W波段雪崩管微带集成高次倍频器

论文摘要

毫米波倍频技术是一种获取优质毫米波信号的重要方式。渡越时间雪崩二极管微带集成高次倍频器就是利用雪崩二极管在雪崩过程中产生的强烈非线性电感特性,将微波信号单级高次倍频到毫米波信号。该微带集成结构的高次倍频器电路简单,并且倍频效率高,输出功率大,附加相位噪声低,同时避免了多级倍频链级间匹配、滤波和放大等一系列问题。该倍频器能够为毫米波电路系统应用提供优质的毫米波信号源。本文首先深入的研究了雪崩倍频二极管非线性模型,合理的对雪崩区和渡越区建立模型,并将二者有机的结合起来;其次在上述基础上,详细分析了微带集成高次倍频器的匹配、偏置、隔置、过渡电路以及器件电路的金丝焊接特性,并进行了局部电路的仿真优化和倍频器的整体电路优化,并对所设计的电路进行加工制作和实验研究,首次研制出了具有小型化、集成化、高性能指标的雪崩二极管微带集成高次倍频器。雪崩微带集成高次倍频器将6.3GHz输入信号经15次单级倍频后获得了最大输出功率为5.87mW的毫米波信号和倍频器具有约0.5%的倍频效率。实验证明了该倍频器引入的附加相位噪声极低,倍频器输出信号的最佳相位噪声分别为-90.83dBc/Hz@10kHz和-95.67dBc/Hz@100kHz;在其它高次倍频次数下,该倍频器同样获得了有效的倍频输出功率和良好的相位噪声特性;从而实现了本课题对雪崩高次倍频器的集成化、小型化的研究目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 毫米波的一般特性
• 1.2 毫米波倍频技术简介
• 1.3 毫米波高次倍频技术动态
• 1.4 课题的研究意义
• 第二章 倍频器的基本理论
• 2.1 倍频器概述
• 2.2 倍频器的分类和分析方法
• 2.3 倍频器的噪声和不稳定因素
• 第三章 雪崩二极管的工作机理
• 3.1 雪崩管的工作特性
• 3.1.1 击穿电压
• 3.1.2 雪崩二极管半导体结构
• 3.1.3 温度和空间电荷效应
• 3.1.4 注入相位延迟和渡越时间效应
• 3.1.5 小信号分析
• 3.2 功率和效率
• 3.2.1 大信号分析
• 3.2.2 功率-频率限制——电子限制
• 3.2.3 功率-频率限制——热学限制.
• 3.2.4 效率的限制
• 3.3 噪声特性
• 第四章 W 波段雪崩管微带集成高次倍频器的研究.
• 4.1 高次倍频器输入电路研究
• 4.1.1 低通滤波器的研究
• 4.1.2 偏置网络的研究
• 4.1.3 输入电路的研究
• 4.2 W 波段微带-波导鳍线过渡的研究
• 4.2.1 鳍线过渡的基本理论
• 4.2.2 W 波段微带-波导鳍线过渡的研究
• 4.3 低损耗平行耦合隔置结构研究
• 4.3.1 平行耦合隔置的分析
• 4.3.2 平行耦合隔置结构的仿真
• 4.3.3 平行耦合隔置结构的实验结果
• 4.4 高次倍频器输出电路的研究
• 4.4.1 高次倍频器输出阻抗过渡段的研究
• 4.4.2 输出电路的组合结构及仿真结果
• 4.5 W 波段键合金丝特性研究
• 4.5.1 金丝互联结构的准静态模型
• 4.5.2 金丝互联结构的HFSS 仿真
• 4.5.3 仿真结果分析
• 4.6 W 波段雪崩管微带集成高次倍频器的研制
• 4.6.1 雪崩管高次倍频状态下的非线性模型的建立
• 4.6.2 雪崩高次倍频器的整体仿真优化
• 第五章 W 波段雪崩微带集成高次倍频器的实验研究.
• 5.1 高次倍频器的实验平台和实物照片
• 5.2 高次倍频器的实验研究
• 5.2.1 高次倍频器15 次谐波频谱特性测试
• 5.2.2 高次倍频器15 次谐波最大输出功率测试
• 5.2.3 高次倍频器相位噪声及附加相位噪声测试
• 5.2.4 高次倍频器最佳效率点和最佳工作点测试
• 5.2.5 与国内外IMPATT 高次倍频源的比较
• 第六章 结论
• 6.1 本文的研究意义
• 6.2 总结和改进
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果