微波毫米波频率合成技术及相关器件研究

1、微波毫米波频率合成技术及相关器件研究随着现代电子科学技术的迅速发展以及低频频谱资源的日益枯竭, 通信与雷达系统频率正不断向着更高频率拓展。相较于微波而言 ,毫米波具有可用带宽更宽、 波束更窄、波长更短、分辨率更高等优势 ,因而被广泛用于各类雷达与通信系统中。作为现代通信与雷达系统的心脏 , 频率源对系统的性能、 大小、功耗等具有决定性作用。 小型化、低成本、低功耗的高性能毫米波频率源在雷达与通信系统中具有巨大的应用价值。本文针对现有毫米波频率源存在的调频时间慢、频率分辨率低、尺寸大等问题, 采用理论分析、仿真评估、实验验证相结合的研究方法 , 在毫米波频率源的捷变频、高频率分辨率、低杂散、低谐

2、波、小型化设计技术方面展开深入研究。系统研究了频率合成基础理论及其关键技术 , 实现了低杂散、低谐波、捷变频、高频率分辨率、小型化的高性能毫米波频率源。 并对毫米波频率源中所需的无源滤波器技术展开探索性研究, 实现了两款小型化、高性能无源滤波器。本文的主要研究工作及创新点如下:1. 提出了一种捷变频、高频率分辨率的毫米波段连续波频率合成方案。针对现有毫米波频率源在频率分辨率和变频速度方面的不足, 本文提出一种基于直接数字频率合成器(Direct Digital Frequency Synthesizer,DDFS或 DDS)实现变频的毫米波段连续波频率合成方案。基于该方案实现了带宽为1GHz,

3、具有捷变频、高频率分辨率、 低杂散和谐波特点的Ka 波段连续波频率源 ,其输出功率优于 20d Bm,相位噪声小于 -85d Bc/Hz1k Hz, 频率分辨率优于 1.87Hz, 杂散和谐波抑制度高于 45d B, 最小调频时间 4 ns 。2. 提出一种基于 DDFS技术的带宽扩展型毫米波段连续波频率合成方案。针对现有毫米波频率源常依赖 PLL 技术实现带宽扩展而造成的变频速度慢、频率分辨率低的问题 , 对基于 DDFS技术的频率带宽扩展型毫米波频率合成方案开展深入研究。 在不牺牲相位噪声性能的基础上 ,实现了带宽为6GHz,具有捷变频、高频率分辨率、低杂散、低谐波、小型化的 Ka 波段连

4、续波频率源 , 其输出功率优于20d Bm,相位噪声优于 -80d Bc/Hz1k Hz, 频率分辨率优于 9.8Hz, 杂散和谐波抑制优于40d B, 最小调频时间 7ns。3. 提出了一种基于改进型折叠阶梯阻抗谐振器 (Folded Stepped-Impedance Resonator,FSIR)的高性能小型化微带滤波器设计方法。 针对毫米波频率源中杂散和谐波频率丛生的问题 , 以及净化微波毫米波电路输出频谱的现实需要 , 本文提出一种改进型 FSIR, 其电路尺寸比传统阶梯阻抗谐振器 (Stepped-Impedance Resonator,SIR) 减小约一半。在此基础上 , 实现了

5、尺寸紧凑的高性能微带滤波器 , 其电路尺寸比传统滤波器减小 95%以上。进一步地 , 基于阶梯阻抗理论对改进型 FSIR 进行更深入的优化 , 实现了性能更佳的小型化微带滤波器 , 其电路尺寸比传统滤波器减小 99%以上 , 并且, 其物理尺寸和频率选择性均可与同频率的声表面波 (Surface Acoustic Wave,SAW)滤波器相比拟 , 可在实际工程应用中实现对部分 SAW滤波器的替代 , 增强电路设计的灵活性 , 降低成本。4. 提出一种横向尺寸紧凑的高选择性、宽阻带抑制微带滤波器设计方法。利用源 - 负载耦合拓扑结构 , 可在滤波器通带两边各引入一个传输零点 ; 利用开路枝节线结构 , 可在滤波器阻带引入一个传输零点。 将二者结合 , 可实现开路枝节线加载型源 - 负载耦合结构 , 并分别与 U型微带谐振器和 T 型双模SIR 相结合 , 实现了单端滤波器、