)毫米波器件輸出功率有限的現(xiàn)狀，為獲得較大功率的電可調(diào)信號，提出了毫米波單腔多器件變?nèi)莨茈娬{(diào)諧振蕩器的電路結(jié)構。給出了這種振蕩器的等效電路模型，基于單腔多器件振蕩器的電路理論和電路模型，研究了振蕩器的電調(diào)特性，分析了它的品質(zhì)因數(shù)和效率等性能參數(shù)隨電路參數(shù)的變化關系。理論分析結(jié)果表明，這