（无线电物理专业论文）毫米波上变频器及其本振倍频链.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。 本文的主要工作是应用户要求制作一具有三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 波段的毫米波信号。系统的本振输入基频由一相位 噪声非常好的低频率晶振提供，经过5 1 2 次的倍频放大至k a 波段。本系统作为实 验室中引信的发射源，由于目标反射信号具有时变的多维性，反射信号变得极为 复杂，在信号处理时，不仅信号幅值、频率有决定意义而且相位关系也很有决定 意义。因此，本系统对单路发射以及三路发射通道之间的相位一致性都有指标要 求。 由于作为本振基频的晶振信号相位噪声优至一1 5 0 d b c 1 0 k h z ，在减少设计难 度的基础上，我们舍弃了本振源采用锁相合成的形式，而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 窜绕。根据本振倍频系统的频率高低将整个倍频链系统划分为分为两条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 频段进行三路功分很难保证 三路本振信号等副等相，我们采取了在k u 波段进行三功分，然后三路各自进行倍 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、幅度一致性 指标，而且具有功耗小，稳定度高等优点。在单路发射通道上，群时延达到了2 n s ， 优于国内很多产品。三路通道之间的相位一致性由于测试方法的误差以及隔离度 指标的牵引作用，我们不能调试达到非常好的在相位一致性指标，再下一轮的工 作中必须提高滤波器对本振信号的抑制度，改进相位测试方法以达到指标要求。 关键字：毫米波上变频器，本振倍频链，线性度，动态范围，隔离度 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h em i c r o w a v ea n dm i l l i w a v es y s t e m ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h eu p m i x e r sp l a ya k e yr o l ei nt h ew h o l es y s t e m t h i sd i s s e t a t i o nm a k ear e s e a r c hi nt h et h e o r e t i c sa n d d e s i g no f t h em i l l i w a v eu p m i x e r sa n dt h el om u l t i p l i e r s t h em a j o rj o bi sm a n u f a c t u r e dat r a n s m i t t e r , w h i c hh a st h r e eu p m i x e rc h a n n e l s i t s f u n c t i o ni st ou pc o n v e r tt h es i g n a l sf r o mc b a n dt ok a - b a n d t h ei n p u tl o c a lo s c i l l a t o r i sp r o v i d e db yal o wf r e q u e n c yc r y s t a lo s c i l l a t o rw h i c hh a sa g o o dp e r f o r m a n c eo f p h a s e n o i s e , t h r o u 曲5 1 2t i m e sm u l t i p l yt ok ab a n d t h i ss y s e t e mi su s e di nt h el a b o r a t o r ya s t r a n s m i t t e rs o u r c eo ft h ef u z e ，f o rt h em u l t i d i m e n s i o n a lo b j e c t si np r a c t i s e ，w h i c hl e a dt o t h ec o m p l e x i t yo ft h er e f l e c ts i g n a l ，s ot h ea m p l i t u d e ，f r e q u e n c ya n dt h ep h a s eo ft h e t r a n s m i ts i g n a l sb o t hh a v eak e yr o l ei nd e a l i n gw i t ht h er e f l e c t i o ns i g n a l s t h e r e f o r e ，t h i s s y s t e mr e q u i r e sf o rb o t ht h ec o h e r e n c eo ft h es i n g l ec h a n n e l sa m p l i t u d e ，p h a s ea n d m u l t ic h a r m e l s b e c a u s et h e p h a s e n o i s eo ft h e i n p u tc r y s t a l o s c i l l a t o ri se x c e l l e n tt o 1 5 0 d b c 1 0 k h z ，w ed o n ta d o p tt h ep l lm e t h o dt oy i e l dt h el os o u c e ，b u tm u l t i p l yt h e i n p u ts i g n a l f o rt od i s c a r dt h eh a r m o n i o u sf r e q u e n c i e sy i e l db yt h em u l t i p l i e r , w eh a v e c o n n e c t e dn a r r o w - b a n df i l t e rb e t w e e nt h ec i r c u i t ，m a dc o n n e c t e dt h ei s o l a t o rt or e d u c e t h ei n t e r f e r e sb r i n gb yt h ef e e d b a c ks i g n a lo ft 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 n c y o f t h el os y s t e m ，w ea p a r t e dt h ew h o l el os y s t e mt ot w os u b s y s t e m s ，a n df i x e di nt h e d i f f e r e n tc a p s u l e s i na d d i t i o n ，c o n s i d e r i n gt h ec o h e r e n c eo ft h el os i g n a l ，w ed i v i d e di t a tt h ek u b a n db u tn o tt h ek a - b a n d ，t h e nm u l t i p l yt ot h ek a - b a n d s e p a r a t e l y t h er e s u l t so ft h 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 sag o o dp e r f o r m a n c ei nt h e l i n e a r i t y , d y n a m i cs c o p e ，i s o l a t i o n ，c o h e r e n c eo ft h ea m p l i t u d e t h eg r o u pd e l a yo ft h e u p m i x e r s i s 2 n s ，w h i c h i sb e t t e rt h a no t h e rd o m e s t i cm a n u f a c t u r e s b e c a u s et h e i n c o n s i s t e n c yb e t w e e nt h ei s o l a t i o na n dt h ep h a s ec o h e r e n c e ，a n dt h ee r r o ro ft h et e s t m e t h o d ，w eh a v e n tg o t t e nt h eg o o dp e r f o r m a n c eo ft h ep h a s ec o h e r e n c e t h en e x tw o r k i si m p r o v i n gt h er e s t r a i no f t h ef i l t e rt ot h el os i g n a la n dt h ep h a s et e s tm e t h o d s k e yw o r d s ：m i l l i w a v eu p m i x e r ，l i n e a r i t y , d y n a m i cr a n g e ，i s o l a t i o n i l 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。 签名：蕴童日期：w 6 年；月，f 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：盔益导师签名：弛 日期：2 力6 年罗月f r 日 第一章绪论 1 1 课题来源和作用 第一章绪论 本课题为毫米波上变频器，应用户要求制作。主要内容为研制毫米波上变频 器和配套使用的本振倍频链，以及配套机箱和相应的交流电源，以用于射频仿真 试验室毫米波阵列馈电系统。 1 2 毫米波上变频器和倍频器国内外发展状况 毫米波广泛应用于雷达和制导系统、电子对抗、毫米波通信，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。 随着通信事业的发展，信息传输量日益增加，在低频已出现频率拥挤的现象， 而无论公用通信网还是专用通信网，通信的业务量还在迅猛增长 不久将来专用通信的传输速率可能达到8 1 6 g b s ，而传输速率越高占用的频率将 越宽，况且在高速传输下，干扰又是难免的，因此避开这种干扰而向毫米波进行 开发非常必要。 毫米波通信设备与早期的厘米波段的通信设备相比，频带宽，可以实现高速传 输。毫米波通信不仅在性能上有得天独厚的优点，且通信设备体积小、耗电小、 重量轻，将在各个领域特别是军事领域获得广泛应用。 要将已调中频信号载波转换到毫米波频段的所要求位置上，就需要变频器，也 就是通常所说的上变频器。 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1 3 器件，典型为二极管；一种是三端口器 件，典型为场效应管。 在早期，二极管曾作为主流元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，随着工艺的进步，人们逐渐对基于场效应管的变 电子科技大学硕士学位论文 频器产生了兴趣并对此展开了研究，也作了多次报道。综合看来，在低端频率， 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，甚至在某些指标 方面还略胜一筹。但是在高端频率，例如k a ，v 或者w 波段，还是二极管占主流 地位。 上变频器和本振倍频源作为馈电系统，国内外已对它进行了广泛深入的研究。 以肖特基势垒二极管作为倍频器已有许多报道。目前，在毫米波低端频率，应用 平面电路，以使倍频器结构简单，降低成本，便于毫米波电路的实现；输出频率在 5 0 0 g h z 以下的毫米波倍频器则使用肖特基势垒变阻二极管作倍频器件，倍频效率 不高；利用半导体场效应晶体管的转移电导和输出电导的非线性可实现倍频器， 倍频次数不可能太高，一般n 小于2 0 左右，在3 0 倍以上不太可能。 j g e d d e s 1 1 等使用黎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 s m 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 。应用于倍频的雪崩二极 管在低频、低次倍频情况下与变容管相比优点并不明显，它适合高次倍频，能将 低得多的频率信号，高次倍频至毫米波频段。 采用变容管作毫米波倍频器已有报道【2 】，这些倍频器虽变频损耗较低，但只限 于窄带，作为测试的仪器，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 肪2 ( n 为谐次数) ，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。 d a n i e lf i l i p o v i l 等设计的变容管平衡二倍频器，在输出频率为6 1 0 g h z 时， 变频损耗为8 - 1 0 d b 。此平衡倍频电路采用一种新颖的平衡结构，实现从共面线到 缝线的转换，输出端口对基波和奇次谐波有抑制作用。 r a i n e r b i t z e r 3 采用梁式引线的肖特基势垒二极管和由微带线、共面线、缝线 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。 a n d r e ys y a n e v 4 】 5 1 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 第一章绪论 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 。 s a m a a s 6 1 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1 6 g h z 到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 c 。 还有其他一些实现倍频的方式：j w a r c h e r 7 1 采用双管结构的二倍频器在 1 0 5 g h z 得到2 6 m w 的输出功率。 倍频器也可以像放大器一样采用反馈结构，二倍频器( 1 2 2 4 g h z ) 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 c 的信噪抑制比， 而一般的m i 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很高的变频增益和对基波和谐波的有效抑制。 这种结构在很多m m i c 中得到广泛应用。 采用a t l 8 】( 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 输入功率较低，仍可以得到较好的变频增益。 美国t r w 公司选用0 1 u m 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q 上变频或下变频器，在5 7 g h z 6 4 g h z 频 带内的插入损耗可达到9 5 d b1 0 d b ，而要求得l o 输入功率1 5 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 出了采用了m m i c 技术的v 波段毫米波上变频模块b u c 一1 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 5 1 5 3 g h z 。射频输出口选用w r - 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 3 8 0 g h z ，本振频率范围为2 6 5 g h z 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 5 2 0 m w 。 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 电子科技大学硕士学位论文 的角色，但由于国内能提供该部件的公司和研究机构很少。同时国外，特别是美 国对该频段器件的供应进行了禁运，这更加给我们在该领域的研究和发展抬高了 门槛。所以本文所作的工作在一定程度上为我国在该领域的发展添砖加瓦。既满 足国民经济的发展，国防和科研事业的需要，又替国家节约了大量的外汇，具有 特别重要的战略意义和经济意义。 1 3 c 和删ic 的国内外发展现状 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6 0 年代，由于研制了许多微波固体有源电路器件如肖特基势垒混频二极 管、开关用的p i n 管以及倍频参量放大的变容管等两端器件和包括双极性平面三 极管和场效应管在内的三端器件，随着微波平面传输线系统的深入研究和实用化， 让微波集成电路朝着小型化、重量轻和功耗小的道路，进入蓬勃发展的快速时期。 在7 0 年代，随着微波半导体器件性能的提高、成本降低，m i c 开始进入了成 熟阶段。各种类型的混频器、检波器、振荡器、放大器、开关、限幅器等等已经 占据了微波通信、雷达、电子战武器系统的主导地位，尤其是g a a s 场效应管器件 具有优良特性和多种用途，从而促进了m i c 的全面发展。 与前时期的波导、电真空器件电路相比m i c 具有以下特点： 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。 电路由于制作在介质基片上，一次成型，消除了许多微波接头，改善了稳定 性，增强了可靠性。 有源半导体器件的封装形式都是平面的，便于和平面微波传输系统( 微带线、 槽线、鳍线等) 串接，而且微带电路是半开放性的，打开盖板就可以进行测试和 调试。 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，然后整个电路放入腔体中，便于形成模块化和予系统化。 m i c 的缺点是功率容量的限制。尽管微波半导体器件的功率效率已经远远超 过了电真空器件，而且半导体的功率也越来越大，但是由于体积减小，散热是个 难题，而且细薄的微带线也难以承受大功率的电流。7 0 年代的m i c 功率不过瓦级。 4 第一章绪论 现在随着工艺的提高，在毫米波频段采用功率合成的方法已经达到了较大的功率 输出。 7 0 年代，随着半导体器件的成熟，工艺加工技术的改进以及g a a s 材料设备 的完善，器件成品率的提高，使得单片微波电路( m m i c ) 的研究具备现实的条件。 所谓的m m i c 就是把有源电路和无源电路都制作的同个半导体衬底上。其工作 频率可以工作在1 g h z 到1 0 0 g h z 之间，严格来讲，如果工作频率在3 0 g h z 上应 该称之为单片毫米波集成电路( m m w i c 或者m m i c ) “1 ，目前对r f i c 没有确定 的定义，一般来说，频率低于g h z 的，采用硅工艺的微波电路称之为射频集成电 路。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。 由于m m i c 所具有的宽频带以及体积小( m m i n n - i 量级) 、重量轻等特点， 成为了微波领域最热门的话题，但是困扰m m i c 成为商品的主要障碍是成品率太 低和成本过高。 进入9 0 年代后，m m i c 的商业化有了次很大飞跃，主要在于精细微电子工 艺和c a d 技术的巨大进展。在相控阵雷达收发组件、卫星广播接收站高频头等大 批量的产品方面获得了成功，而且成本价格已经低于m i c 。目前m m i c 的发展已 经进入了电路的系统化比如m a r c o n i c a s w e l l 公司的在2 4 g h z 公司的单片无线局 域网的收发机s o p 、采用新的材料( i n p ) 和新的器件( g a a sh b t 和h e m t ) 。 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，但是进展比较缓慢，集成度较低，功能比较简单，目前只有低端产品。 m m i c 相对于m i c 具有一些特点： 有源器件不再单独封装，减少了管壳分布参数的影响。使得器件的工作频率 大大提高，工作带宽大大加宽。高频率、多倍频很容易实现。 有源器件与无源器件电路融为一体，消除了目前m i c 中的很多人工焊点，因 而可靠性和寿命有很大的改善。 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。 前期研发成本较高，投片验证电路成本远远大于m i c 电路，但是量产后的费 用却远远低于m i c 电路，从而使得整个产品的成本大大下降。 随着时问的推移，目前微波电路的新技术还包括m c m 、l t c c 等。但是限于 我国基础工业和工艺的落后以及国外对我国引进新技术设备的限制，上述的新技 术目前大部分都是停留在理论研究和介绍国外的动态方面。目前结合我国国情， 电子科技大学硕士学位论文 使用单片集成电路器件采用m i c 设计方法来达到所需要的指标，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，也未尝不是 一个很好的方法。 第二章系统设计组成与原理 第二章系统设计组成与原理 2 1 技术指标和要求 2 1 1 毫米波上变频器技术指标： 本振输入频率：五og h z ( k a 波段) ； 中频输入频率：( _ 0 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a ：小于l d b ( 2 5 0 m h z 带宽内) ； 相频特性中：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：a i ( f ) 一 带宽内) ； 两只上变频器之间的相频特性的差；a 巾i ( f ) 带宽内) ； a a j ( f ) ：小于l d b ( 2 5 0 m h z a 巾j ( f ) ：小于1 5 0 ( 2 5 0 m h z l d b 压缩点功率输出：1 0 d b m ： 输出信号动态范围：大于8 0 d b ： 本振信号隔离度：大于4 0 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： f 。，m h z ； 输入信号功率范围：一2 0 + 3 d b m ： 本振倍频链输出信号频率： f 。g h z ； 输出信号功率：1 0 d b m ( 本振倍频链输出信号功率应在满足上述三只上变频 器工作条件并达到相应指标的前提下适当调整) ； i 其他指标： 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 ) 。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 系统实现方式 实际中直接产生多路毫米波信号往往不容易实现，要将中频信号载波转换到 毫米波频段所要求的位置上，就需要上变频器。本课题就很好地解决了这个问题。 现在实现毫米波上变频，可以直接利用该系统的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) ，即可上变频产生三路幅相一致性很好的毫米波信 号。在k a 波段采用上变频方案，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。 由于本振频率只有，= 。k , q - h z ，而上变频器需要的本振频率为f 。g h z ，频率倍数相差 5 1 2 倍，所以在系统规划上可以分成本振源以及上变频两大部分。其中的本振源部 分可采取的方案有两种，一种是采用锁相环的方式；另外一种是采用直接倍频的 方式从，= 。m h z 倍频至f 。g h z 。采用直接倍频的方法电路简单，频率转换速度快， 性能稳定，缺点是杂散电平高，电路中要加入大量的窄带滤波器滤除谐波：而且功 耗大，每一级变频后都要加入放大器补偿变频损耗。而采用锁相环的形式，杂散 电平小，体积小，但频率转换时间长，相位噪声差。 1 9 8 9 年在日本的n t tr a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e ml a b o r a t o f i e s 制作的参考频 率为8 5 m h z ，分频次数为1 6 0 ，输出频率为1 3 6 g h z ，测得的相位噪声为 一7 0 d b c h z ( 在i k h z 频偏处) 。 1 9 9 5 年法国t h o m s o n c s fs e m i c o n d u c t e u r s 制作的频率合成器，参考频率为 1 0 m h z ，输出频率为5 6 8 g h z ，测得的相位噪声为一7 0 d b c h z ( 在1 0 k h z 频偏处) 。 2 0 0 3 年电子科技大学做的毫米波频率合成器，参考频率为1 0 0 m h z ，输出频率 为3 5 4 g h z ，测试结果表明输出相位噪声为一5 0 d b c h z ( 频偏在1 k h z 处) 。 采用倍频方式相位噪声在经过5 1 2 次倍频后要恶化2 0 1 0 9 5 1 2 = 5 4 d b ，晶振的 相位噪声为1 5 0 d b c 1 0 k h z ，那么最后输出信号的相位噪声应该在在 9 5 d b c 1 0 k h z 左右，已经能很好的达到指标，所以我们舍弃了使用锁相环制作的 方案。 在本课题中，三路信号在f ，g h z 的中频上，与来自f 。m h z 本振信号倍频产 生的三路k a 波段f 。g h z 本振信号分别上变频，产生三路，g h z 的毫米波信号。 由于变频器会同时产生和频信号( 厶+ 正。) 、差频( 厶一无。) 和其他高次混频产 物，所以在最后的放大输出之前需要滤除这些无用的干扰信号。然后经8 m m 波导 输出。 按照指标要求，上变频器输出的三路信号在2 5 0 m h z 带宽内有很高的幅度跟 第二章系统设计组成与原理 相位一致性，为了保证这点，除了在三个k a 波段上变频器上保证工艺和结构上一 致以外，本振源提供的信号对于三路输出也起着至关重要的作用，考虑到提供给上 变频器的三路本振信号必须保持尽可能高的一致性，我们没有采用用户方要求的 从，= 。m h z 晶振开始分别产生三路本振信号的方案，而选择了只用一路本振信号， 在厂：。2 g h z 的时候再进行三功分产生三路本振信号，为什么不直接倍频至k a 波段 的f 。g h z 再进行功分，那是因为考虑到k a 波段的功分器的幅相一致性很难实现。 下图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 过三路功分与三路上变频器上变频输出。 ，f ，g i - i z 信号 f o , 。m h z ，g h z 输出 厶g h z 输出 厶g h z 输出 2 - 1 上受频组件腺理图 对整个系统再细分，整个上变频组件主要由四部分组成： i 丘m h z 1 6 x 丘m h z 倍频链 主要产生1 6 l m h z 本振信号。 i i 1 6 丘m h z 正。2g h z 本振链 主要产生厶2g h z 本振信号。 i 三路功分器 主要是将产生的六。2g h z 本振信号功分，提供三路等幅等相的本振信号。 三路上变频器 主要是将三路g h z 的中频信号上变频到厶g h z ，然后经8 r a m 波导输出。 电子科技大学硕士学位论文 2 3 上变频器的关键技术和解决途径 完成本课题关键就是如何保证其幅相一致性的实现，幅相一致性包括以下方 面： i 单个上变频器在工作带宽内输出信号的幅相一致性； i i 三个上变频器之间的幅相一致性： 要同时达到以上两点，为了保证以上指标，我们拟采取以下措施来解决： i 对带通滤波器的设计以牺牲通带内的损耗来换取带内的平坦度 i i 选择平坦度特性好的放大器，以保证在2 5 0 m h z 带宽内增益平缓； i i i 依靠精密的加工使各个上变频器电路之间保持一致； i v 设计功分器时，保证其具有等幅等相特性。 2 4 本振倍频链技术的关键和解决途径 i 从晶振输入的信号是，。m h z ，而本振倍频链的输出频率为f 。g h z ，倍频次数 高达5 1 2 次，由于元件太多，线路复杂，调整非常麻烦，根据我们现成的技术，将 本振倍频链分为两个1 6 倍频链，分别为，。m h z 到( ( 。1 6 ) m h z 的1 6 倍频链 和( f 。1 6 ) m h z 到( ，。2 ) g h z 的1 6 倍频链，通过功分后再倍频放大到所需 的本振频率f 。g h z 。 需要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，从减小带通 滤波器体积并改善频率特性的角度出发，拟采用介质带通滤波器，。 2 5 本论文的主要工作 本论文的主要工作是应用户要求研制一个三通道的上变频器及其本振倍频链 系统，为了达到用户的要求，本人做了以下工作： 1 查阅文献，参考国内外水平参与方案制定。 2 对系统中的无源电路进行设计。 3 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部分、三路功分器部分、本振倍频链部分，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 对系统进行e m c 分析，分析方案和结构的可行性，以及这种结构可能会产 第二章系统设计组成与原理 生的影响。 5 对该系统进行调试，根据指标要求，该上变频器的三路输出信号必须具有 很好的幅相一致性，而且对相位指标的设计与调试我们之前没有任何的经验，我 们只能摸着石头过河，首先在工艺上保证三路的一致性，然后再从其他方面进行 微调，保证三路的幅相一致。 电子科技大学硕士学位论文 3 1 放大器主要技术指标 3 1 1 曾益 第三章放大器 微波放大器的增益有多种定义【】 1 2 】0 3 0 4 ，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 2 所示。 工作功率增益g p 定义为负载上的功率与输入功率的比值。 其中 而 g p = c 2 = s 。一s i a = s l l s 2 2 一s 1 2 s 2 。：旦 6 i s 2 1 l 2 ( 3 - i ) 称之为归一化工作增益。可见，放大器g 。除了与有源器件有关之外，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g 。是最合适 的。 源阻抗 a 1 d 1 广 放大器 a 2 ( q b 。 s 1 r r 一 _ hr p 图3 - l 放大器的两端口网络 负载 丑 第三章系统设计组成与原理 转移功率增益g ，定义为负载所得到功率与信号源输出的资用功率p a 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( fi n = r4 s ) 网络的输入功率。 g ，：划蚰垡丛二州； 2 ， 。 f 1 一l 蜀，一r 是：一l l f 2 由3 - 2 式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 ，八手。 资用功率增益g 。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： l = ( 1 f - s ：+ 墅1 - s 蓝? , c ( 3 - 3 ) 其中 c i = s 】l 一s 乏 ( 3 - 4 ) 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 2 噪声温度与噪声系数 任意微波部件的噪声系数n f 定义如下 卟耠 ( 3 5 ) 其中： 以微波部件噪声系数 s 。 ，n i , ，敖波放大器输入端的信号功率和噪声功率 s 。，n o 。微波放大器输出端的信号功率和噪声功率 电子科技大学硕士学位论文 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，是信道比变坏，信噪比下降的本书就是噪声系数。通常，噪声系 数用分贝数来表示，此时： n i ( d b ) = 1 0 1 9 ， ( 3 - 6 ) 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t e 与噪声系数的关系为： t = 兀( ，一1 ) ( 3 7 ) 利用( 3 7 ) 式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 4 0 1 。 3 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g ( d b ) 表示，如图3 - 2 所示： 在多路通信的情况下，低噪声放大器对全部信道进行放大，后接终端机进行 分路。每个信道的信号只占几十兆赫兹，对于每个信道信号，增益起伏不能太大， 通常用增益的斜率d b m h z 来表示。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 砂碴 _ 图3 - 2 增益平坦度 1 4 第三章系统设计组成与原理 3 1 4 端口驻波比与反射损耗 低噪声放大器的主要指标是噪声系数，所以输入端口必然是按照噪声最佳来 设计的。其结果必然偏离驻波比最佳的共轭匹配状态，因此驻波比不是很好。由 于半导体器件的增益是按照每倍频程6 d b 下降的，为了达到所要求的频带增益平 坦度，在假定输入匹配电路和输出匹配电路都是无损耗的情况下，只能采取压缩 低端频率增益的方法来保持频带内的增益平坦度，因此端口驻波比必然是随着频 率降低而升高。 有的放大器为了达到良好的驻波比，通常在放大器的输入端口加入隔离器， 这样虽然提高了驻波的性能，但是却让系统的噪声系数有所增加。 3 1 5 非线性 不管是b j t 还是f e t 等半导体器件，都呈现出一定的非线性，通常我们把低 噪声放大器看作是小信号的情况也就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，表现出来是强的非线性。表述非线性的通常是三阶交调 和功率压缩点。 在微波通信中，放大器的l d b 压缩点和交调系数是一个很重要的指标，通常是 采用3 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 ： 当功率放大器的输入功率加大到某一个值后，再加大输入功率并不会改变输 出功率的大小，此时的功率就称之为功率放大器的饱和输出功率。功率放大器增 益压缩l d b 所对应的输出功率称之为l d b 压缩点输出功率，记做p l d b 。 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。1 和u2 。由于放大器的非线性效应，将产生许多的互调分量： m a r l n 刃2 m ，h = 0 , 1 ，2 ( 3 8 ) 互调分量中的2 1 ( i ) 2 和2 m2 1 , 0 l 两个分量的频率最靠近1 和m2 ，将落在 电子科技大学硕士学位论文 通频带内产生干扰，这两个频率分量称之为三阶交调分量， 和6 02 功率的比值就为3 阶交调系数口1 ，单位为d b c 。 岭，吨 3 1 6 动态范围 星 - 。 芷 图3 - 3l d b 压缩点和3 阶交调示意图 其功率p 3 和信号。 ( 3 - 9 ) 动态范围是指低噪声放大器输入信号允许的最小输入功率和最大输入功率的 范围。动态范围的下限受噪声性能所限。当放大器的噪声系数n f 给定的时候，输 入信号的功率所允许的最小值为 p m 。= n f ( k t o a l ，渺 ( 3 - 1 0 ) 其中：兀，微波系统的通频带。 m 微波系统允许的信号噪声比，或识别信号系数。 t o _ 一环境温度，一般为2 9 3 k 。 由上式可知，动态范围下限基本取决于放大器的噪声系数，但也和整个系统 的状态和要求有关，比如所需要的带宽。 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。一般说来，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。 第三章系统设计组成与原理 3 2 宽带放大器 3 2 1 负反馈放大器【9 】 1 o 】 f e t 负反馈放大器是一种非常普遍的宽带放大器实现形式。这种技术可以提供 很平坦度的增益和良好的输入输出匹配，还能得到很好的功率输出( 几百毫瓦) 。 这种技术的关键是在漏级和栅极之间串接一个几百欧姆的电阻，这样做除了能使 输入、输出端更好的匹配到5 0 n ，还能降低电路性能对管芯参数的敏感程度。 图3 4 是典型的负反馈放大器电路图，这种匹配负反馈电路能适用至大约 1 0 g h z 。电路中的每一个参数都发挥着各自不同的作用。r 。是负反馈的关键参数， 它的大小决定了基本的增益和带宽。三。的作用则是使电路保持平坦的增益，则电 路在高频时减少负反馈。三。则用来补偿f e t 的c d 。，c 。则是中断从漏级到栅极的 直流电流。 i n p u l - 3 - 4 匹配f e t 负反馈放大器 3 2 2 平衡式放大器【9 】【1 0 】 o l 盯p u - r 3 - 5 平衡式放大器 低噪声放大器设计通常是低噪声系数与良好的输入匹配之间的矛盾。平衡式 电子科技大学硕士学位论文 放大器则通过个良好的匹配负载削弱了反射信号很好的解决了这个问题。同样， 我们可以通过故意制造不匹配去避免不稳定，平衡式放大器就是利用该原理削弱 不需要的反射信号。上图就是一个典型的平衡式放大器的电路图。信号通过一段 9 0 。的电桥产生两路正交的信号分别从两个相同放大器输入，那么输出端的反射信 号则有9 0 。的相位差，反射到输入端以后则产生i 8 0 0 的相差，使不需要的信号得 到很好的抵消，如图3 - 5 所示。 平衡式放大器有很好的输入输出匹配，而且它出色的稳定性、平坦增益和低 噪声系数的得到很好的应用。 3 2 3 分布式放大器 9 】 1 0 】 h 1 分布式放大器由于其出色的带宽和良好的输入输出匹配而受到设计者的青 睐。分布式放大器是把若干节f e t 并联起来，在漏级上合成输出，因此只要传输 线的栅极和漏级具有相等的特性阻抗和相等的相位速度，那么它就相当于无频率 限制的有损均匀传输线，从而让微波信号以行波的方式传播。缺点是：输入信号 在通过栅极的时候会被反射回来一部分，不能完全被负载吸收。 为了提高输出功率，可以将图3 6 a 单元叠加起来形成矩阵形分布式放大器， 但是这种方法相应的电路设计会更加复杂。 3 6 b 中的t 形网络是分布式放大器最常用的传输线结构。越。是连接在漏级