（无线电物理专业论文）毫米波上变频器及功分馈电组合的研制.pdf

摘要 摘要 在微波、毫米波系统中，性能优越的上变频组件对系统性能起着关键性的作 用。本文对毫米波上变频器及其本振倍频链的理论和设计进行了研究。 本文的主要工作是为某实验室制作一套作为毫米波馈源的具有4 0 路发射通道 的上变频系统，可以将c 波段的微波信号上变频到k a 频段。系统的本振输入信号 由晶振提供。晶振信号经两个1 6 倍的倍频链进行2 5 6 次倍频，然后在上变频器里 面再进行了一次倍频，最终倍频到k a 频段。该信号经放大后作为上变频器的本振 信号。 由于晶振的相位噪声非常低，通过直接倍频的方式就能够满足输出信号相位 噪声的要求，所以我们采取了两次两次向上倍频的方案，中间加入窄带滤波器滤 除谐波，并通过加入隔离器降低放大器之间的串扰。根据本振倍频系统的频率高 低将整个倍频链系统划分为两条1 6 1 6 的倍频链并用独立的腔体分开安装。另外， 考虑到在k a 频段进行4 0 路功分很难保证本振信号等幅等相，我们采取了在k u 波段进行功分，然后每路各自倍频至k a 波段的方案。 测试结果表明，该组件具有很好的线性度、动态范围、隔离度、幅相一致性 指标，而且具有功耗小，稳定度高等优点。本系统各电性能均满足技术指标要求。 关键词：毫米波上变频器，本振倍频链，线性度，隔离度，动态范围 a b s t r a c t 1 1 1 l em i c r o w a v ea n dm i l l i m e t e r - w a v es y s t e m ，t h ep e r f o r m a n c e o ft h e u p c o n v e r t e r sp l a y sak e y r o l ei nt h ew h o l es y s t e m t h et h e o r ya n dd e s i g no fs o r e e l i l i l l i i n d e r 二w a v eu p c o n v e r t e r sa n df r e q u e n c ym u l t i p l i e r s a r er e s e a r c h e dmt h i s d i s s e r t a t i o n t h em a j o ri o bi nt h i sp a p e ri s t om a n u f a c t u r eam i l l i - m e t e rw a v eu p 。c o n v e r t s 、，s t a nf o ral a b 弱am i l l i m e t e rw a v ef e e ds o u r c e ，w h i c hh a s4 0 t r a n s m i t t e rc h a n n e l s i t s 劬c t i o ni st oc o n v 耐ac - b a n ds i g n a li n t ok a - b a n d t h ei n p u t l o c a lo s c i l l a t o rs i g n a l i s 州d e db yc r y s t a lo s c i l l a t o r t w o1 6t i m e sf r e q u e n c ym u l t i p l i e rm o d u l e sa r eu s e dt o r e a l i z e2 5 6t i m 髓f r e q u e n c ym u l t i p l e a n dt h e r es t i l l i saf r e q u e n c yd o u b l e ri nt h e u ：p c o n v e r tm o d u l e t h es i g n a lw i l lf i n a l l yb ec o n v e r t e di n t oak a b a n ds i g n a l t h i s s y s t e mi su s e di nal a b o r a t o r ya sas i g n a ls o u r c e w em u l t i p l yt h ei n p u ts i g n a ld i r e c t l y , b e c a u s et h ep h a s en o i s eo ft h ei n p u tc r y s t a l o s c i l l a t o ri se x c e n e l l t t or e s t r a i nt h eh a r m o n i c sy i e l d e db yt h em u l t i p l i e r , w eh a v e i n s e r t e dn a f r o w b a i l df i l t e r sa n di s o l a t o r si n t ot h ec i r c u i t t h e s em e a s u r e sc a nr e d u c e i 1 1 t e r f 打e n c eb r o u g h tb yt h ef e e d b a c ks i g n a lo f t h ea m p l i f i e r a c c o r d i n gt ot h ef r e q u e l l c y o ft h el os y s t 锄，w ed i v i d e dt h ew h o l el os y s t e mi n t ot w os u b s y s t e m s ，a n dt l x c d l 锄：l nd i 任打e n tc a v i t i e s i na d d i t i o n , f o rt h ep h a s ea n da m p l i t u d ec o h e r e n c eo f a l lt h e 4 0c h a n n e l so fo u t p u tl os i g n a l s ，w ed i v i d e dt h el os i g n a la tt h ek u - b a n d b u tn o tt h e k a b a i l d a n dt h e nm u l t i p l yi ti n t ot h ek a - b a n ds e p a r a t e l y t h er e s u l t so fm et e s td e m o n s t r a t e dt h a tt h es y s t e mh a s ag o o dp e r f o r m a n c ei nt h e l i l l e a r i t y d y n 锄1 i cr a n g e ，i s o l a t i o na n dt h ec o h e r e n c eo ft h ea m p l i t u d e t h ee l e c t r i c a l p e r f o r m a n c e sa l ls a t i s f y t h et a r g e tr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：u p m i x e r , l om u l t i p l i e rs y s t e m ，l i n e a r i t y , i s o l a t i o n ，d y n a m i cr a n g e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 扫少年多月舻日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：童& 生 导师签名： 日期：勾夕 年莎月g 日 第一章绪论 1 1 毫米波及其特点 第一章绪论 毫米波是波长介于( 1 肛1 ) m m 的电磁波，对应频率范围在( 3 0 3 0 0 ) g h z 。实际 应用中有时也认为2 6 g h z 甚至1 8 g h z 都包括在毫米波范围内。从频谱来看，毫米 波介于微波与红外线之间，因此毫米波的的研究是需要微波、光学两门学科的综 合知识。 在通信领域中，毫米波相对与其他波长有着明显的优点，其中，波长短、频 带宽以及大气衰减小是促成毫米波通信发展的三个基本因素。首先，和传统的载 波先比，毫米波波长短，一般电路尺寸与波长成正比的，因此基于毫米波电路的 设备体积小、重量轻、机动性好；其次是穿透大气的能力强，毫米波频段存在频 带较宽的大气“窗口”，即大气吸收非常弱的频率范围，而且毫米波具有比光波更 强的穿透烟尘、云雾等恶劣天气的能力；再次是频带极宽，无论是民用还是军事 领域都有显著的利用价值。毫米波频带内存在四个大气“窗口”( 中心频率在3 5 、 9 4 、1 4 0 和2 2 0 g h z 附近) ，这些大气“窗口”对应带宽分别为1 6 ，2 3 ，2 6 和7 0 g h z ， 也就是所毫米波频段内存在超过1 0 0 g h z 的可用带宽。因此毫米波能够大大拓宽现 已十分拥挤的通信频谱f l - 2 】。 毫米波在制导、雷达、通信以及检测等方面已得到了广泛的应用。毫米波电 路相对低频电路具有系统体积小、重量轻、低电压、低能耗等优点。鉴于以上这 些优点，随着信息时代的到来，毫米波通信的应用越来越受到重视。 1 2 微波集成电路的发展 微波集成电路( m i c m i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t ) 最早出现于6 0 年初期。在 此以前，微波电路与设备都是由波导、同轴线和真空电子器件组成。 在2 0 世纪5 0 年代，毫米波技术有所发展，但由于工艺、材料和技术方面的 限制，其发展速度缓慢。到了2 0 世纪6 0 年代，随着激光和红外技术的飞速发展， 同时，毫米波成为部分西方发达国家军事电子发展的重要内容。在6 0 年代，随着 对毫米波固体有源电路器件如肖特基势垒二极管、p i n 二极管以及变容二极管等二 电子科技大学硕士学位论文 端器件和双极型平面三极管和场效应管等三端器件的实用化，微波集成电路进入 了快速发展的时期。 在7 0 年代，随着微波半导体器件性能的提高和成本降低，微波单片电路( m i c ) 开始进入了成熟阶段。所谓的m i c 就是把有源电路和无源电路都制作的同一个半 导体衬底上，其工作频率可以工作在1 g h z 到1 0 0 g h z 之间。随着半导体器件的成 熟和g a a s 材料设备的完善，尤其是g a a s 场效应管器件的发展，促进m i c 进入 了全面发展阶段【3 】。 与波导器件和电真空器件相比m i c 具有以下特点【4 】： ( 1 ) 电路借助于半导体工艺的制版与光刻技术，把分布参数电路制作在介质 基片上，使得复杂的微波电路的可复制性大大提高，同批次电路的一致性得到质 的提高。 ( 2 ) 电路由于制作在介质基片上，消除了许多微波接头，从而大大改善了器 件的稳定性和可靠性。 ( 3 ) 有源半导体器件大多是采用表贴封装形式的，便于集成到平面微波传 输系统( 微带线、槽线、鳍线等) 中，而且微带电路是半开放性的，电路的装配 和调试都比较方便。 ( 4 ) 根据不同的电路要求，选择不同介电常数的介质基片，达到减小电路尺 寸、体积和重量的目的。 m i c 的主要缺点是功率容量的限制。7 0 年代的m i c 功率不过瓦级。随着工艺 水平的提高，采用功率合成的方法已经能够实现较大的输出功率【5 1 。 一般认为工作频率高于3 0 g h z 的微薄集成电路应该称之为毫米波单片集成电 路( m m i c ) 1 6 1 1 9 7 4 年p l e s s e y 公司的p e n g e l l y 等人发表文章介绍了一个x 波段 的微波单片集成电路，这是世界上第一个m m i c 电路，也是m m i c 诞生的标志。 m m i c 所具有的宽频带以及体积小( 毫米量级) 、重量轻等特点使其成为了微波领 域一个及其重要的重要研究方向。 m m i c 相对于m i c 具有一些特点： ( 1 ) 有源器件不再单独封装，使用裸芯，减少了芯片封装硬起的性能恶化， 使得器件的工作频率和带宽都得到极大地提升。 ( 2 ) 有源器件与无源器件电路均制作在同一片半导体材料上，消除了目前 m i c 中的很多人工焊点，减小了人为因素的影响，因而产品性能的一致性和可靠 性都有很大的改善。 ( 3 ) 由于是多器件的全部集成，使得电路体积和重量比m i c 减少了几个量级。 2 第一章绪论 ( 4 ) 批量生产时可以极大地降低成本。 目前微波电路的新技术还包括m c m ( 多芯片模块) 、l t c c ( 低温共烧陶瓷) 等。 我国于7 0 年代末开始研究m m i c ，由于该项工作需要超精细的半导体工艺设 备和技术，国内只有电子科技集团的1 3 所( 石家庄) 和5 5 所( 南京) 开展这方 面的工作。 由于我国工艺水平的落后以及国外对我国引进新技术和设备设置的封锁，上 述的新技术目前实现起来还是有较大的困难。结合我国国情，采用混合集成电路 的方法，将单片集成电路器件集成到平面传输线结构上来实现特定的功能。只要 两者结合良好，也可实现m m i c 和m i c 的部分特点，比如小型化、高可靠性等。 1 3 毫米波上变频器和倍频器国内外发展状况 毫米波广泛应用于制导和雷达系统、电子对抗、通信，还可以作测量雷达， 测量缩比模型，海岸警戒，障碍回避，自动防撞，引信，地形测绘，气象研究以 及卫星遥感，受控核聚变能源工程，医学和保健协商系统，信息交换系统使用等。 毫米波通信设备与早期的微波通信设备相比，具有频带宽的优点，能够实现 数据的高速传输。毫米波通信不仅性能优异，而且其使用的设备体积小、功耗低、 机动性好，在各个领域特别是军事领域都能获得广泛应用。 要将已调中频信号载波转换到毫米波频段就需要毫米波上变频器。上变频器 同倍频器一样是利用器件的非线性来对频率进行变换，而实现变频器的非线性元 件主要有两种，一种是二端口器件，典型为二极管；一种是三端口器件，典型为 场效应管。 二极管曾作为主流器件应用于变频器的设计当中，国内外都对基于二极管的 变频器有过多次报道。随着工艺水平的提高，人们开始对基于场效应管的变频器 产生了兴趣并对此展开了研究。虽然在较高的频率下，例如k a ，v 或者w 波段， 二极管还是在变频器设计中占据主流地位，但是在较低的频率下，基于场效应管 的变频器同基于二极管的变频器的性能不相上下，而且基于场效应管的变频器往 往还能提供一定的变频增益。 g e d d e sj 【7 】等使用离子注入材料上的亚微米栅长g a a sm e s f e t s 研制了w 波 段单片集成二倍频器，这是目前g a a sm e s f e t s 倍频器所达到的最高频段，对应 9 4 g h z 输出频率得到4 m w 的输出功率，此时输入功率为7 0 m w 。 3 电子科技大学硕士学位论文 r o u l s t o nd 等人采用变容管制作了具有较低变频损耗的毫米波倍频器【s 】，但这 些倍频器限于窄带。如果要作为测试仪器，宽频带是主要指标，所以采用电阻性 梁式引线肖特基势垒二极管作宽带倍频器件而获得毫米波信号源是最具有前景的 方法。尽管电阻性倍频的效率不是很高，一般不会大于1 n 2 ( 行为谐波次数) ，但 是它能实现一到两个倍频程的带宽，采用电阻性的肖特基势垒二极管实现宽带倍 频，倍频器的带宽通常不受二极管本身的限制，而是由其外部混合电路结构决定。 设计合理的外部混合电路对于实现宽带倍频起着至关重要的作用。在国外宽带倍 频的单片集成电路已经出现。 b i t z e rr 【9 】采用梁式引线的肖特基势垒二极管和由微带线、共面线、槽线构成 的输出巴伦结构，在陶瓷基片上实现( 6 1 8 ) g h z 的宽带倍频。变频损耗为9 d b ，此 时输入功率为2 0 d b m ，这种体积小而且廉价的倍频器，可用来产生宽带测试仪器 的本振信号。 y a n e v a s 1 0 - l l 】等采用的h e m t 管设计的二倍频器，由同相输入、反向输出t 型结和混合环组成一个输入巴伦，实现了6 1 2 g h z 的宽带倍频。其变频增益大于 3 d b ，其基波和奇次谐波的抑制大于2 5 d b c 。电路是共面结构，适于制作成m m i c 。 m a a ss a 1 2 】采用肖特基势垒二极管和利用类似于m a r c h a n d 平面巴伦结构的 输入、输出巴伦，实现了输入频率为1 6 g h z 一- 4 0 g h z 的二倍频器。其变频损耗为 1 2 d b ，输出功率为2 d b m ，对基波的抑制为2 0 d b e 。 倍频器也可以像放大器一样采用反馈结构，二倍频器使用电阻反馈，基频泄 漏功率减少，功耗降低了，工作稳定，获得了3 2 d b e 的信噪抑制比，而一般的m m i c 倍频器只有2 5 d b c 的信噪抑制比。 平衡结构二倍频的优势在于它能有效的抑制基波和高次谐波。这种结构在很 多m m i c 中得到广泛应用。 采用a t l 1 3 】( 模拟传输线) 的二倍频器，能把低阻抗分支节的尺寸最小化， 从而提高集成度和降低系统损耗。 采用i n ph e m t 器件，这种器件夹断电压低，增益高，截止频率高，所以其 在较低的输入功率下也能获得较高的变频增益。 美国t r w 公司选用0 1 岬的m m i c 技术研制出型号为m d b 2 0 7 的混频芯片， 它采用双平衡变频结构，可配制为i q 上变频或下变频器，在5 7 g h z - - 一6 4 g h z 频 带内的插入损耗可达到9 5 d b - - - 1 0 d b ，而要求的l o 输入功率15 1 7 d b m 。 美国的n o r t h r o pg r u m m a n 空间技术公司为大容量通信网络推出了可配制为上 变频或下变频器的变频器m d b l 6 9 。其射频输出频率为5 4 g h z - 6 4 g h z ，变频损 4 第一章绪论 耗为8 d b 。它采用了单h b t 肖特基二极管来完成该器件设计。其l d b 输入信号功 率为4 d b m ，本振端口到射频端口隔离度为3 0 d b m 。 美国的f a r r a nt e c h n o l o g y 公司是一家著名的毫米波设备供应商。它推 出了采用m m i c 技术的v 波段毫米波上变频模块b u c 1 5 。它的射频输出频率范 围为：6 0 g h z - - 6 3 g h z ，变频增益为2 0 d b ，l d b 输入信号功率为1 7 d b m ，其中频 输入频率范围为1 8 g h z - - - - 2 2 g h z ，本振为1 4 5g h z - 1 5 3 g h z 。射频输出口选用 聃1 5 。 美国的f a r r a nt e c h n o l o g y 公司还推出了波导变频器s p m - 1 0 。其射频 频率范围为5 3g h z - 8 0 g h z ，本振频率范围为2 6 5 g h z 一- 4 0 g h z ) 变频损耗为 1 0 5 d b ，要求的本振信号功率为1 5m w 2 0 m 训1 4 1 。 目前在国内还很少有公司提供该频段器件或部件，相关报道也很少。 由上可知，随着通信的发展，毫米波上变频器在毫米波通信中扮演了很重要 的角色，但由于国内能提供该部件的公司或研究机构很少。同时西方发达国家对 该频段器件又实施了禁运，这给我们在该领域的研究和发展设置了更多的障碍。 所以本文所作的工作对我国在该领域的发展有一定得贡献。 电子科技大学硕士学位论文 第二章系统技术指标及方案设计 2 1 课题技术指标及要求 本课题主要内容为研制一套毫米波上变频系统，包括4 0 只毫米波上变频器和 为其提供本振信号的本振倍频链，以及配套的机箱和直流电源系统，以用于射频 仿真试验室毫米波阵列馈电系统。 2 1 1 毫米波上变频器技术指标 本振输入频率：左d 及( 以d + 4 x 丘) ( k a 波段) ； 中频输入频率：厶o 1 2 5 g h z ( c 波段) ； 保精度工作带宽：2 5 0 m h z ； 幅频特性鲋：小于l d b ( 2 5 0 m h z 带宽内) ； 相频特性：小于1 5 。( 2 5 0 m h z 带宽内) ； 两只上变频器之间的幅频特性的差：鲋f ( 力一嘶( 介：小于l d b ( 2 5 0 m h z 带宽内) ； 两只上变频器之间的相频特性的差：卿( 力一卿( 力：小于1 5 。( 2 5 0 m h z 带宽内) ； l d b 压缩点功率输出：大于1 0 d b m ； 输出信号动态范围：大于1 0 0 d b ； 本振信号隔离度：大于3 5 d b ； 两路毫米波上变频器输出信号间的隔离：不小于6 0 d b 。 2 1 2 本振倍频链技术指标 本振倍频链的输入信号频率：厶； 输入信号功率范围：( 1 0 + 5 ) d b m ； 本振倍频链输出信号频率：( 五d 2 ) 和( 五o 2 + 2 x 厶) ； 功分后的输出信号功率：不小于3 5 d b m ( 本振倍频链输出信号功率应在满足 上述4 0 只上变频器工作条件并达到相应指标的前提下适当调整) ； 6 第二章系统技术指标及方案设计 其他指标： 机箱：倍频链和功分器及其配套的开关等安装于标准的3 u 机箱内，开关电 源及滤波稳压电路安装于标准的2 u 机箱内。 接头形式：上变频输出信号为w r 2 8 波导，其余信号为s m a ( f ) 。信号接头 及电源插座安排在后面板上，电源开关及电源指示安排在前面板上。 电源：机箱电源供电形式为2 2 0 v 5 0 h z 。 2 2 系统设计方案 2 2 1 系统整体设计方案 直接产生毫米波信号往往不容易实现，要将已调的中频载波信号转换到毫米 波频段就需要上变频系统。直接利用本系统的k a 波段本振源( 由低频率晶振信号 通过倍频放大的形式产生) 与输入的中频信号进行上变频，即可将输入信号上变 频到毫米波频段。在k a 波段实现上变频虽然存在一定的技术难度，但该方案的应 用对于提高系统稳定度、可靠性、减少信号失真，具有重要的意义，使系统性能 大大优于采用直接调制方案的系统。 在系统规划上可以分成本振信号倍频链、功分器以及上变频器三大部分。 4 0 路中频信号与来自。本振信号倍频产生的4 0 路k a 波段正o 本振信号分别 上变频，产生4 0 路疋p 的毫米波信号。客户要求本振信号采用直接倍频的方式实 现，而晶振的输出频率只有疋一而上变频器需要的本振频率为无o ，频率相差5 1 2 倍。也就是说我们需要将输入信号进行5 1 2 倍倍频才能得到所需的本振信号。由 于要求有4 0 路毫米波信号输出，故需要采用功分器来实现本振功率的分配，从而 提供4 0 路等幅同相的本振信号。根据技术指标要求，上变频器输出的4 0 路射频 信号在2 5 0 m h z 带宽内需要有很高的幅相一致性。为了为了实现这一指标，我们 除了保证毫米波上变频器工艺和结构一致以外，还必须保证本振源提供的信号经 4 0 路功分后具有良好的幅相一致性。 实现4 0 路等幅度等相位的本振输出最经济的方法是把晶振输入信号直接进行 5 1 2 次倍频，然后通过4 0 路功分输出。但是由于本振信号在k a 波段内，由于工艺 水平的限制，我们很难保证功分器在k a 波段的幅相一致性。因此我们选择在 ( f 。2 ) ( k u 频段) 的时候进行功分，而不直接倍频至k a 波段的z d ( k a 频段) 再进行功分。虽然这样会多使用3 9 只倍频器，但是为了保证本振信号的幅相一致 7 电子科技大学硕士学位论文 性，这样的代价也是值得的。 为了降低设计和调试的难度，我们在设计时把从屯到厶2 的2 5 6 倍频链分 成两个部分来完成，然后再在上变频器内进行一次倍频。倍频链第一个部分是从 丘至1 1 ( 1 6 x 丘) 的1 6 倍倍频链，第二个部分是从( 1 6 厶) 到( 厶2 ) 的1 6 倍倍频 链。图2 1 为该系统基本方案图，从图中可以看到，本振信号经过两条倍频放大链 后经过4 0 路功分与4 0 只上变频器的中频进行上变频后输出射频信号。 名g h z 图2 1毫米波上变频系统原理图 由于本振信号经过4 0 路功分之后功率已经很小了，在上变频器内先要对本振 信号进行放大，然后倍频，再与中频信号混频。由于变频器会同时产生和频信号 ( 厶+ 五d ) 、差频( 厶一厶) 和其他高次混频产物，所以在最后的放大输出之前需 要加入滤波器滤除这些无用的干扰信号，然后经b j 3 2 0 波导输出。 2 2 2 毫米波上变频器的设计方案 由于该毫米波上变频系统的技术指标的主要要求是每一个上变频器及4 0 只上 变频器之间的幅相一致性，因此设计制作该毫米波上变频系统的关键就是如何保 证其幅相一致性的实现。该指标要求事实上包括了单个上变频器输出信号在工作 频带内幅度和相位的平坦度和4 0 个上变频器之间的幅相一致性，因此设计、制作 难度非常大。由于上变频器是两个频率的非线性组合，因此其变频后的输出就和 第二章系统技术指标及方案设计 两个输入频率相关，对于送入4 0 个上变频器的中频输入信号，我们可以认为其幅 度和相位均是完全相同的，因此本振输入信号和上变频器的非线性就是影响该上 变频系统幅相特性的主要因素了。 如果将晶振信号直接倍频到疋。然后再进行4 0 路功分就能最大程度地减小本 振倍频链对整个上变频系统幅相特性的影响，并可降低该指标的实验调试难度。 但是由于在o 的毫米波功分器本身的幅相一致性就是一个很难解决的难题，因此 退而求其次，将功分器放到( ，：，2 ) g h z 上来实现更可行。这就要求上变频器中必 须加入一级倍频器以及相应的滤波器。这样设计对于保证输出信号的相位一致性 有一个好处，那就是使每个上变频器的相位都有一定的调节空间。因为功分器的 设计采用的是微带传输线，其各路之间的相位不平衡由设计和加工精度决定，特 别是加工精度的影响是很显著的。由于电路加工是委托加工，加工精度无法按设 计要求控制，设计制作好后的功分器基本没有可调性；而采用了功分后再倍频放 大的方式，则功分后各路之间的相位不平衡除了与功分器本身有关外，还与其后 面连接的倍频器和滤波器等有关。因此可利用调整倍频器和滤波器之间的相位关 系来改善各上变频器之间的相位一致性。虽然这样会给调试带来大量工作，但为 了获得好的指标也是值得的。 由于每个上变频器的输出端后均加有带通滤波器和放大器，因此该上变频系 统的幅相不平衡还与带通滤波器和放大器在工作频带内的幅相一致性有关，所以 设计制作时对带通滤波器和放大器频带内的幅相一致性就有了较高的要求。对带 通滤波器的设计就只能以牺牲通带内的损耗来换取带内的平坦度。该放大器在 1 g h z 内的增益平坦度都是能够实现的。 2 2 3 本振倍频链设计方案 本振倍频链由微波放大器、滤波器、倍频器和混频器级联组成。上变频器的 本振信号源由低频晶振和倍频链构成，低频的晶振信号经过多次倍频得到所需的 输出信号。采用这种源的优点是它的长期频率稳定度与晶振相同，不足之处是因 为采用了多次倍频和放大，使它的相位噪声随倍频次数刀增大而升高，即输出信 噪比降低2 0 1 9 n d b ( 其中以为倍频次数) ，再者出现大量寄生信号，需要依靠频率 特性非常尖锐的抑制噪声滤波器来抑制载频两边的噪声。由于从晶振输入的信号 为疋i c ，而本振倍频链的输出频率为f 疗，倍频次数高达5 1 2 次，如果将所有器件 安装到一个腔体内会导致元件过多，线路不易安排，器件之间以及信号线与电源 9 电子科技大学硕士学位论文 线之间的相互影响也会变得相当复杂，调试非常麻烦。由于本振倍频链输出频率 为一点频，同时考虑到上变频器幅相一致性指标的要求，因此将本振倍频链分为 两个1 6 倍频链，分别为厶到( 1 6 x 厶) 的1 6 倍频链和( 1 6 x 丘) 到( 五d 2 ) 的1 6 倍频链，通过功分后再倍频放大到所需的本振频率n 。对于1 6 倍频链而言，倍 频次数不高，相对来说其实现还较容易。本振信号经过倍频放大后会有大量寄生 信号的出现，从而使其相位噪声不仅仅只随倍频次数拧增大而升高2 0 1 9 n d b ，因 此频率特性非常尖锐的抑制噪声滤波器的设计就至关重要了。如果采用腔体带通 滤波器，则体积太大，在此并不适用，而如果利用微带传输线来设计制作带通滤 波器，则因微带传输的q 值太低使带通滤波器的频率特性太差，因此为了减小带 通滤波器体积并改善频率特性而采用了介质带通滤波器。 技术指标要求本振系统能够提供两个本振频率，并且要提供一个外部本振信 号输入端口，本振输出信号可以在两个本振信号以及外部本振信号之间切换。根 据技术指标要求，本振系统的两个输出信号频率为( 五d 2 ) 和( 五d 2 + 2 x l o s 。) ，其 中( 厶2 + 2 x 厶) 的输出信号可以通过混频实现。为了实现频率为 ( 厶2 + 2 x 厶) 的输出信号，可以将晶振信号功分出一路，二倍频之后与五d 混频 得到。为了节约器件，也可以将，。到( 1 6 x 兀。1 倍频链中经过一次二倍频的信号功 分出来得到2 。外本振信号只需要将外部输入的信号进行适当的放大然后输出 即可。不同输出信号的切换通过单刀双掷开关实现。实现切换的电路原理如图2 2 所示，图中为2 疋一 图2 - 2 频率切换电路原理图 2 2 4 本振信号功分器的设计方案 由于本振功分组合要提供4 0 路功分信号输出，并且对输出信号的幅度和相位 的一致性都有较高的要求，我们最终选择了多级威尔金森功率等分功分器级联的 方式实现4 0 路的输出。如果直接采用1 分2 的威尔金森功分器级联可以得到2 ”个 输出端口( 以为级联的级数) ，5 级时能得到3 2 个输出端口，6 级时能得到6 4 个输 l o 第二章系统技术指标及方案设计 出端口。要提供4 0 路输出，需要6 级的威尔金森级联才能实现，有2 4 路多余的 端口。经过讨论我们最终决定采用先1 分3 ，然后再连接三个1 分1 6 的功分器实 现。该功分器能提供4 8 路输出，多余的8 路用匹配负载吸收。 其中，一分三的功分器是采用两级威尔金森功分器实现一分四，再将多余的 一路信号用匹配负载吸收的方式实现；1 分1 6 的功分器采用4 级威尔金森功分器 级联实现。这样的设计虽然使功分器的损耗增加2 - 3 d b ，但输出端的幅相一致性 却有较好的保证，而且由于提供了多余的端口，只需要在所有的4 8 路端口中挑选 性能最好的4 0 路，在一定程度上减小了调试的难度。 2 2 5 大功率稳压电源的设计方案 根据指标要求，外部只提供2 2 0 v 5 0 h z 的交流电源，由于我们所采用的器件 都是直流供电的，而且电压都比较低( + 5 v 左右) ，所以我们需要设计一个低压直 流稳压电源模块。上变频器工作时的功耗约为2 w ，4 0 只上变频器同时工作时功 率超过8 0 w ，加上倍频链和电路上的电阻损耗，整个系统的功耗超过1 0 0 w ，加之 必须预留足够的功率为系统的调试和改进提供条件，所以电源需要采用输出能力 超过1 5 0 w 的大功率电源。在功率较大的情况下，我们比较关心电源的效率，因 为在同样的输出功率下，电源的效率越低，其发热就越多，就需要更大的空间和 散热装置。由于我们的电源系统空间有限，所以我们使用了市面上现成的开关电 源。开关电源体积小，重量轻，效率高，发热量小，但是直流输出电压波动较大， 会在系统中引入干扰。所以在开关电源之后需加装滤波电路消除直流中的各种干 扰，并防止各组件通过电源串扰。 2 2 6 课题研制期间主要工作 本课题的主要工作是应研制一个4 0 通道的上变频器及其本振倍频链系统，为 了达到指标要求，本人做了以下工作： 查阅文献，参考本课题国内外发展水平，并根据国内的技术水平讨论可实 现的技术指标。 参与了整个系统的方案制定。从系统可靠性和调试方便的角度对系统进行 划分，依据我们的划分标准，本系统划分为上变频器部分、4 0 路功分器部分、本 振倍频链部分和直流电源部分，其中本振倍频链根据频率的高低又划分成两条子 倍频链；4 0 路功分器分为一个1 分4 功分器和3 个1 分1 6 功分器。从系统指标出 电子科技大学硕士学位论文 发，对各个部分进行具体的指标分配，确定各个部分的实施方案。 协调由其他同学负责设计的部分的指标，根据研制过程中出现的问题调整 设计方案。在设计过程中协调各组件的外形指标，并且根据组件的结构安排了各 组件的安装位置和连接方式。 确定毫米波上变频器和( 1 6 x 厶) 到( 五o 2 ) 的1 6 倍倍频链中有源器件的 选择，完成对系统中的无源电路( 微带一波导过渡，微带滤波器) 进行的设计工 作。 完成了毫米波上变频器和( 1 6 厶) 到( 五o 2 ) 的1 6 倍倍频链电路设计和 机械设计，并进行了机械部分的安装和部分的电路组装。 对该系统进行测试、调试和数据处理，根据指标要求，该上变频器的4 0 路输出信号必须具有很好的幅相一致性，我们只有在工艺上保证4 0 路的一致性的 前提下对其它方面进行微调，以保证4 0 路输出信号的幅相一致型。首先完成了4 0 只上变频器在工作频带内的幅度特性和本振射频隔离度的调试以及倍频链的调 试；然后进行了4 0 只上变频器输出信号相位的调试；再进行了两路毫米波上变频 器输出信号间隔离度的测试；最后对测试数据进行了处理，对上变频器、电缆和 功分器输出端口进行了配对，使4 0 路上变频器能实现最好的幅相一致性。 1 2 第三章系统中使用的有源器件 3 1 放大器 第三章系统中使用的有源器件 3 1 1 放大器技术指标 微波放大器的增益有多种定义 3 】【1 5 - 1 7 1 ，工作功率增益、转移功率增益和资用功 率增益等。放大器的网络图如图3 - 1 所示。工作功率增益g 口定义为负载上的功率 与输入功率的比值。 q = 两耐器一 俘- ， 咿而丽瓦币苒丽丽 屺。 其中 c 2 = 最：一酯 = 墨。一墨：足。 而 铲裔 称之为归一化工作增益。可见，放大器郇除了与有源器件有关2 _ # 1 - ，还与所接入 的负载反射系数有关系，因此，研究负载对放大器的影响时，用郇是最合适的。 源阻抗 么s b 2 a l 一 放大器 -a，iraif 卜一l b s - 1 一 一ii- 负载 z l 图3 - 1 放大器的两端口网络 转移功率增益g r 定义为负载所得到功率与信号源输出的资用功率p 口的比值。 信号的资用功率就是信号功率所输出的最大功率，也就是在满足共轭匹配时 电子科技大学硕士学位论文 ( f 加= r ：) 网络的输入功率。 q = 箦1r 端f f 俘2 ， i 一5 曼l r 工叉2 一s 工l 二 由式3 2 可以看到转移功率增益不仅与器件有关系而且还与源和负载有关系。 研究负载和源阻抗对放大器的影响可以从转移功率增益g r 入手。 资用功率增益 定义为负载所得到的资用功率与信号源输出的资用功率的比 值。因此它是在网络输出端共轭匹配的情况下得到的。那么在输出端应该满足： p 。耻糯 ( 3 - 3 ) q = 雨描籀 4 ， 吁而研瓦币f 丽确 u 。4 j 其中： g = 墨一峨 此外还有相关增益，此指标是针对于低噪声放大器的。通常最佳噪声匹配并 非最大增益点，因此增益要下降。噪声最佳匹配情况下的增益就称之为相关增益。 3 1 1 2 噪声温度与噪声系数 任意微波部件的噪声系数m 定义如下： ，：是! 丝 ( 3 5 ) j s 咖n 咖 其中： ，一微波部件噪声系数 瓯，：_ 。一一微波放大器输入端的信号功率和噪声功率 疋叫，亿扩一微波放大器输出端的信号功率和噪声功率 从上式中可以看到噪声系数的物理意义就是信号通过放大器之后，由于放大 器产生的噪声，使信噪比变坏，信噪比下降的倍数就是噪声系数。通常，噪声系 数用分贝数来表示，此时： ，( 如) = l o l g ，- ( 3 - 6 ) 1 4 第三章系统中使用的有源器件 随着半导体工艺的提高，新材料的使用，器件的噪声系数也越来越小，此时 用噪声温度来表示一个器件的噪声系数是相对合适的。 我们可以得到放大器的噪声温度疋与噪声系数的关系为： 互= t o ( ，一1 ) ( 3 - 7 ) 利用式3 7 可以得出噪声系数与噪声温度的对应关系，详细的表格见参考文献 【1 8 。 3 1 1 3 增益平坦度 增益平坦度是指工作频带范围内功率增益起伏的范围，通常是最大增益和最 小增益的差值，即a g ( d b ) 表示，如图3 2 所示。 增益的起伏通常用增益频率曲线的斜率来表示，单位为d b m h z 。对于低噪声 放大器来说，就是要求全频带内增益变化要平缓，不允许增益有突变。当增益不 平衡度很大时，可以采用均衡器来校正。 g ( d b ) 图3 2 增益平坦度 3 1 1 4 非线性 放大器采用的半导体器件，都呈现出一定的非线性，低噪声放大器通常工作 在小信号状态下，这时我们认为器件是线性的或者是准线性的，而功率放大器因 为工作在大信号模式下，这时器件表现出强烈的非线性。表征非线性的参量主要 有三阶交调和功率压缩点。 在微波通信中，放大器的i d b 压缩点和交调系数是一个很重要的指标，通常 1 5 电子科技大学硕士学位论文 是采用三阶交调系数作为交叉干扰的衡量标准。关于l d b 压缩点和三阶交调系数 的示意图如图3 3 。 i o m ( d b m ) i p 3 p - i p i ( d b m ) 图3 - 3l d b 压缩点和3 阶交调示意图 当功率放大器的输入功率加大到某一个值后，输出功率不再随输入功率线性 增长。当输出功率低于线性增益的理论值l d b 时的输出功率就是l d b 压缩点输出 功率，记做。曲，此时的输入功率就是l d b 压缩点输入功率，当输入功率继续增 大时，输出信号就会出现明显的失真。 若有两个频率相差不多的正弦信号( 双音信号) 加到放大器中，其角频率分 别为l 和2 。由于放大器的非线性效应，将产生许多的互调分量： m 0 0 1 + n c 0 2 m ，n = 0 ，1 ，2 ( 3 - 8 ) 互调分量中的2 q 一和2 q q 两个分量的频率最靠近q 和哆，将落在通频 带内产生干扰，这两个频率分量称之为三阶交调分量，其功率b 和信号q 和吃功 率的比值就为3 阶交调系数，单位为d b c e l 9 1 。 d 鸠= 1 0 l g ( 暑- ) ( 3 - 9 ) 一1 3 1 1 5 动态范围 动态范围是指低噪声放大器输入信号允许的最大输入功率和最小输入功率的 比值( 一般用d b 表示) 。动态范围的下限受噪声性能所限。当放大器的噪声系数 m 给定的时候，输入信号的功率所允许的最小值为 p m i 。= ，( 饵蛾) m ( 3 - 1 0 ) 其中：钣微波系统的工作带宽。 1 6 第三章系统中使用的有源器件 m 微波系统允许的信号噪声比，或识别信号系数。 露环境温度，一般为2 9 3 k 。 由式( 3 1 0 ) 可知，动态范围下限基本取决于放大器的噪声系数，但同时也受到 系统所需的带宽以及环境温度的影响。 动态范围的上限是受非线性指标限制的。有时候动态范围的上限定义为放大 器输出功率呈现l d b 压缩点时的输入信号功率值；更严格的指标则定义为放大器 非线性特性达到指定的三阶交调系数时的输入功率值。一般情况下，动态范围的 上限基本上取决于最先进入饱和状态的器件的功率输入值。 3 1 2 功率放大器 功率放大器常用在雷达和无线电发射机的末级，用以提高他们的辐射功率电 平。对于移动话音或数据通信业务典型的输出功率是( 1 0 0 5 0 0 ) m w 量级；对于雷 达或定点天线系统，输出功率范围在( 1 1 0 0 ) w 内。对于i 疆和微波功率放大器， 着重要考虑的是效率、增益、互调产物和热效应。单个晶体管在u h f 频率下能够 提供1 0 1 0 0 w 的输出功率，而在更高频率通常输出功率限制在1 w 以下。若需要 较高的输出功率可利用功率合成技术将多个晶体管组合在一起。 功率放大器常常是系统中直流功率的组要消耗者，所以放大器的效率对系统 的功耗有较大的影响。放大器效率的一种量度是i 心输出功率与直流输入功率之 比： 刁= 象 这个定义的缺点是没有考虑传输到放大器输入处的r f 功率。因为大多数功率放大 器都有较低的增益，所以式3 1 1 往往会高估实际效率。一个较好的量度包括输入 功率的作用，称为功率附加效率，定义为 一p a e - 譬= ( 刊1 p 兄o , , t 一( 一吉) 刁( 3 - 1 2 ) 式中g 是放大器的功率增益。硅晶体管在蜂窝电话波段8 0 0 9 0 0 l _ n z 时功率附加 效率在8 0 左右，但随着频率的升高，效率下降很快。功率放大器常常设计成有 最好的效率，这意味着增益会小于最大可能值。 功率放大器另一个有用的参量是压缩增益g l ，它定义为l d b 压缩