三毫米低噪声放大器及开关组件研究

论文摘要

固态毫米波放大器、开关是毫米波收发系统中的关键部件。本论文所设计的W波段低噪声放大器和开关为推动国内毫米波系统研究向更高频率的发展奠定了基础。论文中,我们首先对整个毫米波放大器及开关的研究情况作了简单介绍,并根据指标要求制定了整体方案,然后分章节对毫米波放大器及开关的设计过程进行了详细介绍。论文第二章对课题中用到的几种波导-微带过渡进行了理论分析和仿真设计,并在此基础上对设计的电路进行加工、装配及测试,完成了无源电路的设计,为后续整体电路的设计做好准备。第三章主要介绍了W波段低噪声放大器的设计过程及最终对加工完成的放大器实物的测试结果。首先以毫米波放大器的基本理论为基础,然后从放大单片的选择、电路方案的制定、指标的估算、偏置电路的设计、腔体设计等几方面对课题中的低噪声放大器进行设计。经测试,低噪声放大器的总增益在82～100GHz频率范围内均大于30dB,而在指标要求的90～98GHz频率范围内均大于33.5dB,测得90～98GHz的1dB压缩点输出功率大于12.3dBm,完全达到指标要求。但由于实验条件的限制,未能对放大器的噪声进行测试。根据放大器的增益及1dB压缩点测试结果,估计放大器的噪声小于7dB。最后针对测试过程中遇到的问题,提出了进一步改进性能的方案。紧接着,论文又介绍了用梁式引线PIN二极管设计制作W波段单刀单掷开关的过程。通过采用场仿真软件与路仿真软件相结合的方法,综合考虑了PIN二极管寄生参量的影响及鳍线电路装配中夹缝能量的泄漏问题,提高了仿真结果的准确性。最终测得开关在90～100GHz频率范围内,插入损耗小于2.2dB,隔离度大于14.5dB,驻波小于2。最后利用第三章、第四章介绍的方法设计制作了V波段开关放大滤波组件,基本达到指标要求。但组件中单刀双掷开关的插损较大,仍需进一步改进方案,优化电路结构和PIN管的焊接位置及管间距等参量,以获得更好的指标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 毫米波的特点及应用
• 1.2 本课题研究的意义现状与趋势
• 1.3 本课题的主要工作
• 第二章 波导—微带过渡
• 2.1 概述
• 2.2 波导—微带探针过渡
• 2.2.1 过渡结构设计
• 2.2.2 仿真结果
• 2.2.3 测试结果
• 2.3 波导—鳍线—微带过渡
• 2.4 波导—对极鳍线—微带过渡
• 2.4.1 理论基础
• 2.3.2 仿真结果
• 第三章 W波段低噪声放大器
• 3.1 概述
• 3.2 HEMT器件及其等效电路
• 3.3 毫米波低噪声放大器基本理论
• 3.3.1 毫米波放大器的主要技术指标
• 3.3.2 稳定性
• 3.3.3 绝对稳定和潜在不稳定条件下的低噪声放大器设计
• 3.4 低噪声放大器的设计
• 3.4.1 单片的选择及方案
• 3.4.2 低噪声放大器的参数估算
• 3.4.3 偏置电路的设计
• 3.4.4 低噪声放大器中腔体的设计
• 3.4.5 单片的安装及检测
• 3.4.6 自激的消除
• 3.4.7 接地问题
• 3.5 低噪声放大器的制作与测试
• 3.5.1 放大器一的测量
• 3.5.2 放大器二的测量
• 3.6 进一步改进方案
• 3.6.1 电源的改进
• 3.6.2 改善指标的措施
• 第四章 W波段单刀单掷开关
• 4.1 概述
• 4.2 PIN二极管开关的基本理论
• 4.2.1 PIN二极管简介
• 4.2.2 PIN二极管的主要参数
• 4.2.3 PIN二极管的等效电路
• 4.3 毫米波开关的主要技术指标
• 4.3.1 插入损耗和隔离度
• 4.3.2 开关速率
• 4.3.3 功率容量
• 4.3.4 1dB压缩点和三阶交调
• 4.4 PIN管开关的工作原理
• 4.4.1 单刀单掷开关
• 4.4.2 单刀双掷开关
• 4.5 W波段单刀单掷开关的设计
• 4.5.1 PIN管的选择
• 4.5.2 电路设计
• 4.5.3 电路的仿真及优化
• 4.6 开关的制作与测试
• 第五章 V波段开关—放大滤波组件
• 5.1 指标分析及方案确定
• 5.2 放大电路的设计与仿真
• 5.2.1 有源器件的选择
• 5.2.2 无源电路的仿真
• 5.3 放大器的制作与调试
• 5.4 开关电路的设计与仿真
• 5.5 开关电路的制作与调试
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果