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1、毫米波通信技术刘发林电子工程与信息科学系2012年9月12日第二章、毫米波通信部件与器件中国科学技术大学研究生选修课ESD5302第二章、毫米波通信部件与器件2.1毫米波传输线及常用的无源器件2.1.1毫米波传输线2.1.2常用的毫米波无源器件2.2接收设备2.2.1概述2.2.2低噪声放大器（LNA）2.2.3下变频器2.3发射设备2.3.1概述2.3.2上变频器2.3.3功率放大器2.4毫米波振荡源2.4.1概述2.4.2介质谐振器稳频的毫米波振荡器2.4.3锁相毫米波振荡源2.4.4高稳定参考源2.5调制器2.5.1概述2.5.2移相键控（PSK）2.5.3多进制正交振幅调制（M-QAM

2、）2.6开关和移相器2.6.1开关2.6.2移相器2毫米波传输线2.1毫米波传输线与无源器件导行电磁波的结构就是传输线（广义的）n同轴线（硬同轴线、SMA、K接头等）n波导（金属、介质、槽、NRD、H等）n微带线（共面线、槽线、微带类等）传输损耗辐射损耗同轴线的高次模降低尺寸a和b提高工作频率，但容量、接头等受到限制3毫米波传输线2.1毫米波传输线与无源器件考虑因素损耗、阻抗、Q值功率容量、体积成本、有源器件难易4毫米波传输线2.1毫米波传输线与无源器件图2.2若干毫米波传输线的工作频率范围102040GHz10020030157.5mm31.5同轴线同轴线矩形金属波导矩形金属波导加大尺寸矩形

3、金属波导加大尺寸矩形金属波导H波导和槽波导波导和槽波导微带微带槽线、鳍线槽线、鳍线镜象波导镜象波导准光波导准光波导5传输线的基本概念及参数2.1毫米波传输线与无源器件=相位常数；衰减常数传播常数无耗（理想）传输线一般传输线6对于无耗传输线，当传输线长度为1/4波长奇数倍时，2.1毫米波传输线与无源器件无耗（理想）传输线一般传输线当传输线长度为1/2波长整数倍时，反射系数为，驻波比（驻波系数）为，传输线的基本概念及参数7矩形波导结构与场分布2.1毫米波传输线与无源器件几何结构TE10模式的电磁场分布8矩形波导主要参数2.1毫米波传输线与无源器件波阻抗：波导中的波型阻抗，横电场与横磁场之比截止波长

4、：矩形波导具有“高通”性质波导波长：相速群速92.1毫米波传输线与无源器件表2.1若干国产矩形波导数据表波波导导型型号号主模频率主模频率范围范围(GHz)截截止止频频 率率(MHz)内内截截面面尺尺 寸寸a(mm)内内截截面面尺尺 寸寸b(mm)衰减衰减(dB/m)频频率率理理论论值值GHz重重量量（kg/m）WJB-18014.522.01157112.966.4817.40.2380.38WJB-22017.626.71407110.675.3321.10.3700.30WJB-26021.733.0173578.644.3226.10.4350.26WJB-32026.440.42107

5、77.1123.55631.60.5830.22WJBxxx代表中心频率（100MHz）102.1毫米波传输线与无源器件表2.2国际标准的矩形波导尺寸及有关参数WRxx代表尺寸a的百分之一英寸数或10mil数例如：WR-287.112/(25.4/100)=28WR-102.54/(25.4/100)=10型号型号WR内内尺尺寸寸(mm)abTE10模模 截截止止 频频 率率（GHz）TE10模模 推推 荐荐工工作作频频率率范范围（围（GHz）348.6364.31817.32822.033.0287.1123.55621.08126.040.0225.6902.84526.34233.050

6、.0194.7752.38831.35740.060.0153.7591.88039.86350.075.0123.0991.54948.35060.090.0102.5401.27059.01075.0110.011圆形波导2.1毫米波传输线与无源器件几何结构TE11模式（最低次）的电磁场分布TE01模式的Q值最高，谐振腔常用；损耗小，远距离传输12金属槽波导2.1毫米波传输线与无源器件n具有理论研究价值，实用较少nKa波段的比较结果衰减随频率增高而下降图2.10主模TE11模的场图旋转900，类似于矩形波导的TE10模式13介质波导2.1毫米波传输线与无源器件图上：圆形介质波导图左：方形介

7、质波导及其场分布n结构变为开放式n易实现有源器件,耦合调试易行n在mmw高端损耗低100GHz，Teflon，直径1.46mm，损耗1.23dB/m直径0.90mm，损耗0.19dB/m14H波导2.1毫米波传输线与无源器件nLSM模式磁场平行于空气介质表面，Hx0nLSE模式电场平行于空气介质表面，Ex015无辐射介质(NRD)波导2.1毫米波传输线与无源器件n通过适当选取H波导介质条带横截面尺寸来抑制辐射。n单模工作带宽可与矩形波导比拟n导体衰减随频率增高而下降，因无纵向电流的场图16毫米波集成传输线介质镜像波导2.1毫米波传输线与无源器件n介质镜像波导：有接地板，厚度尺寸减一半n频率越高

8、，能量越集中在介质内部n与接地板良好接触（粘合）是难点介质镜像波导(a)方形(b)圆形17毫米波集成传输线微带线2.1毫米波传输线与无源器件n微带线：保角变换分析成功，可工作到60GHzn频率越高，越呈现出色散特性图2.19微带传输线（a）结构；（b）横截面上的场图18毫米波集成传输线微带类与共面波导2.1毫米波传输线与无源器件图2.20倒置微带线(a)和悬置微带线(b)的结构。场集中于中间空气中，衰减小。需要支撑（低损耗）图2.21共面波导的结构准TEM波19毫米波集成传输线槽线2.1毫米波传输线与无源器件n与微带线结构对偶，便于单面实现有源器件图2.22槽线的结构及电磁场分布20毫米波集成

9、传输线鳍线2.1毫米波传输线与无源器件n鳍线Finline：波导与平面电路的完美结合n易于实现多种有源无源器件（d）正面视图举例21毫米波波束波导2.1毫米波传输线与无源器件n利用毫米波频段的准光特性分析n假设能量集中在主波束中传输n合理选择透镜尺寸，降低绕射损耗波束波导：透镜型和反射镜型22毫米波无源器件传输匹配器件2.1毫米波传输线与无源器件n使得视在阻抗与源阻抗匹配，减小驻波。n将毫米波功率有效传送到终端负载n理想状态为共轭匹配：参考面选择任意电抗部分抵消，电阻部分相等图2.27阻抗匹配器的作用23毫米波无源器件传输匹配器件2.1毫米波传输线与无源器件n连续性的匹配通常通过阶梯近似分析：

10、模式匹配(a)(b)(c)(d)图2.28常用的毫米波匹配器：(a)阶梯波导；(b)渐变波导；(c)微带渐变线(中心带条)；(d)微带低通阻抗变换器(中心带条)24毫米波无源器件传输匹配器件2.1毫米波传输线与无源器件n利用AA面和BB面上的两部分反射波路径差1/2波长，相抵n仅在单个频率点严格成立若则：匹配图2.29单节1/4波长阻抗匹配器25毫米波无源器件传输匹配器件2.1毫米波传输线与无源器件n利用多段匹配，多次反射波相互抵消。n减缓每一级匹配的梯度，中心频率交叉可以增加频带宽度n连续渐变型匹配电路需要阶梯近似分析26毫米波谐振器毫米波谐振器2.1毫米波传输线与无源器件基本参数n模式：最

11、为重要，决定电磁场分布。n中心频率nQ值：与损耗密切相关n耦合电路n金属谐振器：计算简单，Q值高n介质谐振器：有利于实现平面电路27部分毫米波谐振器部分毫米波谐振器2.1毫米波传输线与无源器件图2.33若干毫米波谐振器结构28部分毫米波谐振器部分毫米波谐振器2.1毫米波传输线与无源器件图2.36矩形和圆柱形DR及其主模场分布29常常用用平平面面谐谐振振器器2.1毫米波传输线与无源器件图2.3730图2.38圆形微带谐振器TM110模式场图n场强过于集中于两端，电流汇聚，辐射面窄，辐射损耗小。n适于做谐振器或滤波器，而不适于作为天线辐射单元n所以平面天线阵元一般不选圆形2.1毫米波传输线与无源器

12、件31毫米波谐振器与外电路的耦合只有与外电路发生作用，才能实际应用n有通过式（双端），反射式（单端）耦合、多口耦合n能耦合出能量，而不（严重）破坏原来的模式分为：n欠耦合：内部损耗外部损耗n过耦合：内部损耗60%)n小型化设计问题（星载要求）2.3发射设备72行波管放大器特性幅相2.3发射设备图2.83行波管放大器的AM/AM和AM/PM特性73毫米波固态功率放大器优点：n可靠性高，尺寸、重量小n相控阵单元必需用固放n附加功率效率（PAE）较高提高功率的途径：n功率pHEMT管n增加栅宽、并联多个栅极n功率HBTn具有高电子迁移率、内建漂移电场和速度过冲，渡越时间降低截止频率fT较高n功率密度

13、较大，适于大功率要求2.3发射设备74功率放大器作用与特点图2.86利用6单元芯片进行功率合成的HBTAn2426GHznPo=2.2W，PAE42%2.3发射设备75波导型功率放大器图2.87工作于24GHz的22功率放大器模块n波导中间上下各二路MMIC功放n典型的波导与平面电路结合nPAE18.1%nPo3.3W2.3发射设备76毫米波振荡源2.4毫米波振荡源用途n上下变频的LO、载波信号等分类nGunn振荡器、DRO、HBT、HEMT等n锁相振荡器、原子稳频振荡器等。n固定频率、DDS、电调/机调源等要求n一定的功率输出n较高的频率稳定度（通信）n杂散低（相位噪声）77毫米波波导Gun

14、n振荡源常规纵杆结构左：顶压，右：触须接触BiasDiodeBiasDiodeVaractorBias改进横杆结构左：Gunn源，右：VCO2.4毫米波振荡源78毫米HEMTDRO漏极输出一部分通过磁力线耦合到栅极，作为正反馈输入。44GHzDRO用于稳频r372.4毫米波振荡源79毫米波锁相源高稳定基准源VCOPLS图2.90三种锁相振荡源电路原理图2.4毫米波振荡源80毫米波VCO(a)通过1/4波长耦合微带线接入(b)通过1/4波长单微带线接入图2.92变容管不同接入方式的VCO电原理图2.4毫米波振荡源81高稳定参考源其他如晶振（最基本）电调晶振、微波基准源等图2.94铷原子频率标准F

15、E-5650A框图2.4毫米波振荡源82高速调制结构n该高速调制系统用砷化镓低势垒肖特基二极管完成调制功能。反向恢复时间极短。n由与50欧姆匹配的高速驱动电路和调制器两部分组成。n调制器的核心元件是调制用二极管。而为了实现系统小型化，便于和波导电路联接，我们采用了8mm鳍线。n鳍线兼有波导的低损耗与平面电路易于实现两大特点，单模带宽较大，易于同波导、微带等其他传输线相联。设计变动容易。2.5调制器832.5调制器调制器nAM、PM、FM三种调制方式n卫星信道、毫米波信道恒包络调制方式原因：信道的非线性影响n直接调制简单，实现随频率增高而困难n也可采用低频调制再上变频方式84毫米波高速调制（AM

16、）结构示意图SN74F04至 PIN管或肖特基管高速驱动整形电路示意图2.5调制器85动态调制解调测试结果图2.5调制器86开关型PSK调制器2.5调制器 载波输入基带（脉冲）信 号已调波输出SW（a）反射式 PSK 调制器载波输入基带（脉冲）信号已调波输出（b）传输式PSK调制器l图2.95两种路径长度开关型PSK调制器87集成单平衡BPSK调制器2.5调制器88集成单平衡BPSK调制器-/+1-/+1+/-1+/-12.5调制器89平衡QPSK调制器作业：仿照单平 衡 BPSK分析方法，请自行分析该电路的输出。2.5调制器图2.99利用冷pHEMT构成的平衡QPSK调制器902.6开关和移相器开关作用：用于控制信号的通断主要考虑n工作频率和带宽；工作频率和带宽；n开关接通时的插入损耗和断开时的隔离度；开关接通时的插入损耗和断开时的隔离度；n开关速度；开关速度；n功率容量。功率容量。n输入驻波比输入驻波比n构成：构成：PIN管或高速二极管、三极管管或高速二极管、三极管91开关矩阵2.6开关和移相器图2.104用于SS（星上交换）TDMA的开关矩阵92SPDT(SinglePoleDo