Q波段收發(fā)信機(jī)中關(guān)鍵電路的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、Q波段(33～50GHz)作為毫米波近端，具有帶寬寬、抗干擾能力強(qiáng)、穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，在高速無(wú)線通信、衛(wèi)星遙感、雷達(dá)探測(cè)等領(lǐng)域均具有非常好的應(yīng)用前景。Q波段收發(fā)信機(jī)（主要包含振蕩器、混頻器、濾波器、功率放大器等模塊）是通信、雷達(dá)等系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，直接決定了系統(tǒng)能否正常工作。發(fā)達(dá)國(guó)家較早對(duì)Q波段收發(fā)信機(jī)和關(guān)鍵部件進(jìn)行了研究，并且有相關(guān)產(chǎn)品面世。不過(guò)這些主要是針對(duì)軍事應(yīng)用，相關(guān)產(chǎn)品嚴(yán)格受控。隨著Q-LINKPAN的提出，國(guó)內(nèi)近幾年對(duì)Q波段

2、器件的研究也逐漸增多，但目前較少可用于商業(yè)用途。本文基于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的工藝水平，以實(shí)現(xiàn)電路的高性能、低成本、易于平面集成為目的，對(duì)Q波段收發(fā)信機(jī)的關(guān)鍵電路及技術(shù)進(jìn)行了研究，主要包括以下幾個(gè)部分:
　　(1)對(duì)Q波段鰭線結(jié)構(gòu)、微帶結(jié)構(gòu)及SIW結(jié)構(gòu)小型化帶通濾波器的研究。為了實(shí)現(xiàn)更加緊湊的結(jié)構(gòu)，本文在寬帶鰭線濾波器的基礎(chǔ)上，加載周期性電容。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在射頻性能類似的情況下，加載周期性電容的結(jié)構(gòu)尺寸縮小了20％左右。本文將平行耦合結(jié)構(gòu)與

3、多模諧振器以及開路短截線結(jié)合，用于微帶結(jié)構(gòu)濾波器的設(shè)計(jì)中，降低了對(duì)加工工藝的要求，同時(shí)提高了濾波器的性能。在電耦合SIW濾波器研究基礎(chǔ)上，提出一種新型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化設(shè)計(jì)。
　　(2)提出了一種新型階躍阻抗耦合微帶諧振器。利用該諧振器高低阻抗線之間的耦合引起的兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，來(lái)提高濾波器的頻率選擇性。同時(shí)，為了進(jìn)一步減小濾波器的尺寸，將雙模結(jié)構(gòu)引入諧振器中。測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的低通濾波器具有高“滾降”特性以及寬阻帶寬度

4、。
　　(3)研究并實(shí)現(xiàn)了K波段寬帶基波混頻器。通過(guò)級(jí)聯(lián)的“鼠籠環(huán)”增加了帶寬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)本振頻率為17GHz時(shí)，中頻DC～6GHz變頻損耗小于11dB;當(dāng)中頻頻率固定在1GHz時(shí)，在17～25GHz射頻頻率范圍變頻損耗小于10dB。此外該混頻器還具有良好的端口隔離度。
　　(4)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了兩款寬帶毫米波二次分諧波混頻器。提出了一款新型短路結(jié)構(gòu)濾波器，并將其用于混頻器的本振端口。通過(guò)回收利用閑散的混頻分量來(lái)提高混頻效

5、率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該分諧波混頻器，射頻相對(duì)帶寬超過(guò)22％，中頻帶寬達(dá)到10GHz。為了進(jìn)一步提高射頻工作帶寬，提出了一款寬帶短路結(jié)構(gòu)濾波器，并將其用于混頻器的射頻端，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該諧波混頻器，射頻相對(duì)帶寬超過(guò)54％，中頻帶寬可到6GHz。
　　(5)針對(duì)傳統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)毫米波奇次分諧波混頻器難以與其它平面電路集成的問(wèn)題，本文提出了一種基于SIW結(jié)構(gòu)的Q波段三次分諧波混頻器。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)中頻固定在2GHz時(shí)，在38～47GHz頻率范

6、圍內(nèi)，變頻損耗小于15.6dB;當(dāng)本振固定在13GHz時(shí)，中頻帶寬大約為6.4GHz，此時(shí)變頻損耗小于16dB。
　　(6)提出了具有高Q值的互補(bǔ)開口諧振環(huán)(CSRR)加載SIW圓諧振器，以及CSRR加載1/4模SIW圓諧振器，并將其用于串聯(lián)反饋式低相位噪聲振蕩器的設(shè)計(jì)中。此外，還提出了基于CSRRs加載SIW圓諧振器的雙模濾波器，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了X波段低相位噪聲振蕩器。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，振蕩頻率為10.113GHz，在偏離振蕩頻率1

7、00KHz處的相位噪聲為-122dBc/Hz。在串聯(lián)反饋式振蕩器的基礎(chǔ)上，研究了進(jìn)一步降低相位噪聲的方法比如通過(guò)引入高次模提高諧振器的Q值以及引入雙反饋回路，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　(7)非2的冪次方單元數(shù)的毫米波高效率功率合成技術(shù)的研究。首先，研究了鏈?zhǔn)胶蛷较虿▽?dǎo)功率合成技術(shù)，分別設(shè)計(jì)Q波段六路功率合成電路進(jìn)行了驗(yàn)證。針對(duì)三路波導(dǎo)定向耦合器端口之間存在相位差，無(wú)法直接進(jìn)行功率合成的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了波導(dǎo)90°移相器。此外，還提出了

8、具有高端口隔離度的新型波導(dǎo)T型結(jié)，并將其與改進(jìn)的三路波導(dǎo)定向耦合器級(jí)聯(lián)，設(shè)計(jì)了Q波段六路功率分配/合成電路。本文設(shè)計(jì)的三款六路功率合成電路均具有插入損耗低、加工安裝方便的特點(diǎn)。
　　(8)研究了人工表面等離激元(SSPP)傳輸線在微波、毫米波中的應(yīng)用。提出了一種寬帶過(guò)渡，將SSPP波導(dǎo)過(guò)渡到微帶線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該過(guò)渡相對(duì)工作帶寬超過(guò)127％。研究了SSPP傳輸線的封裝特性，從理論和實(shí)驗(yàn)角度證明其比微帶結(jié)構(gòu)在緊湊封裝中具有更好的傳輸