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小型毫米波频率合成技术研究

詹铭周  
【摘要】:频率合成源被誉为电子系统的心脏,其性能直接影响到系统的整机性能。随着毫米波理论、器件水平、新型封装技术与电路制作工艺的发展,频率合成源的性能不断提高。另一方面,目前毫米波无线通信、雷达、制导和测试等系统发展迅猛、需求紧迫,这些系统都对频率合成源提出了越来越高的要求。因此,研究毫米波频率合成技术具有重要的意义和紧迫性,也是国内外学者关注的焦点。 本文的研究内容主要包括以下几个方面: 1、本文结合频率合成方式的各自优缺点,研究了五种小型混合式频率合成方法,规避了单一频率合成方式的局限,为实现具有小型化、平面化、低相位噪声、低杂散、宽带和捷变频等性能的频率合成器提供了理论基础。研究了两种小型相参频率合成方法,突破了由传统变频-滤波技术实现的相参源的固有缺陷。在此基础上,提出了全平面集成的W波段频率合成源实现方法——采用多级倍频扩展频带的方法对微波频率源进行扩频来实现W波段频率合成源,该方案的构架为W波段频率合成源的实现提供了一种更好方式。 2、研究了用于扩频的W波段低次倍频技术。首先,对比研究了MMIC式、平衡二极管式、自偏置平衡二极管式三种W波段三倍频技术,利用谐波平衡法对各电路进行了设计、分析与验证。这三种方式中,自偏置平衡二极管倍频具有最佳变频损耗。第二,研究了一种平面集成W波段二倍频技术,采用单管倍频的方案,使用谐波平衡法研究并设计了低成本、小型化和低变频损耗的二倍频器,实验结果与预期吻合。第三,将小型微波频率合成源×4×3扩频得到W波段倍频频率合成源;将小型微波相参频率合成源×2×2×2扩频得到W波段相参频率合成源。验证了两种实现W波段扩频源方法的正确性。 3、在对W波段频率合成源的应用探索方面,提出了小型3mm导引雷达样机方案。为提高接收机的接收灵敏度,必须突破接收混频器的宽带、低变频损耗和低驻波这三个关键技术指标。本文采用了五端口环形电桥作为平衡混频器的基本单元,提出了一种基于多线紧耦合结构的W波段宽带、低损耗的隔直/滤波器,采用该结构的平衡混频器比传统平衡混频器具有更宽带宽、更低变频损耗和更好的驻波特性。第二,在W波段大功率发射机的研究中,研制了W波段保护开关和W波段脉冲信号检波器,采用了多级注入锁定大功率IMPATT脉冲振荡器的方案,完成了在94.2±0.16GHz内,脉冲输出大于22W的发射机的研究。最后,通过对小型3mm集成导引雷达样机的外场实验验证了方案的可行性。 4、低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic——LTCC)是微波毫米波高密度集成技术的研究热点与发展趋势之一。本文研究了微波毫米波LTCC电路的关键技术问题,包括层间垂直通孔过渡、层间耦合式过渡、子模块之间互连、不同传输线之间的互连、屏蔽等诸多问题。提出并验证了一种适合于DC~40GHz的层间垂直通孔互连结构;研究并验证了多种LTCC共面波导到矩形波导的过渡结构;提出了一种能够大大降低接地通孔数量的电路屏蔽措施;对LTCC滤波器的综合与设计做了详细的研究,并以实验验证了LTCC埋置滤波器。这部分研究成果为新型封装技术(LTCC)与毫米波电路的结合提供了有利的技术支持。 5、提出利用LTCC工艺实现毫米波频率合成源。首先,研究了基于混频锁相环的微波LTCC频率合成源,并在LTCC多层基板上完成了制作,用实验结果验证了该方案的可行性;第二,提出了基于混频锁相+倍频的Ka波段LTCC频率合成方案,该方案在LTCC基板内部埋置了微波滤波器滤除混频支路中的谐波分量,在基板内部实现电源、信号、数字连接的分层交叉布线。实验结果与预期吻合很好,首次在毫米波频段报道了LTCC频率合成源。最后还对Ka波段LTCC频率合成器做了小型化设计,使体积和重量都减小了56%以上。


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