高性能微波毫米波振荡器研究与应用

论文摘要

振荡器是通信与雷达系统的关键部件。随着新兴无线通信与毫米波雷达的快速发展,对振荡器的性能提出了越来越高的要求——更低的相位噪声、更高的输出频率和更大的输出功率。因此对高性能振荡器进行研究具有重要的现实意义。本文重点研究了一些高性能振荡器的设计和应用,包括:推-推介质振荡器,基片集成波导Gunn压控振荡器,W波段连续波振荡器和W波段脉冲振荡器。本文的主要工作包括如下几个方面:（1）提出了一种新的锁相推-推介质振荡器电路。该电路采用基波锁相的方式实现推-推介质振荡器的锁定,并采用反相Wilkinson功分器合成单元振荡器的基波,实现双频段高稳定输出。为验证该构想,在Ku波段设计实现了原型电路,并获得了良好的相位噪声性能和杂波抑制度。除基波锁相外,本文还研究了基波注入锁定在推-推介质振荡器中的应用,分析了同相、反相两种注入锁定模式对锁定带宽和基波抑制度的影响,明确指出了反相注入锁定模式具有较宽的锁定带宽和基波抑制度。（2）基于电磁仿真工具和负阻振荡理论,详细研究了Ka波段基片集成波导Gunn压控振荡器的设计,并在低成本的介质基片上实现了该振荡器,测试结果显示该振荡器具有可供工程实用的调谐带宽、输出功率和相位噪声性能。据笔者所知,这是第一只Ka波段基片集成波导Gunn压控振荡器。（3）针对W波段成像系统对低噪声、高稳定阵列本振源的迫切需求,本文采用注入锁定Gunn振荡器实现了W波段低噪声四路输出本振源。与传统上采用IMPATT放大器的设计相比,该方案具有更低的调幅噪声。随后,针对W波段注入锁定Gunn振荡器锁定带宽较窄的缺点,提出了W波段二次亚谐波注入锁定锁相环电路,实验结果表明,在0.1 mW的U波段注入功率下采用该电路可将W波段Gunn振荡器的锁定带宽由不足20 MHz拓展到1 GHz以上。（4）首先分析了单级注入锁定脉冲放大链输出脉冲的相参性,给出了多级注入锁定相参脉冲放大链应遵循的时序方案。接着分析了注入锁定放大链的功率合成效应,并基于以上分析设计实现了W波段大功率相参脉冲发射机。该机采用大功率IMPATT脉冲振荡器作为功率输出级,在94.2 GHz±0.16 GHz频带内峰值输出功率大于20 W,且在94.2 GHz时有最大峰值输出功率22 W,锁定带宽600 MHz。同时,在注入锁定和偏置脉冲补偿电路的作用下,输出脉冲的脉内调频噪声得到极大的抑制,提高了输出脉冲的相参性。（5）为进一步提高输出功率,本文提出了一种新颖的W波段脉冲功率合成器。该功率合成器以注入锁定相参脉冲放大链为基本功率单元,H面波导T型结为3 dB功分、合成网络,在94 GHz实现了28.4 W的脉冲峰值功率,合成效率达91%。在W波段非谐振式脉冲功率合成器的相关文献中,尚未见更高合成效率的报道。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 推-推振荡器
• 1.2.2 基片集成波导振荡器
• 1.2.3 W 波段振荡器
• 1.2.4 其它一些研究热点动态
• 1.3 本文主要的研究内容
• 第二章 振荡器基本理论
• 2.1 线性振荡器分析
• 2.1.1 反馈式振荡器
• 2.1.2 单端口负阻振荡器
• 2.1.3 二端口负阻振荡器
• 2.1.4 开环S 参数分析法
• 2.2 非线性振荡器分析
• 2.3 振荡器相位噪声分析
• 2.3.1 相位噪声简介
• 2.3.2 线性时不变相位噪声理论
• 2.3.3 线性时变相位噪声理论
• 2.3.4 相位噪声的非线性分析
• 2.4 降低振荡器相位噪声的方法
• 2.4.1 低相噪振荡器设计规则
• 2.4.2 锁相环技术
• 2.4.3 注入锁定技术
• 2.5 本章小结
• 第三章 基波锁定推-推介质振荡器研究
• 3.1 推-推振荡器原理
• 3.2 推-推振荡器的特点
• 3.3 推-推振荡器的设计方法
• 3.4 基波锁相双频段推-推介质振荡器设计
• 3.4.1 方案的提出
• 3.4.2 推-推介质振荡器的设计
• 3.4.3 反相Wilkinson 功分器设计
• 3.4.4 锁相电路设计
• 3.4.5 基波锁相双频段推-推介质振荡器的测试结果
• 3.5 基波注入锁定推-推介质振荡器研究
• 3.5.1 同相与反相注入锁定分析
• 3.5.2 基波注入锁定推-推介质振荡器的实验研究
• 3.6 本章小结
• 第四章 Ka 波段基片集成波导Gunn 压控振荡器研究
• 4.1 基片集成波导概述
• 4.1.1 基片集成波导的结构与传输特性分析
• 4.1.2 基片集成波导与矩形波导的等效关系
• 4.1.3 基片集成波导的损耗特性
• 4.2 Ka 波段基片集成波导Gunn 压控振荡器设计
• 4.2.1 基片集成波导谐振器设计
• 4.2.2 基片集成波导-微带过渡与偏置电路设计
• 4.2.3 结构参数对起振条件的影响
• 4.3 Ka 波段基片集成波导Gunn 压控振荡器的测试结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 W 波段注入锁定连续波Gunn 振荡器研究
• 5.1 W 波段注入锁定四路输出本振源
• 5.1.1 方案的提出
• 5.1.2 U 波段四倍频器的研制
• 5.1.3 基波注入锁定W 波段Gunn 谐波振荡器设计
• 5.1.4 W 波段注入锁定四路输出本振源的测试结果
• 5.2 W 波段二次亚谐波注入锁定锁相环研究
• 5.2.1 注入锁定带宽展宽方法概述
• 5.2.2 W 波段二次亚谐波注入锁定锁相环的锁定带宽
• 5.2.3 W 波段二次亚谐波注入锁定锁相环的相位噪声
• 5.2.4 W 波段二次亚谐波注入锁定锁相环电路设计
• 5.2.5 W 波段二次亚谐波注入锁定锁相环的测试结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 基于IMPATT 振荡器的W 波段相参脉冲源研究
• 6.1 注入锁定脉冲放大链的相参性
• 6.1.1 单级注入锁定脉冲放大链输出脉冲相参性的分析
• 6.1.2 多级注入锁定相参脉冲放大链的时序方案
• 6.2 注入锁定放大链的功率合成效应
• 6.3 W 波段大功率相参脉冲发射机设计
• 6.3.1 指标要求及分析
• 6.3.2 发射机方案的确定
• 6.3.3 大功率IMPATT 脉冲振荡器设计
• 6.3.4 发射机的测试结果
• 6.4 W 波段脉冲功率合成技术研究
• 6.4.1 W 波段脉冲功率合成器设计
• 6.4.2 脉冲功率合成器的测试结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 7.1 本文的主要贡献
• 7.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果