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相控阵雷达——毫米波TR组件研究.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《相控阵雷达——毫米波TR组件研究pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含电子科技大学硕士学位论文相控阵雷达毫米波TR组件研究姓名:李桂萍申请学位级别:硕士专业:电磁场与微波技术指导教师:徐军电子科技大学硕士论文摘要本课题符等。

电子科技大学硕士学位论文相控阵雷达毫米波TR组件研究姓名:李桂萍申请学位级别:硕士专业:电磁场与微波技术指导教师:徐军电子科技大学硕士论文摘要本课题来源于电子科技大学电子工程学院本课题要求研制Ka频段收发组件样机具体要求为:工作频率为.GHz组件内要求包括位移相器在接收支路中要求接收机的增益不小于dB开关衰减可以在~dB可调:同时要求发射支路的发射功率增益不低于dB输出功率要高于.Ⅳ信号的要求从H面输入输出。通过综合比较结合自身条件选取了毫米波混合集成电路形式。由于Ka频段频率较高研制该频段的移相器十分困难。为了节约时间我们同时还单独设计制作了一个四位的移相器便于对组件的调试为今后的工作积累经验。第一章是本文的绪论部分首先简单介绍了毫米波的特点其次对毫米波雷达和相控阵雷达的基本理论作了介绍对混频器的分类作了一个概述:接着对毫米波收发组件的国内外发展动态作了总结并给出了目前国际上的先进水平最后简要说明了本课题研究的目的和主要工作。本章工作为整个课题的全面开展打下了基础。第二章首先简单介绍了微带传输线的特性随后介绍了微带一波导过渡和低通滤波器的基本理论并实际设计了微带一脊波导一标准波导的过渡和低通滤波器。第三章讨论了毫米波控制电路。本章有四部分内容第一部分介绍了PIN二极管的特性接下来的两部分分别介绍了毫米波开关和毫米波衰减器的基本理论每四部分较详细的介绍了毫米波移相器的分类并具体分析了各种类型移相器的优缺点同时还设计了一个五位移相器给出了测试结果并对结果进行了分析。第四章是有关毫米波放大器基础理论的一章。分别讨论了HEMT管的大、小信号的建模以及低噪声放大器和功率放大器设计方法。第五章对毫米波T/R组件的性能进行了测试并根据在测试中发现的现象进行分析给出了一些改进的措施特别是对毫米波移相器的研究得出了设计中需要注意的问题可为以后的设计制作提供重要的经验。关键词:Ka频段收发组件移相器增益输出功率电子科技大学硕士论文AbstractTheproiectiSfromtheschoolofelectronicandtechnologyofUESTC.Theobjectiveoftheproiectistodevelopaka.bandtransmit/receive(T/R)modules.ThefrequencyofthemodulesincludingabitsphaseshifteriSGHzMHz.Thereceiver’Sgainisn’tlowerthandBand~dBattenuatoriSrequested.TheGainandoutputpowerofthetransmitteriShigherthalldBandmWThroughsynthesizedcomparisonandthepossessiveconditionthestructureofmillimeterhybridintegratedcircuitiSchosenasthetarget.AsthefrequencyofKabandiSveryhigh.theresearchofphaseshifterisverydimcultWOrkedinthisband.The血esisdesignsandfabricatesaT/Rmodulesanda一bitphaseshifteratthesametime.basedoftheresultofthe.bitphaseshifter,wetestthemodules.ChapteriSasurveyoftIlewholedissertation.First.dissertthecharacteristicofmillimeterwavesimplysecondoverviewthemillimeterradarandphasedarrayradarbasictheorythirdsummarydevelopmentofT/Rmodulesandphaseshifterondomesticandabroadandgivetheinternationaladvancedlevellater,brieflyintroducethepurposeandthemainWOrkofthisthesis.InchapterFirstgivesthecharacteristicofmicrostrip.seconddiscusseswaveguidetomicrostriptransitionandlowpassfilter.Atlastgiveadesignofridgedwavetransitionandalowpassfilter.Chapterdiscussesmillimetercontrcircuit.Itincludesfourpartcontents.ThefirstpartintroducetheperforlnanceofPNdiode.ThenexttwopartinvoducethebasictheoryofmillimeterswitchandaRenuator.Thelastpartcontentgivetheclassificationofthephaseshiflerindetailedthemeritsandshortcomingsofeverytype.Atthesanletimeweconcretelyanalysethedesignproceedingofphaseshifterandmeasuretheperformanceofit.Chapterdiscussesthemillimeteramplifier.FirstestablishtheequivalentmodelofHEMTiDsmallsignalandlarge.signalconditionsecond.introducethedesignmethodsofthelownoiseamplifierandpoweramplifierrespectively.ChapterteststhefunctionofmillimeterTRmodulesand西yessomeimprovingmeasuresbasedondiscoveringphenomenaduringthetesting.Bystudyingthephaseshifter,wefindsomeproblemsnoticedinthenextdesign.Allofthosecarlprovideimportantexperienceforlaterresearchonit.Keywords:KabandT/Rmoudlesphaseshifter,Gainoutputpower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。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:签越薄导师签名:硷军日期:口伞年多月/日电子科技大学硕士论文.毫米波及其特点第一章绪论毫米波是波长介于l~lOmm的电磁波谱对应频率范围~GHz。从频率来看毫米波低端与微波衔接高端与红外、光波相连所以毫米波逐渐发展成为f集微波、光学两门学科知识的综合性分支学科。其特点是波束窄、保密和抗干扰能力强、容量大、容易实现图像、数字兼容数模兼容。毫米波已广泛应用于通信、雷达、制导、遥感、频谱学及生物效应等多种领域。毫米波的发展由其本身的固有特点所确定。短波长宽频带以及与大气的相应作用是促进毫米波发展的三个基本因素。在毫米波频段电磁能量在大气中传播时与大气中气体、悬浮微粒以及含水物质的相互作用要比微波能量与它们的相互作用强的多这些相互作用通过三种机理即吸收、散射和折射产生。毫米波的大气传输特性决定了各频率的用途。毫米波频段有四个低损耗大气“窗口”它们的中心频率在和GHz附近其对应波长分别为...和lram一般地面与卫星通信系统大都工作于这些“窗口”频率其可用带宽分别为和GHz任何一个毫米波“窗口”的可用带宽几乎都可以把包括微波频段在内的所有低频频段容纳在内。这些带宽特性在雷达中可用窄脉冲和宽带调频技术获得目标的细部特征。在通信系统中能传送更多的信息大大拓宽已十分拥挤的通信频谱为更多用户提供互不干扰的通道。宽带特性也能为各种系统提供高质量的电磁兼容特性。同样对应的中心频率为和GHz这些大气高衰减区频段成为保密通信的首选工作频率。.毫米波雷达及相控阵雷达特性工作在毫米波频段低端的毫米波雷达的许多工作特性与微波雷达(例如X频段或Ku频段雷达)是一样的只是由于其波长更短所以工作特性更极端一些。例如对于给定的天线孔径毫米波雷达天线波束比较窄仅仅是X频段或Ku频段雷达的//。毫米波雷达的窄波束特性具有某些重大的工作优点:()小天线孔径可有较高天线增益()高的跟踪精度和(或)制导精电子科技大学硕士论文度()不易受电子干扰()低仰角工作时多径效应和地杂波干扰小()多目标鉴别(甚至辨识)性能好()雷达图形分辨力好。下列毫米波雷达另外一些独特的工作特性使它在可能的军用和民用方面都很有吸引力:().在结构小、重量轻的实际天线下获得窄波束().大的带宽和多普勒频移可用于:扩谱抗电子干扰、雷达目标特征处理、高距离分辨力、增强抗电子干扰能力、动目标检测等方面().大气衰减“谐振点”频率可保密传输供隐蔽使用().毫米波的海面回波低具有目标~杂波比高的优点可用于检测海杂波环境中的目标:与红外、和可见光相比毫米波的传输受干燥污染物(灰尘、烟等)和其他一些大气效应(如雾、干雪等)的影响小。象任何工程设计一样与毫米波雷达好的工作特性联系在一起的也有一些缺点或需要协调折衷的一些方面:().目前毫米波部件的价格高可靠性和可用性较低().穿透树叶的能力有限树叶的反射率较高(不过这在有些应用中又是个优点)().由于设备的限制和大气中水蒸汽及氧分子的吸收作用所以即使在晴天其作用距离也比较近().在恶劣气象条件下由于大雾和雨的大气散射作用其作用距离更近。鉴于上述这些考虑毫米波雷达主要的潜在应用在于要求结构小、重量轻、分辨力高、作用距离近和具有良好的多普勒处理特性等的探测器但其分辨力较高结构较小与红外和可见光相比毫米波雷达虽没有它们那样高的分辨力但通过烟、灰尘和雾等的传播特性较好。毫米波雷达具有微波和光一电这两种系统的特性它以这种方式来减小微波和光一电系统的缺点融合二者的优点。毫米波雷达的种类很多相控阵雷达是其中很重要的一种。所谓“相控阵”是指天线上成千上万个辐射元有规律地排列每个辐射元的相位受到有规律的控制。移相器就是用来控制每个辐射元相位的器件。相控阵雷达可以通过改变阵列的相位来实现雷达波束快速的扫描。.一电子科技大学硕士论文相控阵雷达体制由于其具有天线波束的灵活性和自适应性的优点而越来越受到研究人员的重视。这些优点也给相控阵雷达带来了许多新的功能例如相控阵雷达具有边扫描边跟踪能力可以利用时间分割技术实时跟踪多个目标。相控技术是同时满足高性能、高生存能力雷达所必需的也是降低现代高性能雷达研制和生产成本的重要途径。T/R组件是相控阵雷达的重要部分近年来由于在毫米波固态器件和MMIC技术上都取得了很大的进步因此相控阵雷达也从原来的微波波段向毫米波波段制作毫米波相对于微波的最大的优点就是其体积小和重量轻而这一点对于机载的相控阵雷达是极为重要的。正是由于相控阵雷达具有上述的优点所以近年来对毫米波相控阵雷达的研究也成为广大科研工作者的重要课题之一。.毫米波收发(T/R)组件的国内外发展动态现在对雷达的要求越来越高。要求雷达探测和跟踪越来越多的目标即对目标的雷达截面分辨能力要求越来越高加上电磁干扰、辐射等环境因素愈加复杂因此对电子系统特别是组件的要求也日益增多。总的来说是宽频带、抗干扰、抗辐射、准确快速的跟踪、搜索、处理以及雷达的自我保护能力等。虽然对雷达的技术指标提出了更高的要求但是由于现在新技术和新材料的出现以及高水平的加工技术使的实现这个目标不是不可能的了。毫米波收发组件是毫米波相控阵雷达的重要组成部分它的性能好坏直接影响着整个雷达的性能。从收集的资料来看近年来国内对毫米波器件的研究取得了一定的进展比如毫米波的低噪声放大器、倍频器、混频器等。这些单器件的研究为毫米波T/R组件的研究奠定了基础。年邹涌泉等人制作的Ka波段混合集成前端在.~GHz的带宽内发射机输出功率mW接收机噪声系数.OdB接收机总增益船。.关于移相器的发展状况戴永胜等在年全国微波毫米波会议中写了题为“几种新颖的超小型卜GHz高性能.GaAsMMIC移相器”的文章其技术指标为:在卜GHz频率下相移误差输入、输出驻波.(卜G.阮)(G胁)低插损起伏..dB(卜GHz)..dB(GHz)“。但是与西方发达国家相比我们还存在很大的差距。西方发达国家如美国毫米波单片集成电路(MMIC)技术已经很成熟了例如Ka波段收发组件所需要器件除了移相器没有产品外其他的如放大器、开关等都有单片。因此他们现在所做的接收机大多数是MMIC。混合集成形式的有年D.L.RASCOE等人制作频率为GHz的混合集成发射电子科技大学硕士论文机只给出了每个单元电路(如:移相器、功放等)的测试指标其输出功率为dBm小信号增益为.dB。年DAVIDAWILLEMS报导了一种Cband的T/R组件其中包括一个位移相器可变增益放大器T/R缓冲放大器、可变增益缓冲放大器和前驱动级、驱动级和一个矿的功放。移相器的插损为ldB相移误差小于驻波比为.:可变增益放大器的增益为ldB.dB噪声系数:T/R缓冲放大器有..招增益和.dB的噪声系数可变增益缓冲放大器有..dB增益和.dB噪声系数前驱有dB增益和.功率输出驱动级提供.矽功率输出和dB增益“。由于收发组件的技术指标涉及军事秘密因此我们查到的资料十分有限。至于组件中的移相器的资料很多归纳起来主要有MMIC(多为三极管)和MEMS两种形式。年KenichiMaruhashi等制作的位数字式移相器在到G舷的宽频带内得到了均方根移相误差小于。插损变化小于.dBrms(均方根值)在所有的种不同移相状态中获得了..dB的插入损耗驻波小于.”。年AndrewJ.Sbodnik等同样做了一个位MMIC移相器其工作频率是GHz均方根相移误差为.。插损为..d”。这两种都是MMIC形式的。年B.Pillans等采用MEMS技术制做了Ka波段(G^k)的四位移相器其平均损耗是.dB相移误差小于。获得了拈的回波损耗”。根据国外的发展过程和国内十余年的实际研制情况毫米波机载弹载传感器采用集成技术制作鉴于我国目前GaAs技术与国际水平有不小差距电路制作和工艺也有待完善短期内要实现毫米波收发组件的单片集成还不现实。为此通过混合一单片集成技术相控阵雷达收发组件是一种现实可行的方案。.课题研究的目的、意义及主要工作本课题是应电子科技大学电子工程学院的要求而做的毫米波收发组件部分由我们制作而信号处理部分由他们完成。本课题所做的主要工作就是在ram的腔体内设计制作一毫米波收发组件使其达到如下技术指标:工作频率:.GHz:位移相器:接收支路:接收机增益:dB.d.电子科技大学硕士论文开关衰减:~dB可调发射支路:功率增益GdB输出功率P。.渺:功率平坦度.dB电子科技大学硕士论文第二章微带一波导过渡及滤波器.微带传输线微带传输线又称微带线它是微波、毫米波集成电路中应用最为广泛的传输线之一。它具有便于平面集成与半导体器件兼容性好等优点。用它可以构成各种微波、毫米波无源电路以及有源电路的无源部分。其电路体积小可以多电路集成从而使得微波、毫米波设备小型化和集成化成为可能并可大大提高整机性能。微带线的结构分为标准开式微带线、屏蔽微带线以及倒置微带线和悬置微带线四类。当工作频率较低时微带线传输的最低次模近似为TEM模故称为准TEM模可用TEM模理论近似处理。但随着工作频率的升高高次模的影响越来越大此时必须采用全波分析法才能保证较高的精度。此类方法设定微带线中传输的是TE和TM的混合模它从麦克斯韦方程出法导出赫姆霍茨方程再利用给定的边界条件求解此方程计算微带线的色散特性。此类方法包括模匹配法奇异积分方程法、谱域法以及各种数值方法。虽然全波分析法的精度较高但它只能得到数值结果而不能提供工程设计所需要的简便、实用的显式闭合公式。下面本文对色散情况下的微带线进行分析、综合并提供工程适用的经验公式”。微带线的主要技术参数是特性阻抗和有效介电常数。当f=时的有效相对介电常数占。(o)的表达式可以写成:气(o)=丁erl丁r等r(.)式中:口:l土.拦h里H)I..电子科技大学硕士论文:o.f!:!二等.Ls/Cr<.哆缶玉时£。(o)的计算精度优于.%。对于色散的影响一般采用频率与有效相对介电常数关系描述其中%()旷需EB【(o.只只)乃(.)=...%。.。乃):。(詈一。.。ssssexp(s.s%)B=.一exp(~s)B=o.expf%)t。坤『一(%广}L川纠nst卜一(‰。砌力的量纲为GHzcm该式可用至GHz在.桷O^。O.范围内计算精度优于.%。Kobayashi提出过一种新的色散公式对于.Ⅵ砌£任意h/^。其表达式为:其中‰()。一耢厶=。.“l。.JJlmw.一(..)电子科技大学硕士论文m=%%(<.)叫赢埘z崩f兹{..exp(o。s刎%o.%o.据介缁上述公式的计算误差可以在.%以内。通过模拟可知相对有效介电常数%()随着频率的升高而升高它的范围在£。()和F之间。这与理论分析结果相当一致。另外经过验证式(.卜)与式(.卜)的计算结果比较吻合都可用于工程设计。微带线的特性阻抗可以表达为:Zo(i)鼻‘‰(.)其中Zo(O)堋巾%鼢F=(石)P。A=(./D。相对于其它近似算法来讲上式精度较高对于w/h<、其误差低于O.%:对于w/h<一误差低于O.%(与公认的全波分析比较)。.微带一波导过渡在毫米波技术中传输线结构的种类繁多。微带线正在越来越多的场合取代金属空波导成为制作毫米波混合集成电路的重要传输线。由于毫米波实验..电子科技大学硕士论文设备的输入、输出端口均为波导形式为了便于测试、传输以及与微带电路之间的连接就要求有性能良好的波导一微带过渡器。这种过渡器应满足以下要求:()低的传输损耗和高的反射损耗()宽频带()设计和制作简单。波导一微带过渡器有多种结构形式。到目前为止波导到微带线转换的方法主要有:通过过渡鳍线转换。利用脊波导转换“。和用探针转换。”””等。由于我们加工水平的限制目前我们制作的这三种过渡的技术指标基本上一样。因此选用哪种过渡形式的原则是看用户要求的腔体结构RF信号从波导的哪个面输出。另外相对而言在取得相同技术指标的情况下探针过渡的尺寸较小而且从我们目前所做的各种过渡水平而言探针过渡比脊波导过渡的带宽宽。根据用户的要求我们采用的是脊波导过渡。波导一脊波导一微带过渡器是利用阶梯脊波导完成从波导波阻抗到微带线特性阻抗的变换。相对于标准波导脊波导具有频带宽、阻抗可变、波导内电场分布较为集中等优点这些特点决定了脊波导能很好地完成从标准波导到微带过渡所需的场匹配和阻抗匹配。脊波导结构如图所示其特性阻抗的近似计算可以采用:Zo=Z式中Z曲为f=oo或旯=时的特性阻抗。}P一‘、r一一(.)图单脊波导脊波导的截止波长丑可由横向谐振法或变分法求得亦可采用以下公式来计算:t()}oz舾赤ncsc塞(..形)南}%....电子科技大学硕士论文而z。的表达式为乙=:咿(筑%)sin罢(%)ncsc(笔喀垦等汁c。s(筹(.)脊波导过渡器始端为标准矩形波导末端与厚度为h阻抗为Q的微带基片相接。知道了脊波导的截止波长和特性阻抗就可完成波导一微带阻抗变换的设计在设计过程中还应考虑对脊波导阶梯不连续性电容进行补偿。脊波导末端与微带的接触对整个过渡器的性能影响较大根据经验采用脊端延伸劈形尖的方法来处理脊波导与微带的连接较好其结构如图所示。。’。!|:jI移jo|j.图脊波导与微带接触点结构这种过渡器的优点在于对微带没有特殊的要求基片尺寸小整个过渡没有电路谐振问题适宜于宽带电路使用。当然它也存在一定的缺点脊波导阶梯不连续性电容难以精确计算通常需要通过经验加以修正脊波导的波长较长过渡段尺寸较大机械加工精度要求高。我们利用HPHFSS软件对脊波导过渡进行了优化仿真该软件采用有限元法解决电磁问题并求出S参数。有限元法一般是把几何模型自动划分为许多四面体四面体由四个正三角形组成这些四面体组成了有限元网格。四面体中点的矢量场是在顶点之间插入以三维亥姆霍兹方程有限元分析为例“设亥姆霍兹方程为Vk=g(..)对于四面体元元内函数可表示为中P=口Ihcytdz(.)表达式同样适用于函数g。四面体元的四个结点上有中“=口t缸cydzf=,因此有四个联立方程从中求得系数abCd。方程组的行列式为.一电子科技大学硕士论文det=MzlYzYzyz(..)上式中det为行列式的值V是四面体体积。求出GIbCd。可以写出中。=Za。(xy)。上式中铲上}‘矿llXY茁y砖yXY(..)a:aa。有类似的表达式。HPHFSS保存了顶点的三个平行于邻边的分量还保存了平行于面而垂直于边的边中点的场四面体内部的场就是从这些节点中插入而得。用这种方法麦克斯维方程转换成矩阵方程可以用传统数值方法解决。在网格大小(决定了计算精度)和现有的计算能力之间必须采取折衷的办法一方面方案的精度由每个元素(四面体)决定同一个对象网格越多就越精确因为四面体越小节点之间插入的场误差越小:另一方面计算大量的网格需要占用大量的CPU时间和内存所以在保证精度的条件下应简化网格。优化网格时HPHFSS采用了迭代的方法在关键的区域能自动细化网格。首先生成一个粗糙的初始网格方案然后根据可容许的误差标准细化网格产生一个新的方案当S参数收敛到预定值迭代过程就结束了。我们对直线型脊波导过渡模型进行了优化设计。其优化的收敛精度为l厶l<O.频率范围为~GHz线性点为个对主模仿真其他的条件都采用的是系统的默人值。直线型脊波导的波导是ram标准尺寸(..mm)微带基片采用duroid其电参数为:.h=O.Q微带线的宽度w=O.ram。仿真结果如图所示。珀耽如期}皇型垫奎堂堡主堡奎SPm村eMagnJlude胁dB瞪:.:.、、、、.\~、~Frcqucncy!GHz图脊波导过渡的防真结果从结果分析可知回波损耗差的地方插入损耗也较大。因此改善结构前端的匹配对过渡的结果很重要特别是在频率高端如果发生严重失配回波损耗迅速增大插入损耗相应增大。实际操作中测试的都是两个微带一脊波导一波导过渡的结果减去两个过渡间微带的损耗经过调试测得过渡在中心频率为GHz的GHz的带宽内插入损耗小于.dB也就是说一个过渡的损耗小于.dB。仿真结果与测试结果并不完全一致这主要是由于脊波导的尖劈部分的加工和装配误差所引起的。它不但会影响过渡的插入损耗而且还有可能会引起中心频率的漂移。装配过程中特别要注意尖劈与微带面的接触问题如果接触太紧使微带变形的话就会严重影响过渡的性能。.微带低通滤波器滤波器是毫米波系统中提取所需频率的一种功能部件。一个理想的滤波电路是一个能在规定频带(称为通带)内提供理想传输而在不需要的频带(阻带)内获得无限大衰减的网络。根据系统的不同要求滤波网络可以具有低通、高通、带通和带阻的频率响应。微带结构的低通滤波器由于采用高、低阻抗线或开、短路线来实现电感和电容元件存在微带不连续性及色散的影响致使实际结构与预定指标之间存在差异在实际电路中一般都采用级联网络来设计低通滤波器。一个由多节特性阻抗高低不同的传输线构成的级联网络进行理论设计、计算低通滤波器的传输特性以及寄生通带其中A矩阵为:彳=卉【】一一(.)电子科技大学硕士论文\cosOjzsinO上式中:【钏.当sinpc吣lLZ。J由级联网络的A矩阵就可求出该低通滤波器的传输特性即插入损耗特性。其插入损耗的表达式为:L:lg丝皇£望(.、本文设计低通滤波器的目的是为了实现毫米波移相器的直流偏置电路。虽然对滤波器本身性能而言电容输入型和电感输入型没什么区别但是为TOg低通滤波器对移相器的影响我们设计的低通滤波器是电感输入型。我们使用HPHFSS.软件对高低阻抗线电路进行优化设计。图和图分别是低通滤波器的实际电路拓扑和计算机模拟特性图。从模拟结果来看完全可以用它来作为移相器的偏置电路。.O.图低通滤波器的尺寸图(上为宽度下为长度单位是MⅢ)图低通滤波器仿真特性电子科技大学硕士论文第三章毫米波控制电路毫米波控制电路种类很多主要用途有:()毫米波信号传输路径通断或转换一毫米波开关脉冲调制器等()控制毫米波信号的大小一电控衰减器限幅器幅度调制器等。()控制毫米波信号的相位一数字移相器调相器等。控制电路广泛用于微波毫米波测量、微波中继、雷达、卫星通信等系统中。常用的有源器件包括PIN二极管、三极管、变容管和肖特基势垒管。PIN管是最主要的器件它开路和短路特性好、控制速度快、损耗小、可控功率容量大因此在微波高频段和高功率电路中经常采用PIN管。三极管适合于单片集成电路。.PlN二极管PIN二极管的结构包括一个重掺杂的P型区和一个重掺杂的n型区它们被一薄层高电阻材料(近于本征材料)隔开。在理想二极管的情况下当加上反向偏置时二极管呈现很高的阻抗。这种状态下封装PIN二极管的简化等效电路如图(a)所示。当加上正向偏置时有载流子注入本征层。载流子的扩散降低了本征层的电阻率并随着正向偏压进一步下降。正偏下的简化等效电路如图一l(b)所示。这时二极管的阻抗非常低于是PIN二极管的作用像一个开关器件反偏情况下使电路断开正偏情况下使电路接通。PIN管的直流伏安特性和PN二极管是一样的但是在微波频率的特性却有很大差别。由于I层总电荷主要是由直流偏置电流产生而不是由微波电流瞬时值产生的所以对微波信号只呈现为一个线性电阻此阻值由直流偏置决定正偏压时阻值小接近短路负偏压时阻值大接近开路。因此对微波信号不产生非线性整流作用这点是PIN和一般二极管的根本区别。即使在正偏流时外信号幅度已进入负电压区由于微波信号使I层电荷移CO(a)Cp(b)出量只占原积累电图IPIN二极管的等触电路(a)反偏状杰(b)诈偏状杰荷一小部分所以仍有电流而没有整流现象:反偏置时即使微波幅度大到.电子科技大学硕士论文进入正向区但由于短暂时间内正向注入到I层载流子不多载流子在I层渡越尚未来得及构成复合电流时微波电压己变为反向并吸出电荷因此也不能产生正向电流。制造毫米波PIN二极管开关使用了多种技术。开关的特性可用插入损耗和隔离度这两个重要的参数来表示。肼Ⅳ二极管的反偏状态下的导纳耳和正偏状态下的阻抗互可以表示为雨(fife)』胄。一()】和zf=RrjcoL,舯丘壶舡贻龇粹以及顾<<uG<<(u£)。.毫米波开关(.一)(.卜)工五了芝亏为反偏串联谐振频率毫米波开关是一种重要的毫米波控制电路广泛用于毫米波通信、测量、雷达等系统中。PIN管是最主要的器件它开路和短路特性好、控制速度快、损耗小、可控功率容量大因此在微波毫米波频段和高功率电路中经常采用PIN管。GaAsFET适合于单片集成电路可以用多支GadsFET构成复杂的多功能电路。毫米波开关按其功能分为两类:一是通断开关如SPST。二是转换开关如SPDT和SPMT。这里只讨论PIN二极管SPST和SPDT。...PIN管SPST基本电路和性能按PIN管的联接方式可分为并联型和串联型两种开关电路。PIN管在电路中的作用可用A矩阵来描述>|一zZ图PIN管构成开关的两种电路形式.一户土《电子科技大学硕士论文悱:m并联时阻=去oc岔z其中三。=z。/z。巧=y。/Yo分别为二极管的归一化阻抗和归一化导纳。对应的散射参量为:串联时S】=二一=三一(.)‘‘盘dIcdZ.并联时S.=二一:三一(.)“ddbcddy几设微波输入信号的信源资用功率是Pd输出功率是PL则开关的衰减是£:墨P。l阮『(.)上式既表示正向插损也表示隔离度只是在开关的“通”、“断”两种状态时zD、b的值不同而已。为改善单管开关性能可用多管单路开关。例如两只并联二极管组成的并联开关可增加隔离度两只串联二极管组成开关可加大开关的功率容量如图所示。脚嘲一ZoZo(a)串联方式(b)并联方式图两只PIN管组成的开关屯路两管串联组成的串联开关可视为两个级联的PIN管串联开关其A参数归一化矩阵为:两管并联组成的并联开关可视为两个级联的PIN管并联开关其A参数归一化矩阵为:一.n帅堕%黜糍薯删llJ司姗hm一污啪刮.”埘电子科披大学硕士论文阻=薹言=去旦。Fc。osnO目j。s。i。n护。一V场。。.。一cosO/%sinOjsinO%cosO(%‘)sinOcosO%sinOJ目为二极管之间的电长度。为考察oN:巧的影响我们计算图(b)并联电阻在不同目值的影响结果表明在口=z庳时隔离度最大。...单刀双掷(SPDT)开关单刀双掷开关用来把信号来回转接到两个不同的设备上形成交替工作的两条毫米波通路。其典型应用为雷达发射机和接收机共用天线的收发转换开关。图分别为并联(a)和串联式(b)的SPDT电路。在图(a)中信号由A端输入通过微带T形分支分成左右两路在距分支点^位置上各并联只PIN管个电容是隔直电容。当DI导通时D截止利用^微带线的阻抗变换作用使毫米波信号全部传输向端口BD。导通时则传输到端口B。输入输入图SPDT开关原理图(a)并联型SPDT(b)串联型SPDT并联的电路分析可利用图。图(a)的虚线框内是PIN管参数用串联容抗%与引线电感L。串联谐振用并联感抗把电容和管壳电容抵消掉。通向导通端B的等效电路如(b)示通向隔离端的等效电路是图(c)。B通Bfa、图并联型单刀双掷开关(a)SPDT等效电路(DI正偏置D反偏置)(b)导通端的等效电路(c)断开端的等效电路对于D:由于厶已被抵消q己被耳的一部分抵消NlkNI珞A抗可认为是..输入一《A电子科技大学硕士论文爿r』/“G它将和耳的剩余部分构成并联谐振。图(b)的归一化A矩阵是:f【i生IZo档斗JRZo简化后得插入损耗公式是:引。k|slfl。(R肖Z.。万RfRr历Rj)(扣)对图(C)进行同样的运算得到隔离度公式是。z唧象瓦丽XZo志c招(.)(.)为了改善开关特性可以采用多管串一并联或并一串联的形式。电路示意图如图所示。.毫米波集成电调衰减器电压控制的可变衰减器是重要的毫米波控制器件主要用于电路系统的自动增益控制、功率电路的电平控制、放大器增益变化的温度补偿以及收、发电路的隔离保护等。毫米波电调衰减器一般要求输入驻波比小衰减量的动态范围大和剩余衰减量较小。实现电调衰减器的器件可以是PIN二极管也可以是各种三极管。..PlN二极管衰减器我们知道PIN二极管I层的正向电阻马为:..争丝妒电子科技大学硕士论文R.:旦:里:(.)’oA"r(/t。/.t。)其中D为I区的宽度A为结面积口为I层的导电率f为载流子寿命Ⅳ。、。分别为空穴和电子的迁移率。从上式可知PIN管正偏时I层电阻与正向偏流而成反比可调节而改变PIN管阻值。当而较大时尼=兄侃傀为串联电阻)随着毋减小凡的影响加大为了获得足够大的衰减变化范围和较小零偏时的衰减应选择I层较厚的PIN管。电调衰减器电路类型很多以下介绍的是几种典型电路的原理。n型电阻衰减器zl。负载图.PIN管连成的n形衰减器等效电衰减器由三个PIN二极管组成等效电路如图所示图中电阻R和月分别代表三个PIN管从从截面向右看的阻抗为乙在输入端阻抗匹配时有:/zo=l/尺/Z』(.)其中ZA=Rx丽RZo令n形电阻网络的输入电压与输出电压之比为足其化简后的结果为K=K/%=(RZo)/(R一Zo)根据足值即可求得:R.:=Zo(K)‘K一(.)耻华(.)调节PIN二极管偏流求得月和彤值即可实现此种衰减器。窄频带匹配型衰减器由两个特性相同的PIN管其问用/波长线段相连其中D串联电阻而构成连续可调匹配型衰减器如图所示。在中心频率其级联归一化A矩阵为:..鳓电子科技大学硕士论文矧=k札叶jG叩:毒.(.)式中归一化值:G=Zo/(RfZo)G=Zo肛/将A参数转换为S参数求得勒输入端匹配时S=O求得十G=/(一G)(.)图窄带匹配型衰减器原理图该式说明不论廊为何值匹配条件都能满足只要两只PIN管特性和偏置相同。由可得衰减表达式为£扭=log(I/ISl『)=log(Z/R)(.)当正向偏流Io由小到大调节时母改变衰减量由小到大随之变化a这种衰减器由于有波长线段故只能工作于窄频带。dB定向耦合器型电调衰减器利用dB定向耦合器与PIN二极管组合形成电调衰减器如图所示。两只PIN(a)(b)图dB定向耦合器型电调衰减器(a)微带电路图(b)等效电路二极管与定向耦合器第端口连接微波毫米波信号经过二极管D或D接Q负载通过高频短路接地因此第、端的反射系数与Rj,Zo有关。假定D和D电阻特性相同反射系数相等则有:r:生:旦生:墨』(.)bbRZo若端口接匹配负载则a=O。根据dB定向耦合器的特性当、端口有反射端口有输出。因此微波信号从端口输入端输出输出电平受控于DlD的阻值尺。..粤卜饥霉tw电子科技大学硕士论文由dB定向耦合器的S矩阵、(.)式及口=的关系可得bz一西玛一疆确一击/r一击r。。.。)一击即去q一击川=皿由式(.)可见端口输出信号电平受PIN二极管偏压控制实现电调衰减的功能。图的等效电路(b)中虚线框内是一个二端口网络用s表示其散射矩阵从端口输入微波毫米波信号端口输出信号插入衰减为:驴‰s南瑙蚝睁‰s引=l争(.)同理可求输入端口的反射系数S。=b/a。=O以上分析表明端口反射回来的信号在端口同相叠加而在端口反向抵消这是理想情况。实际上由于定向耦合器功分比的不平衡度和两只PIN管的特性差异使性能变坏。故要精心挑选器件和设计。以达到低的输入驻波比。衰减器的工作频带决定于定向耦合器的性能。吸收阵列型可调衰减器为了获得更大的衰减动态范围承受更大功率并展宽频带可将多只PIN管相互间隔/波长并联接在传输线上。当旋加正向偏置且忽略分布参数的情况下就构成了电阻阵列。调节各PIN的正向偏置使之构成渐变元件的阵列衰减器如图所示。(a)(b)(c)图渐变元件阵列式衰减器(a)并联PIN管阵列(b)衰减器等效电路(c)单节等效电路这种衰减器可看成多节衰减器级联每个单节衰减器可示为图(c)。这样的并联衰减器属于反射型衰减量越大时必然PIN管的阻抗历越小反射也越大驻波比越坏。若把各节的并联阻抗设计成渐变式位置处在前面的PIN管阻抗值大就可以减小反射而且由于多节衰减器的反射在输入端可能部分.电子科技大学硕士论文相互抵消最后将使多节阵列衰减器得到较低的输入驻波比。当阵列元件较多时前面的几只PIN管对微波功率已有一定衰减到达后面时功率己经减小对反射影响也就减小所以后面几只PIN的阻值可以相同。前面几只PIN的阻值情况将决定整个衰减器的驻波比。从衰减功率的分配来看前级处在功率最强处减少单只PIN管的衰减量有利于增加功率容量后级处在已衰减的功率处尽管衰减量大些但每只PIN承受功率不太大整个衰减阵列各PIN管的功率得以平衡。根据图(C)电路分析得到单节的反射系数厂和衰减量口分别是F=cosjzZ。dsinOsin(等等sinz卯铲z‰slcosOJ复【'asinsin(葛旁Zo脚刮如果在中心频率上取为目=Ⅱ/将得到反射系数。和衰减量口。如下耻一J。百Zu州筹)‰瑚地防"拶I单级鳓嗯舻涮当PIN管正向偏流由小到大调节时乃。母由大变小单节衰减量也由小到大变化。由以上公式(.)、(.)和(.一)可得:当R/ZD减小时衰减量增大驻波比增加而且带内平坦度变坏。为改善特性需采用单节小衰减状态这样只能靠增加节数来增大总衰减量。阵列中各节状态是不一样的可以把不同I层厚度的PIN管前后适当排列即可改善驻波比同时也可改善衰减的线性度。由于实际PIN管正向特性除受m影响以外还有封装分布电容尤其在工作频率较高时影响更大。可以采用串联感性电抗对分布电容进行补偿使补偿电感与分布电容构成低通滤波电路。..电子科技大学硕士论文..场效应管电调衰减器FET的源极和漏极之间等效为一个电阻R出和一个电容C名并联源一漏电阻R。。随控制栅压而改变而漏源电容c出基本上不随栅压变化。利用尺出变化的机理可构成电调衰减器适用于单片集成电路。基本电路结构如图~所示图(a)是T形接法图(b)是兀形接法图(c)和图(d)分别是T形和n形衰减器的等效电路。此种电路由于各FET紧密互靠没有^水传输线互连所以频带很宽。图FET可调衰减器基本电路(a)T形衰减器(b)rI形衰减器:(c)T形等效电路:(d)兀等效电路。衰减器的最小插入衰减取决于如最小值。R出最小值是栅压为零时的阻值增加FET的栅宽可以降低R出同时也使c出值加大这又将减小高频率时衰减量的动态范围。.毫米波移相器电压控制移相器是二端口微波网络加入控制信号(一般为直流偏置电压)使得网络的输入和输出信号之间产生相位移。移相器可分为模拟式和数字式两类前者的相移量由控制信号驱使其连续变化后者的相移量为一些离散值如。。。臻选褂璃椒器捌蚧j赫机档孙惦寸立谗枞因此移相器是相控阵雷达系统重要的部件之一为其天线的大量辐射单元提供不同相位的微波信号以实现波束的快速扫描。在实际应用中对移相器的基本要求是:()要求有一定的相移量且移相精度高:..电子科技大学硕士论文()相移变化时要求开关转换时间短驱动信号功率小()在工作频带内输入驻波比低插入衰减小且寄生调幅小()结构小型化电控性能好。..移相器的分类及移相原理分析数字式移相器的种类很多主要归为反射式和传输式两大类其中前者又包括环行器和分支电桥后者则包括开关式、加载线式等类型。为了满足移相器的基本要求在设计时应选择不同的电路以达到所要求的技术指标为此必须了解各种类型电路的性能。下面分别介绍在微波、毫米波混合集成电路中常用的三种电路结构的分析方法及其特点。加载线移相器加载线型移相器是在两个对称的加载电抗的不同状态间转换而达到移相的目的的包括串联和并联两种类型并联型由于其偏置电路简单而更常用。其基本结构如图所示。加载线型移相器可以采用ABCD矩阵来分析。假定在状态时的加载电纳为Bl则:cA言=二。Kco。sit。口jZ。o。s。i目n臼二cos一ZoBlsin口j(B.cos(toZOB)sin)由式(.)得卜一I图.加载线型移相器等效电路l|一(.)尼osincos一zoBlsinsI阮M=(cosOBNIsinO)j{jBu二lcosO(笔L)sin}ISIII=一ls:。I%=【l一丁:iii夏五否=j丽%(.)式中.电子科技大学硕士论文BⅣI=BZo=BlIY在第二个状态下开关与B连接。其传输系数文相移西输入端是反射系数帆l可用%代替Bm而得到。移相器的相移量中为(庐一西)。从文献“中可知当目=z/和B。。=一B。:

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