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硕士论文k a 波段集成上变频器的设计 摘要 本篇论文主要研究对象是k a 波段集成上变频器，是毫米波通信系统中的关键部件 之一本文首先分析、总结了国内外k a 波段上变频器的发展现状，确立了组件一体化 和小型化的研究方向；其次完成了集成上变频组件整体方案的设计，确定采用混合一单 片组合技术实现电路集成，其中各功能单元都采用m m i c 芯片进行设计，而各单元的互 连则采用m i c 电路；接着根据一体化设计方案的需求，采用各种优化设计，研制出了 通带低插损、阻带高抑制的毫米波平面结构微带滤波器，同时采用薄膜技术提高了电路 的加工精度，保证实际电路性能的实现；最后对组件中各功能单元进行了芯片选择，并 采用m c m 技术实现电路一体化和小型化的集成，保证了各功能部件的匹配以及高可靠 性。本论文还对电路实现工艺进行了研究，最终确定整体电路实现工艺，保证电路整体 性能的实现。文章最后还对混频器主要性能指标的测量方法进行了简单的介绍。 关键字：k a 波段，上变频，毫米波平面滤波器，混合单片组合技术，m c m 技术 硕士论文 a b s t r a c t m i l l i m e t e r - w a v eu p - c o n v e r t e r ) a so n eo ft h eh o tr e s e a r c ht o p i c s ，i st h ek e yb m l d m gb l o c ko f t h em i l l i m e t e r - w a v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h i sp a p e rs t a r t sb yr e v i e w i n gt h eh i s t o r ya n d d e v e l o p m e n to fk a - b a n du p - c o n v e r t e r , a n dr a d i c a t e st h ea i mo f t h i sp a p e rw h a ti sm a k i n gt h e m o d u l ei n t e g r a t i v ea n dm i n i a t u r i z a t i o na ss o o na sp o s s i b l e n e x t , t h ei n t e g r i t yp r o j e c to ft h e i n t e g r a t i o nu p - c o n v e r t e ri si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h em i c m m i ct e c h n o l o g yc o m b i n a t i o n i su s e dt oi n t e g r a t ec i r c u i t i nt h ea l lc i r c u i t , a l lo ff u n c t i o nc e l l sa r em a k eu po fm m i c ，b u t t h ep o n t e so fb o t hc e l l su s em i c f o l l o w i n gt h er e q u i r eo fm a k i n gt h em o d u l ei n t e g r a t i v e , a n d u s i n go p t i m i z e dm e t h o d , d e s i g nm m w a v ep l a n a rb a n d - p a s sf i l t e r , w h a ti sl o w e r - i n s e r t i o n l o s si np a s sb a n da n dh i g h e rr e s t r a i ni ns t o pb a n d a tt h es a m et i m e , u s ef i l mt e c h n o l o g yt o e n h a n c ec i r c u i tp r e c i s i o n , a n de l l s u l t oa c h i e v ed e s i g na i m i nt h ee n d , c h o o s em m i c ，a n d 嘁m c mt e c h n o l o g yt om a k ec i r c u i tm i n i a t u r i z a t i o na n di n t e g r a t i v e t h i sp a p e ra l s o i n v e s t i g a t e s s o m et e c h n i q u eh o wt om a c h i n i n gc i r c u i t , s u c ha sw i r eb o n d i n g , m o u n t i n g m m i c f i n a l l y , s u n n n a r i z et h et e s tm e t h o d k e yw o r d ：k ab a n d , u p - c o n v e r t e r , m i l l i m e t e rw a v ep l a n a rf i l t e r , m i c - m m i cc o m b i n e d t e c h n o l o g y , m c mt e c h n o l o g y 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我- 同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：扣暑年2 ，月弓。日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 瑚年占月如日 硕士论文 k a 波段集成上变频器的设计 1 绪论 1 1 概述 由于宽带业务，特别是宽带多媒体业务需求的增长，随着在轨c 和k u 频段卫星的 日益增加，它们的轨道位置日渐拥挤，需要开发新的频段；又因为巨大的消费市场对 i n t e m e t 、双向宽带业务和多媒体需求的增长( 包含双向视频、话音、数据和图像) ，表 明现有频段的频谱是不够的，也需要新的频段，这就使人们自然就想到k a 频段。k a 频 段也可以称为3 0 g h 2 0 g h z 频段，国际电信联盟给卫星固定业务分配了k a 频段。k a 频段的上行频率为2 7 1 5 g h z - 3 1 g h z ，下行频率为1 7 1 7 g h z - - , 2 1 1 1 g h z 。在现代的经济 和社会生活中，卫星通信占据着通信领域的重要地位。特别是过去的十多年里，通信卫 星产业经历了许多意义深远的变化。最初移动卫星通信系统的目标是提供覆盖全球的移 动话音业务。从费用、话音质量以及实际需求等方面，地面通信网络和蜂窝移动通信系 统都具有明显的、不可竞争的优势。在遭遇“铱星”、“全球星”等系统的失败之后，宽带 卫星通信的发展处于举棋不定的状态。面对高密度、大容量光纤的严峻挑战，一方面卫 星通信业务的需求在明显减少，另一方面，随着卫星直播到户以及互联网的直接接入技 术的突破，在这个领域里对宽带通信卫星的需求却呈快速上升的趋势。如果说卫星通信 克服了地域和时间的限制，使世界变成了一个“地球村”，那么宽带卫星以及宽带卫星应 用的发展，使我们的社会真正地进入了信息时代。 毫米波不仅解决了宽带业务的需求，而且毫米波系统做成体积小、损耗小、重量轻 的设备将在各个领域，尤其在军事领域中将得到广泛的应用。在军事应用中，微波通信 系统与毫米波通信系统相比，体积大、方向性差且保密性不够理想，而红外、激光军用 系统抗灰尘、烟、雾干扰的能力远不如毫米波军用系统。因此在现代战争条件下，急切 需要利用毫米波的这些优点。光纤通信系统尽管在通信容量、通信质量等方面优于毫米 波通信系统，但造价昂贵、施工复杂、建设周期长，性受地理环境的限制。相比之下， 毫米波通信系统投资少、见效快，且机动灵活，具有更为厂泛的应用前景。 近年来，随着毫米波元器件水平的提高，毫米波系统在精确制导、通信技术、无线 遥感、仪器和测量等方面都得到了很大的发展。 1 2k a 波段上变频器的研究意义及发展状况 正如上面所说，毫米波通信系统应用广泛，对毫米波通信系统的研究都将是有非常 深刻的意义。而在整个毫米波通信系统中，一般将信号的编解码、调制解调、滤波等功 能在中频或较低的频率进行，然后通过上下变频器搬移到较高的频率上传输，因此为实 现毫米波传输，毫米波上变频组件就是系统中的关键部件，它的性能的好坏直接影响到 1 绪论硕士论文 整机的指标。 k a 波段集成上变频器的主要功能是将较低频率调制信号变换到k a 波段频率上，并 且放大到合适的功率电平。主要由混频器、倍频器、滤波器、放大器等关键部件组成， 它将低频信号与经倍频到k a 波段的本振信号进行上混频，其输出经过带通滤波器抑制 本振和下边带信号后经射频放大器输出，通过双工器送至天线。k a 波段集成上变频器 基本组成框图如图1 2 1 所示。 混频器 号 图1 2 1k a 波段集成上交频器基本组成框图 k a 波段上变频器作为射频前端的重要组件，国内外对它进行了广泛的研究，也有 相关的报道。 f a r r a nt e c h n o l o g y 公司的产品k a 波段基于m m i c 的上变频组件b u c - - 2 8 s ，i f 频 率范围5 6 7 - 6 1 7 g h z ，输入功率2 5 d b m ，l o 频率3 0 3 3 g h z ，l o 输入功率0 d b m ， r f 范围3 6 - 3 6 5 g h z ，变频增益2 0 d b ，输出功率为+ 5 d b m 。这个组件包括礤放大器、 m m i c 平衡混频器和输出放大器。l o 信号由k 系列同轴接头输入，经m m i c 放大器后 连接到混频器。输出口为波导口。直流电压+ 1 2 v ，电流小于6 5 0 m a 。 t r w 研究了一种具有高性能、紧凑结构和高适应性的k a 波段上变频组件。变频增 益为2 2 d b ，增益平坦度小于0 3 d b 2 5 0 m h z ，i i p 3 最小为1 5 d b m ，l o 输入功率2 0 5 d b m ，直流电流为2 3 0 m a ，电压+ 6 + 2 5 v 。它包括了二倍频器、上变频单元、滤波 器、输出放大和直流整流器。 r e m e c 公司研究了多个频段的收发机，其中r f 输出频率为3 7 - - 4 0 g h z 的上变频 组件，i f 输入频率范围2 5 3 6 g h z ，功率为1 0 d b m ，r f 输出功率2 7 d b m ，变频增益 为3 7 d b ，增益平坦度为l d b 6 0 m h z ，增益动态范围2 5 d b ，l o 输入频率8 5 - 9 5 g h z ， 功率为1 0 d b m 。 m i t e q 公司生产了u b w s 系列的k a 频段上变频组件。输入m 为7 0 m h z 或 1 4 0 m h z ，r f 输出p l d b 大于等于1 0 d b m ，变频增益为2 6 d b 。 国内对k a 频段上变频功放组件的研究也很多，如电子科技集团第十三研究所何庆 国等人2 0 0 0 年发表的毫米波倍频上变频功放组件；西安导弹技术研究所的吉胜2 0 0 2 年 发表的一种发射上变频组件的设计；电子科技大学徐军、喻梦霞等人研制的k a 波段上 2 硕士论文k a 波段集成上变频器的设计 下变频组件：电子科技集团五十五所也k u 波段上变频组件设计的报道。这些研究一般 采用分立模块实现k a 波段上变频组件，而且还没有商品化，对实现一体化和微型化的 微波k a 波段集成还处于研究阶段，还未见有相关成品的报道。 因此，能够研制出集成度高、体积小，可以在多种通信系统中应用的，易于商品化 的，高性能的k a 波段上变频组件将是一件比较有意义的研究，也将是相关领域的突破。 1 3 本论文的研究内容 k a 波段上变频器是整个k a 波段通信系统中的关键部件，本文对其进行了深入的研 究。为了实现k a 波段上变频器的小型化、集成化设计，以满足不同情况的要求，在本 设计中构成组件的各功能部件都将采用集成元件，并同时采用新型工艺，解决集成k a 波段上变频器的小型化工程实现。 本文要设计的k a 波段集成上变频器的主要技术指标如下： 频率范围： 9 0 0 1 5 0 0 m h z l 强频率范围：2 9 3 1 g h z l o 频率范围： 1 4 0 5 1 4 7 5 g h z 三阶交调： 3 0 d b e 隔离度：望o d b 变频增益： 1 0 d b 本振信号功率： l o 带通滤波器 中心频率2 8 8 g h z 带宽1 4 g h z 带内插损r f 带通滤波器 中心频率3 0 g h z 带宽2 g h z 带内插损9 d b 带外抑锘l j _ 4 0 d b c ( 2 7 5 g h z ) 3 3 滤波器设计 微波带通滤波器通常是由一系列的谐振回路和插入其间的耦合元件组成的。根据尺 寸、承受功率、相对带宽等要求，谐振回路可选择适当的微波谐振器，耦合元件则按滤 波器的结构进行选择和设计。 从前面论述的微波滤波器中，波导滤波器在大多数指标要求很高的应用场合都呈现 出明显的优良性能，其原因在于这种结构q 值高，但其整体体积较大；平面电路型滤波 器便于与其他器件集成，主要问题是存在辐射损耗、介质损耗和电阻损耗，使构成滤波 器环节的谐振器q 值下降，选频性能恶化，从而导致滤波器通带内损耗增大，带外抑制 度降低。 当频率达到3 0 g h z 时，微带带通滤波器由于线宽很小，加工精度很难保证，插损大， 很难实际应用，所以一般都采用波导滤波器，但这样无法用在平面电路中，因此要做到 一体化集成，必须解决微波高频段平面带通滤波器差损大的问题。因此为保证k a 波段上 变频器的性能，如何实现低差损的平面结构滤波器是整个组件的一个关键所在。 平面带通滤波器的类型很多，而最适合于电路集成的带通滤波器是不要求微带电路 接地的微带滤波器( 在微波集成电路中，这种对地连接是不方便的) 。在平面结构滤波 器中，半波长谐振器平行耦合滤波器( 也常称为半波长平行耦合滤波器) 是一种应用很 广的带通滤波器形式，在这种结构中，共有n 段两端开路的半波长线，首尾两线用于分 别与信源和负载相接。这样，滤波器可看成是n + 1 个平行耦合节组成，相邻两线间的耦 合长度为四分之一波长。在级联点处，终端开路的四分之一波长传输线段等效为一串联 谐振器，它具有选频作用；谐振器之间则通过平行线段之间的电磁耦合，一节一节将通 带内的频率分量从信源传送到终端负载。 3 3 1 滤波器的基本设计思想 滤波器的设计有几种方法可以使用，对于毫米波滤波器可采取以下设计步骤u j ： 1 、使用低频滤波器己有的镜像参数法和插入损耗法这两种综合技术，按所希望的 通带特性来设计原型低通滤波器； 2 、通过原型网络频率变换，将低通原型滤波器变换为高通、带通和带阻等滤波器 1 9 3 平面带通滤波器的设计 硕士论文 形式； 3 、用集总或分布参数电路实现响应的滤波网络。 低通滤波器原型综合设计 低通原型滤波器设计十分广泛地使用插入损耗方法。用这种方法设计滤波器开始就 规定了插入损耗比p l r ，它被定义为输入功率与实际传递到负载上的功率比。这种功率 损耗比对于无耗网络可用下式表示： 1 = 矗 ( 3 3 1 ) 一j 式中，r 为输入反射系数，网络中插损变为： a = 1 0 l o g 矗( 扭) ( 3 3 2 ) 在带通滤波器中反射系数是的函数。 实际上，当给定是滤波器网络可用各种低通原型滤波器形式来实现，其中常用 的低通原型滤波器有最大平坦响应和等波纹切比雪夫响应，如图3 3 1 所示。在叫= 1 处 的滤波器插入损耗可以表述成下式： 勺 蹙 馔 3 d b 0 叫 缈 ( a ) 最大平坦滤波器 一、 鲁 、- ， 堪 懈 a m 0 硝 ( b ) 切比雪夫滤波器 图3 3 1 滤波器的典型衰减响应 a = 1 0 l o g f 2 “1 ( 最大平坦) ( 3 3 3 ) a = 1 0 1 0 9 i1 + ( 1 0 引1 0 1 ) c o s 2 ( v c o s 一缈) l ( 等波纹) ( 3 3 4 ) 式中，n 为滤波器的节数，a m 为波动幅度( d b ) 。最大平坦和切比雪夫低通滤波器 响应特性可用电容电感梯形网络来实现，如图3 3 2 所示。这些滤波器的电路元件值可 由下列公式计算： 最大平坦响应 等波纹响应 式中， 擘。二圈鲥 n 为奇数 n 为偶数 图3 3 2 低通原型滤波器 g o - 1 g , - - 2 s 洫学m 枷 & + i - 1 ，一切，l 都成立 鼠= 竽，j i = 2 ，3 ，刀 d 七一l 罟i 一1 g 肿l - 1 ，n 为奇数 g 州= 蛐2 ( 针n 为偶数 删m 学卜名，玎 玩耐( 等) 肛啦，刀 札( c o m 志) 同劬( 丢) 原型网络频率变换 对于低通滤波器，只须用截止频率魄乘归一化频率即可完成比例变换： c 0 = q 鳞 ( 3 3 5 ) 在做比例变换时，我们任取截止频率为1 g h z 。在相应的插入损耗表达式和损耗因数表 达式中，只需用q 她替代q 即可。对于电感性和电容性元件，需要对比实际电抗与归一 化电抗： j x t , = j d l = _ ，( 彩纹) 三= j c o l ( 3 3 6 a ) 2 壶2 而1 啪j oo 3 2 1 3 平面带通滤波器的设计 硕士论文 这表明，实际的感抗和容抗三和0 可以由归一化l 和c 求得： l = 三嚷 ( 3 3 7 a ) c = c i o j 。 ( 3 3 t o ) 对于高通滤波器，需要将原型滤波器的抛物线频率响应映射为频域上的双曲线型频 率响应。这种映射可以通过以下变换实现： 国= 墨 ( 3 3 8 ) 将归一化频率q = 1 代入公式( 3 3 8 ) 就可以验证这种映射的正确性。映射使得高通滤 波器的实际截止频率为国= 千鳞。 在对电路参数反归一化时必须注意： = 毗一，詈l f f i 去 ( 3 3 9 a ) 2 志2 素咖z n 3 舶， 所以： o ：上( 3 3 1 0 a ) o ) l 三：上( 3 3 1 0 b ) 皱c 显然这是合理的，因为根据基本电路理论，将一阶低通滤波器中的电感换位电容， 电容换为电感就可以得到阶高通滤波器。公式( 3 3 1 0 ) 将这一原理推广到了高阶滤 波器的情况。 带通滤波器的变换比较复杂，除了比例变换处，还需要平移标准低通滤波器的响应。 实现比例变换和平移的函数关系是： q = 瓦靠( 罢一詈 。一- t o l ( 罢一詈j 。3 n ， 、 其中上边频和下边频吼确定了在哆= ( o o 处的通带带宽( b w = 一吼) ，单位 为弧度秒。也就是说，此时截止频率就是以前曾提到的中心频率吃。利用吃和 g = 叫c o o 一吃式，( 3 3 1 1 ) 式可以改写为： q ：生一占 ( 3 3 1 2 ) 一吐 其中上边频和下边频吃成反比关系： 硕士论文i e a 波段集成上变频器的设计 堕：丝 ( 3 3 1 3 ) 吃吃 这表明，中心频率也可以采用上边频和下边频的几何平均值确定，吃= 吃上述 变换的映射关系可以通过考察f l = l 和q = 0 的情况确定。根据公式( 3 3 1 1 ) ，当国= 和0 ) - - 吼时，f 2 = l ；对于q = 0 ，则有功= c o o 。因此，频率变换关系如下： 0 q 1 专吃国 一1 q 0 - - h 吼c o 一哝 电路参数的变换可根据： = 皿= 一，( 去占卜觚+ 壶 n 3 “) 此式给出了串联电感的反归一化串联电感值： 三：l ( 3 3 1 5 ) 一吃 以及反归一化串联电容值6 ： e ：c o y - 吃( 3 3 1 6 ) 并联电容可根据方程： 屈钢c 一( 去占 c 一弘“壶 3 朋， u 一l ) j l 变换得到两个并联元件参数： 三：单一 ( 3 3 1 8 a ) c 0 ：上( 3 3 1 8 b ) 一吼。 我们不必直接导到带阻滤波器的变换规则，它可以通过的倒数变换或应用前面导出 的高通滤波器变换及( 3 3 1 4 ) 得到。不论采用那种方法，串联电感所对应得串联元件 为： 三= ( q 一吃) 西 ( 3 3 1 9 a ) 并联电容所对应得并联元件为： o = 1 ( 一吼) c ( 3 3 1 9 b ) 3 平面带通滤波器的设计硕士论文 三= 1 ( 一吼) c 0 = ( 一吃) c 表3 3 1 归纳总结了标准滤波器与四种实际滤波器的变换关系。 表3 3 1 归一化低通滤波器到实际带通、带阻滤波器的变换 低通原型 低通 高通带通带阻 专 一墨三 f1 主蔓l 姜虫塑些 j l2 & l 一 ( 召形) l 耳彳 r手吐丁q 丁 c = 上c 面1 c b w 拿霉1 t 瓦 脚耳露c 利用上述原型低通滤波器为基础，再通过频率变换，就可设计任意负载阻抗的低通、 带通、带阻和高通滤波器。 3 3 2 奇模和偶模的激励 在设计微带耦合滤波器之前，我们首先简单地介绍传输线的奇模、偶模通过公共接 地板产生的耦合效应，这种效应导致了奇模特性阻抗和偶模特性阻抗。这些概念是了解 两根微带线之间的耦合效应及其输入、输出阻抗的基础。耦合微带线作为两端口网络， 其a b c d 参量矩阵表达式也与上述输入、输出阻抗有关。级联这些耦合微带线元件可得 到带通滤波器结构，这种结构可用射频电路模拟软件来分析、设计1 4 j 。 根据图3 3 3 所示的几何结构，可以建立耦合微带线相互作用的简单模型。这种结 构包括介质厚度为d ，介电系数f 的介质层以及附着在介质层上的两条相距为s 的微带 线。微带线的宽度为职厚度相对于d 忽略不计。图3 3 4 是微带线与地板之间电容、 电感耦合效应的电路原理图。其中，下标的两个数字相同时为自电容、自电感，如下标 1 2 代表微带线1 与微带线2 之间的耦合。 硕士论文 k a 波段集成上变频器的设计 图3 3 3 祸合微带线 根据终端l 和终端2 的总电压、总电流，定义偶模电压圪、偶模电流t 和奇模电压 、奇模电流l 为： k = ，l 、e 。+ ) ，t = 寺( + 厶) ( 3 3 2 1 a ) 以及 = 寺( k 一圪) ，乙= ，i 、f 一厶) ( 3 3 2 1 b ) 这与图3 3 4 中电压、电流的常规定义相同。当偶模( 圪，l ) 工作时，电压相加、电流方 向相同；当奇模( ，乙) 工作时，终端电压相减、电流方向相反 ( z ) 图3 3 4 无损耗耦合传输线系统的等效电路图及相应的电压、电流定义 引入奇模、偶模概念的好处在于容易建立基本方程。对于双线系统，我们可以建立 一个一阶常微分方程组，其形状类似于传输线方程： 一军：扣( 厶。+ 厶：) t ( 3 - 3 2 2 a ) a _ 1 = 缈( q i + c 1 2 ) 圪 ( 3 3 2 2 b ) 3 平面带通滤波器的设计 硕士论文 以及 一冬：弘( 厶1 一厶2 ) 乙 ( 3 3 2 3 a ) 2 3 一譬：j 国( q i q ：) ( 3 3 2 3 b ) 需要特别注意的是，引入奇模、偶模的概念，使我们可以分解这个方程组。奇模、 偶模特性阻抗z o 。和z 0 。可以用奇模、偶模电容c o 。和g 。以及相应的相速度定义： z o 。= 去，z o o2 去 a 3 埘， 如果两个导体带的尺寸相同，位置相对应，则对于偶模： c | = c l i = c 之 ( 3 3 2 5 ) 对于奇模： c 0 = q i + 2 q 2 = c 之+ 2 g i ( 3 3 2 6 ) 由于要考虑边缘场和不同媒质的影响，一般说来，这些电容是不易求解的。我们可 以借助计算机辅助软件计算得n t 4 1 。 3 0 3 耦合微带线设计方法 为了设计一个符合特殊要求的带通滤波器结构，需要大量的计算。要将全部设计要 求转换成实际的滤波器设计，需要按以下步骤顺序进行： 选择标准低通滤波器参数。根据需要的衰减和波纹，选定采用巴特沃斯或切比 雪夫设计方法后，设计者可以查表选择合适的标准低通滤波器参数勘，g l ， g n ，g n + l o 确定归一化带宽，上边频l 和下边频u 。根据滤波器特性对上边频和下边频 以及中心频率o = ( u + l ) 2 的要求，可以确定滤波器的带宽： b w ：丝= 竺( 3 3 2 7 ) 我们可以根据带宽指标计算下列参数： = i 1 层 j i j + l - i 1 孺7 r b w ， 1 ，。 r + l2 ： i - , o 这些参数可用于计算传输线的奇模、偶模特性阻抗： ( 3 3 2 8 ) ( 3 3 2 9 ) ( 3 3 3 0 ) 硕士论文k a 波段集成上变频器的设计 z o l 。= z o l1 - z o j l , , + , + ( z o 正川) 2i ( 3 3 3 1 ) 和 z o 儿+ = z oil + z o 以p 。+ ( z o j “) 2i ( 3 3 3 2 ) 其中下标j ，i + 1 表示耦合段单元，z o 是滤波器输入、输出端口的传输线特性 阻抗。 确定微带线的实际尺寸。可将每个奇模特性阻抗和偶模特性阻抗换算成微带线 的实际尺寸。当p c b 板材料的介电系数和厚度给定后，我们可以确定铜质导带 的间距s 和宽度w 而每一段耦合微带线的长度都必须是2 4 。 根据上述步骤可以得到初步的、但通常是不精确的设计参数，再通过模拟软件进一 步精确修正、调整设计参数，最终确保设计出的滤波器实际特性符合技术要求1 4 j 。 3 3 4 耦合滤波器设计- 耦合滤波器设计前，我们必须了解国内工艺加工精度，选择加工工艺，确定设计时 能够选用的微带线最小带宽、耦合器的最小带隙。耦合微带滤波器的微带线宽比较细， 耦合器中的带隙比较窄。目前国内厚膜电路加工工艺最细带宽、最小带隙只能做到 0 0 7 r a m ，难以达到要求，我们采用加工精度更高的薄膜工艺，并且考虑到国内薄膜工 艺水平的限制，微带线的最小宽度也不能太小，我们将微带线的最小宽度限制在 0 0 2 r a m ，最小带隙也控制在0 0 2 r a m ，以确保所设计的电路能在国内的工艺水平下实现。 首先，我们用a g i l e n ta d s 仿真软件设计l o 滤波器，它用于倍频器之后滤除倍频 产生的干扰分量，滤波器采用切比雪夫低通原型，带内波纹为0 5 ，由系统对滤波器带 外抑制的要求，我们确定滤波器用七阶结构实现。通过上述耦合微带滤波器的设计方法， 我们初步计算各耦合节的带宽、带隙和带长，然后对其通带性能以及阻带特性进行了优 化设计，确保带内插损 2 5 d b 。a d s 仿真原理图如图3 3 5 所示，原理 仿真曲线$ 2 1 和s l l 如图3 3 6 所示。 3 平面带通滤波器的设计 硕士论文 2 8 d e s l m d e r r o r = 0 0 s t a t u s l e v e l _ f h i 、a i v s i s n r n o r r n a l i z e g o a l s = n o s e t b e s t v a i u e s = y e s s a y e s o l n s = y s a v e g o a l s = y e s s a y e o p t l m v a r s = n o u p d 越e d 越a s 猷l y i s a y e n o m i n a l = n o s a v e a l t e r m l o n s - n o u s e a l l o p t v a r s - - y e s u s e n i g o a l s = y e s g o a lg o a lg o 埘g o = o 口l , c - o = 1o p t j r , c o a =o p u m g o 自- 3 o p u m g o 4 e x x = d s ( s 2 1 re x p r = d s ( s 1 1 ) e x p r = d b ( s 2 1 re x p r = 0 s ( s z f ) s i m l n s t a n c e n 棚l 。s i r n i n s t a n c e n 椭l s i 幛臼限埘_ 枷，售p 1 。s i m l n s t a n c e n a m _ s p l 。 m i n ；2m n =m n =m n = x = m a x - - 1 5 m a x - - 2 5m a x - - 2 5 w e i g h t -w e t g h i =w e j g h t =w e i g h t = r a n g e v a r 【1 - f r e q r a n g e v a d l - - f r e q r a n g e v 川1 l n 叮 r a n g e v a r 【1 , , t r e q r a n g e m i n 1 = 2 79 g h zr a n g e m n l = 2 8 1 g h zr a n g e m n 【1 l = 1 8 1 g h zr a n g e m n 1 = 3 0 g h z r a o g e m a x 1 = 2 9 s g h zr a n g e l v = x 1 1 = 2 9 s g h zr a n g e m a x f l l , , 2 7 5 g h zr m = e m s x ( 1 , 目9 5 g 图3 3 5l o 滤波器仿真原理图 r r r n c ，) c ，) 1 0 1 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 m l m 2 一- 啄卜 一 ，一； ：； l 一 ， ：i 一二 l ： ：；：、- - 一 ，j | 7 1 82 02 22 42 62 83 03 23 43 64 0 f r e q ，g h z 图3 3 6i , o 带通滤波器原理图仿真曲线 硕士论文 k a 波段集成上变频器的设计 由原理图生成a d s 版图，版图如图3 3 7 所示，尺寸为8 0 m i n x 2 2 m m 。并对版图 进行m o m e n t u m 仿真。 图3 3 7l o 带通滤波器电路版图 l o 滤波器a d sm o m e n t u m 仿真图如下： m 1 m 2 l f r e q = 2 8 10 g h z f r e q = 2 9 5 0 g h z i d b ( l o f i l t e r 4 _ m o m s ( 2 ，1 ) 即7 0 7d b ( l o f i l t e r 4 - m o m s ( 2 ，1 ) ) = - 2 0 3 2 已 a 芝 富 已 2 乏 ，弋 亍f ，j ， ； l v i i 乞 2 62 72 82 93 03 1 3 2 f r e q u e n c y 图3 3 8i x ) 版图m o m e n t u m 仿真$ 2 1 幅度曲线 t n y n 再 气、 。 ” 1 1 0 f 】：天 、，v 、 l 2 62 72 82 9 3 03 13 2 f r e q u e n c y 图3 3 9l o 版图m o m e n t u m 仿真s l l 幅度曲线 2 9 3 平面带通滤波器的设计 硕士论文 蔓 孟 s 1 1 、k ； fk 0、弋 v 善 飞 一1 墨 f - 1 ， s 2 1 蠲 2 7 趵2 9 3 1 驼 邵 2 7 2 82 93 1匏 f r e q u e 鸺y f r e q u e n c y 图3 3 1 0 l o 版图m o m e n t u m 仿真$ 2 1 和s l l 相位曲线 如总体设计框图所示，上变频之后也需要插入一个带通滤波器滤除混频其生成的杂 波。要求中心频率为3 0 g h z ，带宽2 g i - i z ，带内插损 4 0 d b 。我们采用 同样的设计方法，用a g i l e n ta d s 设计一个7 阶的半波长谐振器平行耦合滤波器。仿真 原理图和l o 滤波器的原理图差不多，只是优化目标不同，l 疆滤波器优化目标设置如 图3 3 1 l 所示。原理图仿真曲线如图3 3 1 2 所示。 j 互 j j g o a l g o a lg o a lg o a l o p l j m g o a l lo p u m g o a l 2o p t j m g o a l 3o p t i m g o a l 4 e x p r = d b ( s 2 1 ) 。e x p r = d b ( s 2 1y ie 带r = d b ( s 2 1y - e x p r = d b ( s 11 ) - s i r e i n s t a n c e n a m e = s p l 。s i r e i n s t a n c e n a m e - - s p l 。s i r e i n s t a n c e n a m e = - s p l 。s i r e i n s t a n c e n a m e = s p l 。 m i n = - 2 m i n =m n =m i n = m a x - =m a x - - - 3 0 m a x - - - 3 0 m a x = - 1 5 w e i g h 仁l w e i g h t = l w e i g h t = - 1w e i g h t = 2 r a n g e v a r 【l 】= 仔e q 。r a n g e v a r 1 = - f m q 。r a n g e v a r 1 = f r e q 。r a n g e v a r 1 = f r e q 。 r a n g e m i n 1 = 2 9 g h z r a n g e m n 1 = 3 2 g h z r a n g e m n 1 = 2 0 g h zr a n g e m n 【1 卜2 9 g h z r a n g e m a 疆l ：3 1g h zr a n g e m a 坷1 = 4 0 g h zr a n g e m a x 1 = 2 8 g h zr a n g e m a x 1 = 3 1g h z 图3 3 1 lr f 滤波器仿真原理图优化目标设置 3 0 m 1 f r e q = 2 9 0 0 g h z d b ( s ( 2 ，1 ) ) - - 2 2 3 7 o p t l t e r = 3 8 9 r n c ，) ，) d 刁 m 3 f r e q = 2 9 7 3 g h z d b ( s ( 1 ，1 ) ) = 一1 5 o o t l t e r = 3 8 9 f r e q g h z 图3 3 1 2l 心带通滤波器原理图仿真曲线 硕士论文i o 波段集成上交频器的设计 滤波器版图如图3 3 1 3 所示，其尺寸为7 7 m i n x 2 3 m m 。 图3 3 1 3r f 带通滤波器电路版图 并对版图进行m o m e n t u m 仿真，$ 2 1 和s l l 幅度曲线分别如图3 3 1 4 和图3 3 1 5 所 示，$ 2 1 和s 1 1 相位曲线如图3 3 1 6 所示。 冒 已 2 ： ，一一 、 r 气 y 弋 、 2 4笳捣3 23 4 f r e q u e n c y 图3 3 1 4r f 滤波器版图m o m e n t u m 仿真$ 2 1 曲线 m 3 行e q = 3 0 6 0 g h z d b ( r f f l l t e r _ m o m s 0 ，1 ) ) _ - 1 3 7 7 s 1 1 节 毒 m ：抻 刃 、 l 2 42 62 83 03 23 43 6 f r e q u e n c y 图3 3 1 5r f 滤波器版图m o m e n t u m 仿真s l l 曲线 3 l 【日p】6e= 3 平面带通滤波器的设计硕士论文 重 耋 s 1 1 - - | j 讲 参 1 、- 3 4 结论 重 暑 是 s 2 1 卜 f$ ff 1。 1 ； 2 4勰敛m2 4孙勰 驼弘 f r e q u e n c yf r e q u e n c y 图3 3 1 6r f 滤波器版图仿真s l l 和s 2 1 的相位曲线 本文将以氧化铝陶瓷为基片的平面结构的滤波器应用到k a 波段，解决了长期以来 平面微带结构微波高频段滤波器插损大，带宽窄的缺点，通过选择合适的介质基片，仿 真软件进行优化设计，运用适当的设计方法降低设计公差，采用薄膜技术提高加工精度， 研制出了通带低插损、阻带高抑制的k a 波段平面结构微带滤波器。 3 2 硕士论文k a 波段集成上交频器的设计 4k a 波段集成上变频器的研制 4 1 研制方案 k a 波段上变频组件主要完成输入信号( 频率1 2 g h z ) 到输出r f 信号( 频率 2 9 31 g h z ，功率5 d b m ) 的变频过程，输入本振信号频率( 1 4 0 5 1 4 7 5 g h z ) 。根据第二 章确定的上变频器的总体设计方案、每一个功能模块的输出输入电平值及各部分性能指 标，我们进行方案研制。 其中，倍频器的p l d b 大于1 7 d b m ，l o 带通滤波器带宽为1 4 g h z ，r f 放大器的p l 血 大于5 d b m ，r f 带通滤波器的带宽为2 g h z ，在混频器的前端i f 放大器的增益为1 1 5 d b ， 选择这样的结构，可以得到低相位噪声的l o 信号，良好的线性，同时由于在混频器前 端加上了一个放大器，很好的减低了对r f 放大器的要求，实现起来更加容易。 设计方案框图中的倍频器、各种放大器和混频器都可以根据指标要求找到相应的 m m i c 芯片，而其中的带通滤波器根据集成一体化设计的要求，需要采用平面结构形式， 因此需要设计采用微带结构的带通滤波器。本论文所用的具体滤波器我们在第三章已经 介绍过。 4 2 集成上变频器设计 4 2 1 集成上变频的构成 在k a 波段集成上变频组件中，我们往往并不是一成不变的某一特定频率，一个组件 系统中，各器件工作在不同的频段，以往的办法则各自为战，先做成各个器件单元( 在 这里，我们把那些耦合器、滤波器等同一频率下实现的各功能模块以及控制模块都称为 器件单元) ，密封在一个全气密性的金属壳体中，之后采用同轴或波导方式将各个器件 单元进行互连调试。这样做的好处是调试方便，但带来了模块体积和重量的成数倍增加。 在对其应用领域有严格重量及体积要求的场合，这种方法就明显表现不足。如何使组件 变得紧凑是减少成本、尺寸和系统复杂性的关键。 采取单片集成及高密度组装技术是实现毫米波组件微小型化的有效途径。利用高密 度组装技术可实现微波毫米波模块的各个腔室，这些金属腔等同于在我们做每个单独模 块时所用的金属管壳封装。在各个腔室之间的信号传输都是用其内部导体来实现。这样 做的一个最大好处：一方面减小了体积，另一方面是对整体性能的一个提升。因为都是 采用内部导体线进行信号间传送，可以认为其特性电阻一直保持恒定，那么在信号传送 过程中，就不会由于不连续而引入反射。 这种腔室结构对同种频率的微小型集成具有其优越性。可以有效地将系统中的放大 器、混频器、倍频器分成若干个腔室，组成一个小型化的、立体结构的模块。 3 3 4k a 波段集成上变频器的研制硕士论文 在本组件中，上变频器、倍频器、r f 放大器、礤放大器为实现小型化器件集成，均 采用m m i c 芯片来实现。 l 、上变频器 k a 波段上混频器是发射链路中的一个重要组成部分，它主要完成将较低频率的中频 信号上变频为k a 波段频率的射频信号功能。其工作原理与下变频基本相同，都是利用非 线性元件的非线性来对频率进行变换，但其工作过程却与下变频器刚好相反。通信系统 对上变频器的要求是