微波毫米波高性能接收前端關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用.pdf

1、微波毫米波接收前端是軍/民通信應(yīng)用系統(tǒng)、高速無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及毫米波探測成像系統(tǒng)中的核心單元，其雜散干擾抑制能力、通帶幅頻響應(yīng)平坦度、通帶群時延波動及噪聲系數(shù)是衡量接收機性能的關(guān)鍵技術(shù)指標。隨著微波毫米波系統(tǒng)應(yīng)用往更高頻率、更寬帶寬方向發(fā)展，對微波毫米波接收前端提出了更高的要求。因此，研究寬帶微波毫米波系統(tǒng)中存在的理論問題及關(guān)鍵技術(shù)對于寬帶微波毫米波系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本文以實現(xiàn)微波毫米波高性能寬帶接收前端為目標，對高選擇性

2、帶阻濾波技術(shù)、寬帶幅度均衡技術(shù)、群時延波動分析與優(yōu)化、級間阻抗失配對系統(tǒng)幅頻響應(yīng)及噪聲系數(shù)的影響、高寬帶高增益系統(tǒng)中噪聲系數(shù)精確測量等接收前端中的的理論問題與關(guān)鍵技術(shù)進行深入的分析和研究，并應(yīng)用于Ka波段低幅相失真寬帶接收前端、Ku波段低噪聲接收變頻模塊(LNB)及W波段輻射計的研制中，完成了相關(guān)實驗研究工作。本文的研究進展包括以下內(nèi)容:
　　1、提出了一種微帶反向并聯(lián)雙耦合陷波結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有阻帶雙諧振特性，能夠有效展寬阻帶帶

3、寬。仿真分析和實驗研究表明該結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)平行耦合陷波結(jié)構(gòu)具有更高的頻率選擇性和更寬的阻帶帶寬?；谒岢龅姆聪虿⒙?lián)雙耦合陷波結(jié)構(gòu)，研制了一款L波段結(jié)構(gòu)緊湊的高選擇性帶阻濾波器。為解決寬帶系統(tǒng)中普通帶阻濾波器強反射信號導(dǎo)致的鄰近元件性能惡化的問題，研制了一種基于電阻加載平行耦合結(jié)構(gòu)的吸收型帶阻濾波器，這種濾波器能夠有效的吸收阻帶信號;通過對電路方案的改進，使加載電阻的選擇具有更大的靈活性;仿真和實驗結(jié)果表明，研制的吸收型帶阻濾波器阻帶內(nèi)傳

4、輸參數(shù)、輸入端反射系數(shù)均小于-20dB，實現(xiàn)了阻帶信號有效吸收。
　　2.提出了一種基于低階帶通濾波器結(jié)合帶外陷波結(jié)構(gòu)的低群時延波動帶通濾波器的設(shè)計方法，并對寬帶系統(tǒng)通帶內(nèi)群時延波動特性進行了分析與研究。C波段微帶帶通濾波器仿真分析和實驗研究表明，采用該方法可以同時保證帶外高抑制度和帶內(nèi)良好的群時延平坦度特性。將這種設(shè)計方法應(yīng)用于高相位正交性I-Q混頻電路中的濾波器設(shè)計，測試結(jié)果表明，這種方法能顯著降低I-Q兩路輸出電路中濾波器器

5、件參數(shù)誤差對群時延值的影響，提高了電路的I-Q兩路輸出信號的相位正交性。
　　3、為了改善負群時延電路的工程實用性，提出了一種新型的傳輸型低損耗負群時延電路，并對電路進行了理論和實驗分析。電路的負群時延特性是通過在平行耦合諧振單元靠近短路端加載電阻實現(xiàn)的，通過加載不同阻值的電阻可以配置不同的負群時延值，采用徑向開路扇形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了電路的緊湊性設(shè)計。實測結(jié)果表明，該電路可配置獲得-2ns～-12ns的負群時延值，其最大信號衰減在6～1

6、0dB范圍內(nèi)。相比國外報道的負群時延電路，本文提出的負群時延電路在結(jié)構(gòu)緊湊性、信號衰減、端口駐波及負群時延可配置性等方面均具有明顯優(yōu)勢，為負群時延電路在工程中的應(yīng)用提供了一種實際可行的電路實現(xiàn)方式。
　　4、建立了微波毫米波寬帶系統(tǒng)級間阻抗失配與通帶幅頻響應(yīng)的關(guān)系的理論分析模型，并針對如何有效改善系統(tǒng)通帶幅頻響應(yīng)平坦度進行了深入研究，提出了能夠有效改善寬帶接收前端系統(tǒng)通帶內(nèi)增益平坦度的寬帶幅度均衡方案，并設(shè)計了基于并聯(lián)微帶諧振單元

7、的Ka波段幅度均衡器和基于集總參數(shù)器件設(shè)計的L波段寬帶幅度均衡器。結(jié)合寬帶幅度均衡技術(shù)及低群時延波動濾波器設(shè)計方法對Ka頻段寬帶接收前端的系統(tǒng)方案進行優(yōu)化，實驗研究表明，研制的Ka頻段寬帶接收前端在最大增益達60dB條件下，通帶內(nèi)幅頻響應(yīng)平坦優(yōu)于±0.45dB，帶內(nèi)群時延波動低于1.8ns，實現(xiàn)了寬頻段內(nèi)低幅相失真。
　　5、在對射頻級間阻抗失配與系統(tǒng)噪聲系數(shù)之間的關(guān)系進行深入研究的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)噪聲系數(shù)最優(yōu)的系統(tǒng)增益配置方法

8、，該方法基于當(dāng)前器件性能水平對系統(tǒng)逐層分解配置，簡化了高增益系統(tǒng)設(shè)計中噪聲系數(shù)、增益的配置和優(yōu)化的過程。對寬帶高增益接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)測量方法進行了研究，建立了分析增益壓縮引起的噪聲系數(shù)測量誤差的理論模型，并提出了噪聲系數(shù)測量中判斷寬帶高增益系統(tǒng)是否存在增益壓縮的判據(jù)。基于上述方法，提出了雙頻段Ku波段低噪聲變頻模塊(LNB)的設(shè)計方案，并研制了關(guān)鍵電路，包括寬帶低噪聲放大器、輸出頻點可切換的本振源、高性能Bias-Tee電路及寬帶均衡

9、電路等。此外，在滿足系統(tǒng)帶外抑制要求的條件下，通過適當(dāng)展寬帶通濾波器帶寬有效降低了系統(tǒng)通內(nèi)群時延波動值。實驗研究表明，所研制的Ku波段LNB模塊噪聲系數(shù)典型值為0.90dB，通帶增益平坦度優(yōu)于±1.5dB，總體性能指標達到了國外同類商用產(chǎn)品的相當(dāng)水平。
　　6、建立了寬帶毫米波輻射計的亮溫分辨率有效帶寬隨系統(tǒng)增益不平坦度變化的評估模型，定量分析了通帶增益不平坦度對系統(tǒng)有效帶寬的影響。對采用超外差體制的W波段單通道和六通道輻射計的系

10、統(tǒng)方案進行了分析設(shè)計。通過中頻寬帶幅度均衡技術(shù)和數(shù)控增益調(diào)節(jié)及積分時間調(diào)節(jié)電路，解決了毫米波寬帶系統(tǒng)頻域內(nèi)幅度不平衡和多通道之間增益及亮溫靈敏度不一致性等關(guān)鍵技術(shù)問題。根據(jù)低噪放和下變頻器的寬帶頻響特性，研制了寬帶均衡中頻電路，實現(xiàn)了在11GHz射頻帶寬內(nèi)變頻增益波動低于±1.5dB的優(yōu)良幅頻特性。構(gòu)建了W波段輻射計試驗樣機，對亮溫靈敏度和長期工作穩(wěn)定度進行了實驗研究，結(jié)果表明，研制的輻射計具有優(yōu)于0.55K的亮溫靈敏度，長期工作性能穩(wěn)