毫米波宽带倍频器分析

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1、第一章引言1．1毫米波及毫米波倍频器的研究价值毫米波一般指的是波长介于l一10mm的一段电磁波频谱，其相应的频率范围为30～300GHz。毫米波的发展由其本身的固有特点所决定。其中，短波长、宽频带以及与大气的相互作用，是促进毫米波发展的三个基本因素。影响毫米波传播的主要气体是氧分子和水蒸气。这些气体的谐振将会对毫米波频率产生选择性吸收和散射。研究表明，在整个毫米波频段有四个传播衰减相对较小的大气“窗口"，它们的中心频率分别在35，94，140和220GHz附近。其相应的波长分别为8．6，3。2，2。1和1．4mm。这些“窗口”所对应带

2、宽分别为16，23，26和70GHz。这就说明，任何一个毫米波“窗口"的可用带宽几乎都可以把包括微波频段在内的所有低频频段容纳在内。这些宽带特性使雷达可用窄脉冲和宽带调频技术获得目标的细部特性；使通信系统能传送更多的信息，大大拓宽现已十分拥挤的通信频段，为更多用户提供互不干扰的通道。宽带特性也能为各种系统提供高质量的电磁兼容特性。同样，对应波长5，2．5，1．6ram的波吸收峰或高衰减带也有很大的带宽，这就为军用保密通信和雷达隐藏工作提供了相对好的条件。除此，与微波相比，毫米波波长短，因而其设备体积小、重量轻，机动性好。这些特点正是精

3、确制导武器和各种飞行器所必须具备的。同时，在同样口径天线下，短波长能提供极高的精度和良好的分辨力，能提高低仰角下的探测精度和跟踪能力而不出现严重的杂波干扰。窄波束还可以提高系统的隐蔽性能和抗干扰能力。天线增益的提高有助于降低发射机功率和增强接收机的灵敏度。有鉴于此，毫米波被广泛的应用于雷达与制导系统、电子对抗、毫米波通信中。另外，其还可以作为测量雷达、测量缩比模型、海岸警戒、障碍回避、自动防撞引信、地形测绘、气象研究以及卫星遥感、信息交换系统等【l】。鉴于毫米波自身的优点，具有良好稳定度和低相噪特性的毫米波频率源已经提到研制只程。而如

4、何实现高质量、稳定可靠的毫米波固态信号源，是当前毫米波领域中所要解决的重要课题。目前有三种方案来实现毫米波信号源，一是直接由毫米波固态振荡器件(Gun器件和IMPATT器件)构成信号源；二是采用特征频率高的晶体管产生振荡，然后放大得到毫米波低端信号源；三是首先由微波晶体管电子科技人学硕士学位论文产生振荡，然后经倍频得到毫米波信号源。对第一种方案，简单的毫米波固态源的频率稳定度和相位噪声常常不能满足要求，因此通常要采取各种稳频措施，如外腔稳频、注入锁相、锁相倍频等来改善频率稳定度。第二种方案要求晶体管特征频率很高，国外在毫米波三端器件可

5、以满足要求的情况下采用较多，而国内则由于器件水平的限制尚无法实现。第三种方案不仅可以降低毫米波设备的主振频率，扩展工作频段，也能把微波设备的许多优点如高频率稳定度扩展到毫米波频段，是目前国内广泛采用的方案。因此，对毫米波倍频器的研究对能否实现高性能毫米波信号源有着重要意义。另外，倍频器还有其它更广泛的应用如：(1)扩展工作频段，以获得宽的工作带宽，可用于扩频通信和电子对抗中；(2)对于调相或调频发射机，利用倍频器可以加深调制深度，以获得最大相移或频移；(3)倍频器易产生激励信号的各次谐波，所以成为频率合成器中的重要组成部分；(4)*l

6、J用倍频，可以制成毫米波、亚毫米波固态源，他们在射电天文学、光谱学、毫米波通信、雷达、军事侦察、监视、制导等方面得到广泛的应用；(5)作为固态器件，倍频器工作电压、器件尺寸上远小于真空器件，在使用寿命与可靠性上大大超过后者。1．2国内外宽带倍频器发展动态1．2．1国外宽带倍频器发展状况国夕t---十世纪五、六十年代开始开展毫米波倍频器的研究，七十年代N)k十年代初有大量的相关报导。该时期由于受半导体工艺发展水平的制约，有源器件如晶体三极管、场效应管的特征频率不高，在毫米波频段的应用受到限制。但此时肖特基势垒二极管作为高截止频率的非线性

7、器件被广泛应用于倍频器中【z儿Ⅻ41，电路形式主要采用混合集成电路及波导正交叉结构，输出功率从几毫瓦到上百毫瓦。八十年代中期，随着半导体及集成工艺的发展，一批新型的毫米波器件应运而生，其中包括结电容．电压(C，～y)特性关于电压V=0对称的变容二极管HBV、HEMV、bbBNN，以及高特征频率的三端器件HBT、HJFET、HEMT、pHEMT等，将毫米波倍频器的研究推向另一个高潮：采用新型器件研制体积小、重量轻的单片集成电路【5】f6】【刀。单片电路体积小到不足l删鲁，输出功率常为几毫瓦。目前已有覆盖毫米波低端的单片倍频器出现，部分已

8、实现产品化。同时，在毫米波高端及亚毫米波频段，波导正交叉结构仍是经常采用的结构形式。准光学倍频技术也得2第一章引言到了迅速发展。亚毫米波频段的倍频器输出功率通常小于l毫瓦。采用高性能的半导体器件研制更高频率的单片集成电路