Q波段收發(fā)信機中關鍵電路的研究與設計.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、穿透性強的特點，在高速無線通信、衛(wèi)星遙感、雷達探測等領域均具有非常好的應用前景。Q波段收發(fā)信機（主要包含振蕩器、混頻器、濾波器、功率放大器等模塊）是通信、雷達等系統(tǒng)的關鍵部件之一，直接決定了系統(tǒng)能否正常工作。發(fā)達國家較早對Q波段收發(fā)信機和關鍵部件進行了研究，并且有相關產(chǎn)品面世。不過這些主要是針對軍事應用，相關產(chǎn)品嚴格受控。隨著Q-LINKPAN的提出，國內(nèi)近幾年對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。本文基于國內(nèi)現(xiàn)有的工藝水平，以實現(xiàn)電路的高性能、低成本、易于平面集成為目的，對Q波段收發(fā)信機的關鍵電路及技術進行了研究，主要包括以下幾個部分:
　　(1)對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。為了實現(xiàn)更加緊湊的結(jié)構(gòu)，本文在寬帶鰭線濾波器的基礎上，加載周期性電容。實驗結(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)濾波器的設計中，降低了對加工工藝的要求，同時提高了濾波器的性能。在電耦合SIW濾波器研究基礎上，提出一種新型結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了濾波器的小型化設計。
　　(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傳輸零點，來提高濾波器的頻率選擇性。同時，為了進一步減小濾波器的尺寸，將雙模結(jié)構(gòu)引入諧振器中。測試結(jié)果表明，本文設計的低通濾波器具有高“滾降”特性以及寬阻帶寬度

4、。
　　(3)研究并實現(xiàn)了K波段寬帶基波混頻器。通過級聯(lián)的“鼠籠環(huán)”增加了帶寬。實驗結(jié)果顯示，當本振頻率為17GHz時，中頻DC～6GHz變頻損耗小于11dB;當中頻頻率固定在1GHz時，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)設計并實現(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。通過回收利用閑散的混頻分量來提高混頻效

5、率。實驗結(jié)果顯示該分諧波混頻器，射頻相對帶寬超過22％，中頻帶寬達到10GHz。為了進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，實驗結(jié)果顯示該諧波混頻器，射頻相對帶寬超過54％，中頻帶寬可到6GHz。
　　(5)針對傳統(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。測試結(jié)果表明，當中頻固定在2GHz時，在38～47GHz頻率范

6、圍內(nèi)，變頻損耗小于15.6dB;當本振固定在13GHz時，中頻帶寬大約為6.4GHz，此時變頻損耗小于16dB。
　　(6)提出了具有高Q值的互補開口諧振環(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計中。此外，還提出了基于CSRRs加載SIW圓諧振器的雙模濾波器，在此基礎上設計了X波段低相位噪聲振蕩器。實測結(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上，研究了進一步降低相位噪聲的方法比如通過引入高次模提高諧振器的Q值以及引入雙反饋回路，并通過實驗進行了驗證。
　　(7)非2的冪次方單元數(shù)的毫米波高效率功率合成技術的研究。首先，研究了鏈式和徑向波導功率合成技術，分別設計Q波段六路功率合成電路進行了驗證。針對三路波導定向耦合器端口之間存在相位差，無法直接進行功率合成的問題，設計了波導90°移相器。此外，還提出了

8、具有高端口隔離度的新型波導T型結(jié)，并將其與改進的三路波導定向耦合器級聯(lián)，設計了Q波段六路功率分配/合成電路。本文設計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。
　　(8)研究了人工表面等離激元(SSPP)傳輸線在微波、毫米波中的應用。提出了一種寬帶過渡，將SSPP波導過渡到微帶線，實驗結(jié)果表明該過渡相對工作帶寬超過127％。研究了SSPP傳輸線的封裝特性，從理論和實驗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