D波段與F波段鎖相頻率合成技術(shù)研究.pdf

1、毫米波高端的F波段（90-140GHz）和D波段（110-170GHz）覆蓋了很寬的頻率范圍，蘊(yùn)涵著極大的頻譜資源，在地面短距離寬帶通信、星際通信、雷達(dá)目標(biāo)探測、高分辨率成像、精確制導(dǎo)及電子對抗等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。毫米波頻率合成器是毫米波雷達(dá)、通信及電子對抗等先進(jìn)電子系統(tǒng)中的核心部件，研究低相位噪聲、高穩(wěn)定度、寬頻帶的短毫米波頻率源的理論與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，對于開發(fā)利用短毫米波頻譜資源，促進(jìn)短毫米波技術(shù)進(jìn)步及應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

2、 本文針對D波段與F波段頻率合成器研制中所涉及的理論與關(guān)鍵技術(shù)問題，基于國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)條件，在固態(tài)器件鎖相頻率合成器的系統(tǒng)方案理論建模與分析設(shè)計(jì)、主要功能模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)、系統(tǒng)總體集成技術(shù)等方面進(jìn)行了探索研究，取得了以D波段寬帶鎖相頻率合成器和F波段窄帶鎖相頻率合成器原理試驗(yàn)系統(tǒng)為代表的先進(jìn)技術(shù)成果。主要研究進(jìn)展包括以下七個(gè)方面： 1、根據(jù)國內(nèi)短毫米波現(xiàn)有技術(shù)條件和商用器件狀況，對D波段和F波段頻率合成器的總體技術(shù)方案

3、進(jìn)行了分析論證，提出了基于雙環(huán)鎖相技術(shù)結(jié)合短毫米波倍頻技術(shù)的合理可行的技術(shù)方案。建立了基于諧波混頻技術(shù)的D波段固態(tài)器件鎖相頻綜系統(tǒng)的仿真電路模型，通過優(yōu)化VCO、諧波混頻器、環(huán)路濾波器等各功能模塊的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對鎖相系統(tǒng)時(shí)域鎖定過程和相位噪聲性能的仿真分析。給出了基于諧波混頻原理通過測量中頻信號相位噪聲來計(jì)算短毫米波鎖相頻率源相位噪聲的測量分析理論模型。根據(jù)給定的頻率源性能指標(biāo)要求，對F波段、D波段頻率合成器中微波本振源、諧波混頻器等各

4、功能模塊的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了合理的配置，為鎖相頻綜系統(tǒng)的功能模塊的研制和系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)研究打下了必要的基礎(chǔ)。 2、采用壓控振蕩器（VCO）分頻信號鎖相的技術(shù)研制成功了X/Ku波段鎖相頻率源，解決了寬帶環(huán)路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、超低相位噪聲倍頻鏈設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了10．6～11．8GHz和12．27～13GHz頻率范圍內(nèi)的低相位噪聲信號輸出。采用二分頻輸出信號鎖相的技術(shù)方案，只需要提供頻率為6GHz的超低相位噪聲本振信號，與通常的直接鎖定X

5、/Ku波段信號的方案相比，降低了晶振倍頻鏈路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)難度，并省去了輸出信號的耦合電路，有利于改善整個(gè)系統(tǒng)的相位噪聲性能。通過系統(tǒng)調(diào)試與參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)頻帶范圍內(nèi)的相位鎖定。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果為，在10．6～11．8GHz和12．27～13GHz頻段內(nèi)，相位噪聲優(yōu)于-102dBc/H@10kHz，滿足D波段及F波段頻率合成器系統(tǒng)中低相位噪聲、高穩(wěn)定度本振頻率源的性能要求。 3、基于混合集成技術(shù)，研究了F波段Schottky勢壘

6、二極管二次倍頻電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。利用標(biāo)稱截止頻率為3THz的商用GaAs Schottky勢壘串聯(lián)二極管對芯片，在懸置微帶線上采取管對并聯(lián)的平衡電路結(jié)構(gòu)形式，研究了V波段輸入端和F波段輸出端耦合匹配電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，解決了短毫米波段倍頻器腔體及微帶電路精密加工以及微型二級管對芯片組裝工藝等工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)問題，研制成功了F波段二次倍頻器實(shí)驗(yàn)樣品，采用V波段GaAs Gunn器件振蕩器作為激勵(lì)源，在104GHz～106．8GHz頻率范圍

7、內(nèi)獲得了高于0．5mW的輸出功率，最大輸出功率大于1mW。利用該倍頻器，可以將V波段的高穩(wěn)定、低相位噪聲信號直接倍頻至F波段，降低了短毫米波頻率源的實(shí)現(xiàn)難度，為研制F波段鎖相頻率源提供了簡單、有效的技術(shù)途徑。 4、進(jìn)行了F波段鎖相頻率合成器的系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)研究，獲得了F波段鎖定信號輸出。首先利用自行研制的V波段GaAs Gunn器件VCO、V波段六次諧波混頻器、9．6GHz超低相位噪聲倍頻源、毫米波中頻鎖相模塊，進(jìn)行了V波段鎖相頻

8、率源的系統(tǒng)聯(lián)試。針對V波段VCO的窄帶頻率電調(diào)諧特性，解決了鑒相頻率及分頻比、環(huán)路帶寬參數(shù)設(shè)置等問題，實(shí)現(xiàn)了V波段Gunn器件VCO輸出信號的相位鎖定。在此基礎(chǔ)上，將V波段鎖相信號作為激勵(lì)，通過F波段二倍頻器獲得了106．5GHz頻率附近的鎖定信號輸出。所獲得的環(huán)路設(shè)置及系統(tǒng)性能方面的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對進(jìn)一步提高F波段頻率源的性能具有重要參考價(jià)值。 5、利用自行研制的X波段低相噪鎖相頻綜、Q波段VCO、Q波段四次諧波混頻器、E波段

9、二倍頻器和D波段Schottky二極管二倍頻器等核心功能部件進(jìn)行系統(tǒng)集成，在國內(nèi)首次研制成功了D波段寬帶鎖相頻率合成器原理試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對148．8～152．8GHz和154．4～158．8GHz頻段內(nèi)信號的相位鎖定，相對帶寬達(dá)到5．47％。利用D波段WHMP-6型寬帶諧波混頻器和12GHz倍頻本振源，建立了短毫米波相位噪聲測試系統(tǒng)，對D波段輸出信號的相位噪聲進(jìn)行測試。通過測量中頻信號的相位噪聲，計(jì)算得到頻率合成器在152．8GHz、

10、154．8GHz和155．6GHz頻點(diǎn)上鎖定信號的相位噪聲分別為-77．43dBc/Hz@10kHz、-73．96 dBc/Hz@10kHz和-74．12 dBc/Hz@10kHz。 6、將直接數(shù)字頻率合成（DDS）、毫米波鎖相技術(shù)及倍頻技術(shù)相結(jié)合，研究了D波段小頻率步進(jìn)、低相位噪聲頻率源的技術(shù)方案，以滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)對小步進(jìn)頻率源的需求。研制了95～105MHz的DDS低相位噪聲頻率源，根據(jù)其輸出信號相位噪聲特性，以既能實(shí)現(xiàn)小

11、步進(jìn)功能又滿足系統(tǒng)相位噪聲指標(biāo)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了合理的D波段小步進(jìn)頻綜的系統(tǒng)方案，并對其理論上可達(dá)到的相位噪聲、跳頻步進(jìn)等性能參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，為進(jìn)一步研制D波段小步進(jìn)頻綜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了合理的技術(shù)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)。 7、基于GaAs Schottky勢壘二極管的短毫米波倍頻器倍頻效率比較低，輸出功率有限，采用功率合成技術(shù)是獲得較大輸出功率信號源的有效途徑。本文針對毫米波準(zhǔn)光功率合成技術(shù)中介質(zhì)光柵的傳輸特性問題，提出了應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)介