W波段高性能检波器与谐波混频器的研究

作     者：曾昕 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐金平;祝大龙

授予年度：2017年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：检波器 功率检测 谐波混频器 下变频器 W波段接收前端 

摘      要：随着电子与通信技术的迅速发展,系统工作频率不断向微波毫米波高端推进,W波段接收前端关键技术及应用课题已成为国内外专家、学者的研究热点。毫米波接收前端主要完成频率变换与滤波功能,以便后续电路解调和放大。除了低噪放以外,混频器和检波器也是毫米波接收机中的关键部件。结构简单、可靠性好、集成度高、变换损耗低是毫米波接收组件的设计要旨。因此,研制高灵敏度的检波器与低变频损耗的谐波混频器对毫米波接收技术的发展有重要的现实意义。本文立足于国内现有技术条件,分别研制了 W波段宽带高灵敏度检波器与低变频损耗谐波混频器,并应用于W波段接收前端组件。本文主要研究工作包括:1、基于AvagoTech.公司的零偏置肖特基势垒二极管HSCH-9161,针对宽频带、高灵敏度的设计要求,采用改进的超宽带阻抗匹配网络,研制成功了 75GHz～103GHz高灵敏度检波器。在传统的波导-鳍线-微带过渡结合多级低阻抗线的匹配电路方案的基础上,引入多支节阻抗调配电路,利用三对λRF/4支节与其后的多级阻抗线共同组成匹配网络,从而改善宽带匹配效果,提高检波器灵敏度。输出端低通滤波器采用多级扇形线结构,用于阻挡射频输出信号及由二极管非线性特性产生的谐波分量。基于二极管非线性等效电路模型,采用场路结合的仿真分析方法,对鳍线、宽带匹配网络及低通滤波器等电路进行了一体化仿真分析与优化。对加工、组装完成的W波段检波器进行了实验测试,在射频输入功率为-30dBm条件下,在75GHz～103GHz频率范围内,检波电压灵敏度高于1000mV/mW,且在82GHz处,最高检波电压灵敏度约为7000mV/mW。2、采用上述高灵敏度检波器的电路设计方案,根据实际工程项目的需要,应用功率检测的特性,成功研制了两种W波段的检波电路,其一为功放输出功率监测电路,其二为低噪声放大器保护电路。按照系统设计要求,分别设计了具有不同耦合度的微带耦合器,并采用场路结合的方法,对检波电路和耦合器电路进行了一体化仿真分析。微带耦合器主要用来耦合部分射频功率用于监测,并将耦合端信号馈入检波电路中转换为直流信号,以供后级视频放大器放大。对带有功率监测功能的功放模块进行了实验测试,93GHz处,当功放输出功率范围为0.66dBm～21.66dBm时,检波输出电压为96.9mV～4050.0mV。96GHz处,当功放输出功率范围为1.06dBm～21.55dBm时,检波输出电压为87.8mV～2470.0mV。对带保护功能的W波段低噪声放大器进行实验测试,在75GHz～80GHz频带范围内,低噪声放大器线性增益典型值为7.1dB～12.2dB。当低噪声放大器接近饱和时,76GHz频点处检波输出电压为376mV,79GHz频点处检波输出电压为323mV。对应不同的射频频率,两检波电路输出电压随输入功率增大呈指数关系上升,满足实际应用的需求。3、选用基于反向并联GaAs肖特基二极管对的单片集成混频器芯片,研制了一款W波段二次谐波混频器。实验研究表明,固定中频频率为12GHz时,谐波混频器变频损耗为9.6～12.5dB。固定本振频率为35.85GHz,对应中频频率为4GHz～12GHz时,变频损耗为9.9～11.7dB。4、基于W波段谐波混频器的设计基础,为降低接收模块的噪声系数,本文将谐波混频器与低噪声放大器集成在一起,研制了一种W波段下变频模块,并对其进行了测试。固定本振频率为35.85GHz,中频输出频率为3.3GHz～8.3GHz时,实测变频增益为1.7dB～6.2dB。根据调频连续波接收系统的要求,基于上述测试基础,将带保护功能的低噪放模块与下变频器级联,组成了一套W波段接收前端。经测试,在最佳本振功率9dBm驱动下,固定本振频率为35.85GHz,在75～80GHz射频带宽内,实测链路变频增益为11.8dB～15.8dB,输入功率1dB压缩点为-23dBm。当接收链路处于正常安全工作区域时,检波输出电压低于50mV;当射频输入功率接近链路功率压缩点时,检波输出电压高于79mV,从而可以利用检波输出电压来实现低噪放的有效保护。