基于基片集成波導的高性能毫米波平面振蕩器研究與應用.pdf

1、目前，由于無線應用多元化，造成頻譜資源緊張，促使新興毫米波雷達和無線通信迅速發(fā)展，這對毫米波系統(tǒng)提出了新的要求—更好的電氣性能與更高的集成度。毫米波平面振蕩器是毫米波平面集成系統(tǒng)的關鍵部件，它的性能好壞直接影響整個毫米波平面集成系統(tǒng)的性能以及功能能否實現(xiàn)。在毫米波頻段，相位噪聲是振蕩器最關鍵的指標之一，因此對高性能低相位噪聲毫米波平面振蕩器開展研究，具有重大的現(xiàn)實意義。本文基于一種新型的平面?zhèn)鬏斁€結構—基片集成波導（Substrate

2、Integrated Waveguide, SIW），對毫米波低相位噪聲平面振蕩器的設計和應用進行了深入研究，主要研究工作可概括為如下幾個方面：
　?。?）本文系統(tǒng)地介紹了基片集成波導結構（SIW），概括了其基本理論、電氣特性和設計方法。
　?。?）本文系統(tǒng)地介紹了振蕩器的分析方法和設計理論，詳細闡述了振蕩器電路的相位噪聲特性以及低相位噪聲振蕩器的實現(xiàn)方法。
　　（3）基于電磁場仿真軟件，對SIW諧振器進行了詳細研究，

3、包括：諧振頻率、品質因數(shù)和能量耦合結構等。在此基礎上，基于負阻理論，提出一種低相位噪聲毫米波平面振蕩器的設計方法。將一個新穎的機械可調(diào)SIW平面諧振器應用到W波段振蕩器電路中，詳細分析了SIW諧振器對毫米波平面振蕩器性能的影響。實驗結果驗證了該低相位噪聲毫米波平面振蕩器設計方法的可行性。
　?。?）在前期研究成果的基礎上，針對毫米波平面系統(tǒng)對高穩(wěn)定度、低相位噪聲小型化本振源的迫切需求，本文基于SIW諧振器對W波段低相位噪聲平面單頻

4、振蕩器進行了詳細研究，并利用國產(chǎn)GaAs Gunn二極管在低成本介質基片上實現(xiàn)了該平面振蕩器。測試結果表明：該平面振蕩器在94.78 GHz輸出功率大于9 dBm，相位噪聲為-108.56 dBc/Hz@1MHz，具有可供工程實用的輸出功率、相位噪聲等性能指標以及緊湊的電路尺寸。
　?。?）為了提升性能，現(xiàn)代毫米波系統(tǒng)廣泛采用相參的工作體制，這要求振蕩源能夠實現(xiàn)頻率的電調(diào)諧?；谧?nèi)莨苷{(diào)諧的壓控振蕩器（ Voltage-Contr

5、olled Oscillator，VCO）具有調(diào)諧速度快、體積小、成本低、易于集成等優(yōu)點，是目前VCO設計的首選。針對毫米波頻段常用的基波鎖相、諧波輸出頻率源電路的應用要求，本文對基于 SIW的毫米波低相位噪聲雙端口平面 VCO進行了深入研究。測試結果表明：設計的VCO能夠同時工作在Ka和E波段。在基波輸出端口，輸出信號的中心頻率為32 GHz，調(diào)諧帶寬大于120 MHz，輸出功率為6.04~8.75 dBm，偏離載波1 MHz的相位噪

6、聲為-114.7 dBc/Hz；在諧波輸出端口，輸出信號的中心頻率為64 GHz，調(diào)諧帶寬大于240 MHz，輸出功率為7.2~9.46 dBm。
　　（6）除了通過優(yōu)化振蕩器電路自身設計的方法來降低相位噪聲外，還可以通過頻率相參技術，如注入鎖定（Injection-Locked，IL）技術，利用低頻高性能參考信號來實現(xiàn)毫米波信號的低相位噪聲和高穩(wěn)定度。注入鎖定諧波振蕩器（Injection-Locked Harmonic Osc