射频集成前端关键技术研究

发布时间：2017-04-01 23:07

  本文关键词：射频集成前端关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：射频集成前端在无线通信、军用雷达、能源探测,生物医疗,安全防护,空间遥感以及天文观测等领域有着广泛的应用。随着微波低频段频谱资源日益紧张,前端电路进而转为到更高的毫米波,亚毫米频段发展,相关的射频系统不断涌现。毫米波,亚毫米频段的射频系统具有更宽的带宽资源,更高的分辨率,更小的体积,凭借其资源带宽上的优势使得世界各国竞相开展相关技术的研究。亚毫米波由于自身的物理特性和宽带的频谱资源,使得其在高速无线通信,雷达等领域存在巨大的应用潜力。亚毫米波射频集成前端是实现亚毫米波信号收发的基础硬件电路平台,其电路的实现涉及微波,毫米波以及亚毫米波多个频段的频率变换和能量转换,是一门综合性的集成技术,对亚毫米波技术的应用推广具有基础决定性作用。本论文针对这一应用需求,围绕着亚毫米波射频集成前端中的几个关键技术:包括亚毫米波HEMT器件模型与电路,毫米波功率合成/功分及毫米波倍频源展开研究,为后续亚毫米波前端收发系统的整体电路集成提供相关理论和技术基础。具体研究内容包括以下几个方面:1.以HEMT器件工作原理为基础,选择合适的小信号等效电路模型拓扑,并从理论上详细分析了模型各参数的提取方法。针对在亚毫米波频段直接建立HEMT器件模型所面临的测试S参数误差大、重复性差的缺点,本文采用外推法建模解决这一问题。通过增加晶体管的截止频率与最大振荡频率做为新的约束参量,以提高外推建模的精确性,并采用两组HEMT器件的测试S参数对外推建模方法进行了验证。2.以矩形波导与平面传输线之间的转换电路为出发点,研究宽工作频带、多合成路数的毫米波功率合成网络。提出了波导-带状线、波导-悬置带线、波导-接地共面波导,波导-基片集成波导四种宽带转换电路,并将波导-接地共面波导转换电路应用于两路波导功率合成。另外,所提出的基于波导-基片集成波导转换电路的四路波导功率合成网络具有工作频带宽,损耗低,结构紧凑,散热好的优点,可以用于毫米波多路功率合成放大电路中。3.实现了多种性能优异的波导功率分配器。针对传统波导功率分配器存在工作带宽窄、隔离度差的缺点,本文提出将具有高隔离度、宽频带优点的平面功分器与金属矩形波导结构相结合实现高隔离度,宽频带毫米波波导功分器。相对于传统E面波导功分器单一异相输出的特点,本文提出的E面波导功分器能够分别实现同相和异相输出,这为实际应用提供了更多的灵活度。同时,该同相/异相波导功分器都具有宽工作带宽,高隔离度以及良好的端口输入输出匹配特性。4.实现了低相位噪声毫米波倍频源。首先提出了一种基于基片集成波导(SIW)双模滤波器的振荡器,滤波器作为振荡器反馈环路的选频单元,调节双模滤波器两个模式(TE102和TE201)的谐振频率使滤波器的通道边缘形成高群时延峰,基于此高群时延峰设计的振荡器,其相位噪声性能得到了显著提高。另外,采用背靠背双工器结构设计双频振荡器,由于背靠背双工器形成的两个子通道相互隔离,能够抑制两个输出信号频率之间的非线性交调。采用功率合成技术提高毫米波三倍频器的输出功率。在这基础之上,将低相位噪声振荡器与三倍频器集成作为倍频源输出高质量毫米波信号,并进行了实验验证,测试结果显示该毫米波倍频源在相位噪声性能方面具有较大优势。
【关键词】：HEMT器件 功率合成网络 波导功率分配器 倍频源
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN73;TN626
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-26
• 1.1 研究背景及现状13-23
• 1.1.1 亚毫米波HEMT器件13-14
• 1.1.2 功率合成技术14-19
• 1.1.3 波导功率分配器19-20
• 1.1.4 倍频源20-23
• 1.2 本论文的研究内容与结构安排23-24
• 1.3 本文的主要贡献和创新24-26
• 第二章 亚毫米波HEMT器件26-43
• 2.1 引言26-27
• 2.2 HEMT器件的原理27-30
• 2.2.1 InP基HEMT器件结构27-29
• 2.2.2 HEMT器件特性29-30
• 2.3 HEMT小信号等效电路模型与电路30-42
• 2.3.1 去嵌入技术30-33
• 2.3.2 小信号等效电路模型参数提取33-37
• 2.3.3 外推法小信号电路模型37-42
• 2.4 本章小节42-43
• 第三章 功率合成宽带传输网络43-83
• 3.1 引言43-49
• 3.2 功率合成基本理论49-54
• 3.3 波导与平面传输线转换电路54-75
• 3.3.1 波导-带状线转换电路单元55-59
• 3.3.2 波导-悬置带线转换电路单元59-61
• 3.3.3 波导-接地共面波导转换电路单元61-65
• 3.3.4 波导-基片集成波导转换电路单元65-75
• 3.3.4.1 WG-SIW垂直型67-69
• 3.3.4.2 WG-SIW直线型69-75
• 3.4 毫米波多路功率合成75-82
• 3.4.1 基于WG-GCPW转换两路功率合成76-78
• 3.4.2 基于直线型WG-SIW转换四路功率合成78-82
• 3.5 本章小节82-83
• 第四章 宽带波导功率分配器83-105
• 4.1 引言83-86
• 4.2 毫米波波导功分86-100
• 4.2.1 基于WG-SIW/HMSIW转换波导功分器88-97
• 4.2.2 基于WG-SIW转换波导功分器97-100
• 4.3 实验结果与分析100-104
• 4.4 本章小节104-105
• 第五章 基于功率合成毫米波倍频源105-151
• 5.1 引言105-109
• 5.2 微波振荡器109-136
• 5.2.1 微波振荡器设计基本原理109-116
• 5.2.1.1 反馈式振荡器109-112
• 5.2.1.2 单端口负阻振荡器112-113
• 5.2.1.3 二端口负阻振荡器113-114
• 5.2.1.4 低相位噪声振荡器设计方法114-116
• 5.2.2 基于SIW双模滤波器的反馈式振荡器116-125
• 5.2.2.1 方案提出116-117
• 5.2.2.2 SIW双模滤波器117-121
• 5.2.2.3 整体电路仿真设计121-123
• 5.2.2.4 测试结果与分析123-125
• 5.2.3 基于背靠背双工器结构的双频振荡器125-136
• 5.2.3.1 方案提出125-126
• 5.2.3.2 CSRR-loaded SIW双工器126-129
• 5.2.3.3 整体电路仿真设计129-133
• 5.2.3.4 测试结果与分析133-136
• 5.3 基于功率合成的毫米波三倍频器136-149
• 5.3.1 倍频器基本理论136-139
• 5.3.1.1 非线性电阻倍频理论136-138
• 5.3.1.2 基于肖特基二极管三倍频理论138-139
• 5.3.2 方案提出139-142
• 5.3.3 功分滤波等电路单元142-145
• 5.3.4 三倍频仿真与测试145-149
• 5.4 毫米波倍频源实验与结果分析149-150
• 5.5 本章小结150-151
• 第六章 总结与展望151-153
• 致谢153-154
• 参考文献154-170
• 攻读博士学位期间取得的研究成果170-173

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