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毫米波前端电路研究

唐聪  
【摘要】:随着科学技术的进步,各种通信技术的快速发展,电磁频谱日益拥挤。而毫米波具有波长短、频带宽、信息容量大等优势,越来越受到全世界研究机构及通信企业的关注;各种军用与民用系统的工作频率已逐渐从微波频段扩展到毫米波频段。特别是近些年来,随着超高速数据传输、5G通讯技术以及军用通信技术的发展,对毫米波系统提出了越来越高的要求,开展毫米波电路、毫米波无线系统的研究具有重要意义。本文从微波毫米波电路入手,以如何实现微波毫米波电路的高性能与小型化为出发点,对滤波器、功分器、变频器、波导到平面传输线的过渡等关键电路开展了深入研究。本文以36 GHz无线电引信为应用背景,在本文电路研究的基础上,研究了一套线性调频连续波(LFMCW)测距系统。主要研究工作包括:(1)微波滤波器本文根据工作频率范围的不同,分别研究了微带带通滤波器和SIW带通滤波器。微带带通滤波器包括宽带带通滤波器、带宽可调带通滤波器和宽阻带带通滤波器。在理论分析方面,本文结合传输理论,推导了滤波器的设计公式。对于SIW宽阻带带通滤波器,本文分析了具有不同宽长比谐振腔的高次模场分布;采用具有相同主模谐振频率的长方形与正方形谐振腔的组合,通过开窗及过孔耦合方式,实现主模频率传输而高次模抑制的目的。这些滤波器都开展了实验研究,实验与仿真结果良好吻合,证明了该研究思路的准确性。(2)微波毫米波功分器本文对功分器的研究围绕双通带、小型化(滤波功分器)、波导功分(3Dimensional Power Divider,3D PD)三个方面展开。对于双通带功分器,本文针对这类电路存在通带频率比的范围较窄、且不等功分时,某些特征阻抗过大或者过小,在电路中不能实现的问题,提出了一种基于枝节加载的双通带功分器。与报道的同类研究相比,该双通带功分器在实际电路设计中更加灵活,且该双通带功分器拥有更高的工作频率比。针对传统方法实现滤波和功分功能所导致的电路尺寸大和插入损耗增加的问题,本文提出了两种同时具有滤波与功分功能的滤波功分器——高选择性滤波功分器和零点可控滤波功分器。根据奇偶模的方法推导了两个电路的设计公式。这两个电路都开展了实验研究,实验测试结果与仿真结果吻合良好,证明了本文设计思路的正确性。为了克服传统波导功分器隔离度低、不易与其它平面电路集成的缺点,本文提出了一种工作于Ka频段的波导功分器。其具有结构紧凑、输出端口平面化、隔离度高的优点。实验研究表明,在34.6-39 GHz频率范围内,三个端口的回波损耗均优于15 dB,隔离度大于20 dB,在中心频率处,隔离度大于40 dB。(3)波导到平面传输线过渡及其应用为了实现波导与平面传输线之间的良好过渡,并考虑到其它微波电路如混频器、功分器在集成时的需要,研究了多种过渡电路,包括波导到SIW垂直型过渡、波导到微带直线型过渡和波导到微带垂直型过渡。这些过渡电路具有宽带、结构紧凑、低插损的优点;特别是波导到微带直线型过渡,除了过渡性能优异之外,该过渡电路还能够为直流提供回路。其将阻抗变换与直流回路的功能集成在一起,更有利于电路小型化与高性能的实现。为了便于3D PD实验,在波导到微带直线型过渡的基础上,提出了一种覆盖整个Ka频段的波导匹配负载。实验研究表明,在Ka频段全频段内,该波导负载回波损耗优于16.6 dB。在波导到微带垂直型过渡的基础上,本文研究了一种工作于36 GHz的微带阵列天线。实验研究表明,在36-37 GHz频率范围内,回波损耗大于13 dB,增益大于17 dBi。(4)毫米波变频器针对传统奇次谐波变频器结构单一,非平面化,且应用于上变频时,变频损耗大的问题。本文研究了一种平面化180°移相电路,并在其基础上提出了一种新型平面电路的Ka频段三次谐波上变频器。理论上,该奇次谐波上变频器比基于波导结构的奇次谐波上变频器拥有更低的变频损耗。实验研究表明,该上变频器在中频1.7-2.2 GHz频率范围内,变频损耗小于14 dB。(5)小型化毫米波雷达前端系统本文对调频连续波(FMCW)测距系统的原理进行了分析,根据该测距系统的作用距离,合理分解电路指标。在本文关键电路研究基础上,开展36 GHz的FMCW测距实验研究,并通过实验对整个系统进行验证。在该测距系统中,采用多种措施实现系统的小型化。第一,采用收发共用一个天线的方式,使得该系统尺寸大大减小。第二,采用波导功分器替代环形器,使整个系统进一步小型化。第三,接收支路中的混频器采用单端混频器,使得整个系统更加小型化。


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