毫米波引信前端收发组件

论文摘要

本文研究的毫米波收发组件是引信前端的重要组成部分。本文的工作围绕毫米波引信前端收发组件及其关键部件的研究展开。本文首先阐述了毫米波引信前端收发组件的工作原理，根据收发组件的技术指标，按照组件的设计原则提出了具体的设计方案，给出了组件的结构框图，并把组件分为几大模块来进行设计。本文研究了与组件相关的一些平面无源电路。设计了用于组件各模块电路及毫米波单片功率放大器中的微带功率分配／合成器；提出了几种新型的微带带通滤波器结构，给出了仿真和测试结果；其中一种在毫米波上实现的新型微带带通滤波器，通过加载电容而出现慢波效应，从而在不改变电路性能的情况下减小了电路的尺寸，因而使组件的结构安排更易实现。本文通过高频分析软件HFSS对引起对脊鳍线过渡谐振的几个参数进行了分析，得出了可供工程应用参考的设计曲线。此外，采用准静态模型计算了微带到微带互连双线结构的高频特性，其结果对毫米波微带集成电路的设计具有重要价值。本文还介绍了MMIC设计中常用的电容、电感和电阻等多种无源元件，给出了它们的等效电路模型和设计方法。通过运用PHEMT有源器件模型，设计、仿真、优化并通过国内自有的GaAs工艺线制做了Ka频段GaAs PHEMT单片功率放大器。讨论了输出功率较小的乙类倍频器，简述了微波场效应晶体管倍频器的理论，对倍频源相位噪声的影响作出了分析，获得了组件所需的毫米波倍频源。在介绍了微波集成混频器通常采用的肖特基势垒二极管的结构及等效电路的基础上，介绍了混频器的混频原理、主要技术指标及基本电路形式。毫米波0-π移相器是组件的关键部件之一，其性能的好坏将直接影响到组件的指标。本文研究了毫米波0-π移相器的移相误差、寄生调幅和开关时间对载波抑制度的影响，得出了有用的结论来指导毫米波0-π移相器的设计，最后的测试结果显示了理论分析的正确性。最后在前面单个部件分析设计的基础上，设计制作并测试了毫米波引信前端收发组件，测试结果显示本文所研制的收发组件完全满足项目技术指标要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线电引信
• 1.2 毫米波系统发展
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 毫米波收发组件发展
• 1.3 毫米波系统集成技术及其新发展
• 1.3.1 T/R模块集成技术
• 1.3.2 单片集成电路（MMIC）
• 1.3.2.1 GaAs MESFET
• 1.3.2.2 HJFET
• 1.3.2.3 HEMT
• 1.3.2.4 HBT
• 1.3.3 集成电路的新进展——3DMIC和MCM
• 1.3.3.1 三维微波集成电路（3DMIC）
• 1.3.3.2 多芯片模块（MCM）
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 毫米波引信前端收发组件方案
• 2.1 毫米波引信前端收发组件技术指标
• 2.2 毫米波引信前端收发组件工作原理
• 2.3 毫米波引信前端收发组件设计方案
• 2.3.1 毫米波引信前端收发组件设计原则
• 2.3.2 毫米波引信前端收发组件结构
• 2.3.3 毫米波引信前端收发组件模块设计
• 2.4 毫米波引信前端收发组件设计中的电磁兼容（EMC）问题
• 2.4.1 地线设计
• 2.4.2 屏蔽设计
• 2.4.3 滤波设计
• 2.4.4 电路设计
• 2.5 小结
• 第三章 平面无源电路
• 3.1 功率分配/合成器
• 3.1.1 功率分配/合成器基本理论
• 3.1.2 功率分配/合成器设计
• 0/4功分器设计'>3.1.2.1 f₀/4功分器设计
• 0功率分配/合成器设计'>3.1.2.2 f₀功率分配/合成器设计
• 3.2 滤波器
• 3.2.1 微带带通滤波器设计
• 3.2.1.1 平行耦合微带线带通滤波器设计
• 3.2.1.2 新型多路耦合型微带带通滤波器设计
• 3.2.1.3 新型加载电容型毫米波微带带通滤波器设计
• 3.2.2 集总参数低通滤波器设计
• 3.3 微带到波导过渡
• 3.4 微带到微带互连线
• 3.5 GaAs MMIC无源元件
• 3.5.1 电容
• 3.5.1.1 交指型电容
• 3.5.1.2 MIM电容
• 3.5.2 电感
• 3.5.2.1 高阻抗线
• 3.5.2.2 拱形电感
• 3.5.2.3 螺旋电感
• 3.5.3 电阻
• 3.6 小结
• 第四章 毫米波放大器
• 4.1 放大器特性的表征方法
• 4.1.1 功率增益
• 4.1.2 噪声特性
• 4.1.2.1 噪声系数
• 4.1.2.2 最佳噪声匹配
• 4.1.3 稳定性
• 4.1.4 动态范围
• 4.1.4.1 1dB增益压缩动态范围
• 4.1.4.2 无失真动态范围
• 4.2 毫米波功率放大器设计方法
• 4.2.1 以输入和输出阻抗为基础的设计
• 4.2.2 以S参数为基础的设计
• 4.3 毫米波单片功率放大器的设计
• 4.3.1 有源器件及无源器件模型
• 4.3.1.1 有源器件建模方法
• 4.3.1.2 高电子迁移率晶体管（HEMT）
• 4.3.1.3 PHEMT模型
• 4.3.1.4 无源元件的模型
• 4.3.2 毫米波单片功率放大器电路设计与仿真
• 4.3.2.1 电路拓扑的选择
• 4.3.2.2 电路的优化设计和仿真
• 4.3.3 毫米波单片功率放大器电路的电磁场仿真与版图设计
• 4.3.3.1 电路的电磁场仿真
• 4.3.3.2 版图调整规则
• 4.3.3.3 版图设计过程
• 4.3.4 毫米波单片功率放大器第一次流片和测试结果
• 4.3.4.1 毫米波单片功率放大器的制备
• 4.3.4.2 毫米波单片功率放大器第一次流片测试结果
• 4.3.4.3 毫米波单片功率放大器第一次流片结果分析
• 4.3.5 毫米波单片功率放大器第二次流片和测试结果
• 4.3.5.1 电路设计的改进
• 4.3.5.2 改进后电路的拓扑结构
• 4.3.5.3 改进后电路的电磁场仿真结果
• 4.3.5.4 毫米波单片功率放大器第二次流片
• 4.3.5.5 毫米波单片功率放大器第二次流片测试结果
• 4.3.5.6 毫米波单片功率放大器第二次流片结果分析
• 4.4 小结
• 第五章 毫米波倍频源
• 5.1 倍频器理论分析
• 5.2 倍频器相位噪声
• 5.3 毫米波倍频源
• 5.4 小结
• 第六章 混频器
• 6.1 肖特基势垒二极管
• 6.1.1 肖特基势垒二极管结构
• 6.1.2 肖特基势垒二极管等效电路
• 6.2 混频器的混频原理
• 6.3 混频器主要技术指标
• 6.3.1 变频损耗
• 6.3.2 噪声系数
• 6.3.3 动态范围
• 6.3.4 隔离度
• 6.4 混频器的电路形式
• 6.4.1 单端混频器
• 6.4.2 单平衡混频器
• 6.4.3 双平衡混频器
• 6.5 组件中的混频器
• 6.6 小结
• 第七章 毫米波控制电路
• 7.1 PIN-二极管
• 7.1.1 PIN-二极管结构
• 7.1.2 PIN-二极管等效电路
• 7.1.2.1 正向偏置时的等效电路
• 7.1.2.2 反向偏置时的等效电路
• 7.2 PIN二极管开关
• 7.2.1 PIN二极管开关基本电路和性能
• 7.2.2 组件中的开关
• 7.3 毫米波0-π移相器
• 7.3.1 移相器主要技术指标
• 7.3.1.1 工作频带
• 7.3.1.2 相移量
• 7.3.1.3 相移精度
• 7.3.1.4 移相器开关时间
• 7.3.1.5 寄生调幅
• 7.3.2 移相器工作原理
• 7.3.2.1 开关线移相器
• 7.3.2.2 加载线移相器
• 7.3.2.3 反射式移相器
• 7.3.2.4 平衡式移相器
• 7.3.3 0-π移相器参数对载波抑制度的影响
• 7.3.3.1 移相误差与寄生调幅对载波抑制度的影响
• 7.3.3.2 移相器开关时间对载波抑制度的影响
• 7.3.3.3 仿真结果对比
• 7.3.4 0-π移相器设计
• 7.4 小结
• 第八章 毫米波引信前端收发组件
• 8.1 毫米波引信前端收发组件模块电路设计
• 8.1.1 源模块电路
• 8.1.2 接收机模块电路
• 8.1.3 发射机模块电路
• 8.1.4 组件腔体设计
• 8.1.5 电源电路
• 8.2 毫米波引信前端收发组件装配
• 8.3 毫米波引信前端收发组件测试
• 8.3.1 毫米波引信前端收发组件测试框图
• 8.3.2 毫米波引信前端收发组件测试结果
• 8.4 小结
• 第九章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果