（電磁場與微波技術專業(yè)論文）k波段衛(wèi)星接收系統(tǒng)前端電路設計.pdf

東南大學碩士論文 k 波段衛(wèi)星接收系統(tǒng)前端電路設計 研究生：尚束成 指導教師：錢澄副教授 摘要 衛(wèi)星接收系統(tǒng)前端電路是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的一個重要部件，本文主要介紹了一 種k 波段衛(wèi)星接收系統(tǒng)前端電路的毆計方法，其特點是高增益，低噪聲，低成本， 結構簡單，有望提高整個接收系統(tǒng)的性能。在接收機組成方案分析，鏈路計算及 指標( 如噪聲系數(shù)) 分配的基礎上，結合理論計算和計算機仿真，給出了各單元 電路( 包括探針式波導一微帶轉換器，低噪聲放大器，鏡頻抑制帶通濾波器，分諧 波混頻器，低通濾波器等) 的設計和仿真結果。根據(jù)設計的結果，制作了實驗電路， 并進行了測試。 通過對測試結果的分析表明，探針式波導一微帶轉換器具有插入損耗小，密封 性好，結構簡單，易j 二加工的優(yōu)點，實現(xiàn)插入損耗小于0 3d b ；低噪聲放大器l 二 要采用i i e m t ，設計增益目標2 4 d b ，噪聲系數(shù)小于1 5 d b ；鏡像抑制濾波器采用側 邊平行耦合線結構，鏡像抑制大于6 0 d b ，提高了接收系統(tǒng)信噪比并有效抑制鏡像頻 段的干擾；分諧波混頻器的應用簡化了本截設計，在毫米波頻段尤其具有吸引力。 在分諧波混頻器的設計中，探討優(yōu)化各個主要組合頻率最佳嵌入阻抗以同時實現(xiàn) 最低變頻損耗和良好的匹酉己。在要求的頻段，前端的噪聲系數(shù)小于2 d b ，總增益大 于5 5 d b 。 關鍵字波導一同軸一微帶轉換器低噪聲放大器 鏡象抑制帶通濾波器分諧波混頻器 低通濾波器 東南大學碩士論文 d e s i g n o ff r o n t e n dc i r c u i to f k b a n ds a t e l l i t er e c e i v e r mseeo a n d id a t e ： s h a n g s h u c h e n g s u p e r v is o r ：a s s o c i a t ep r o f 0 i a nc h e n g a b s t r a c t t h ef r o n t 。e n dc l r c m i si m p o r t a n ti ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m si nt h i s p a p e r , t h ed e s i g n o ft h ek b a n df r o n t e n dc i r c u i t o f s a t e l l i t e r e c e i v e r ， i sp r e s e n t e di th a sm a n yd i s t i n c ta d v a n t a g e ss u c ha sh i g hg a i n ，l o wn o i s e ，l o wc o s ta n d s i m p l es t r u c t u r e ，m a k i n gi tp r o m i s i n gi n f u t u r e a p p l i c a t i o n f i r s tw eg i v et h e a n a l y s i s o ft h er e c e i v e rf r o n t e n db l o c k d i a g r a m ，l i n kb u d g e t a n d s p e c i f i c a t i o n a l l o c a t i o n ( s u c ha sn o i s ef i g u r e ) t h e n ，a l lt h es u b c i r c u i t s ，i n c l u d i n g l o wn o i s e a m p l i f i e r ，w a v e g u i d e t o m i c r o s t r i pt r a n s i t i o n ，i m a g er e j e c tb a n d p a s sf i l t e r , l o w p a s sf i l t e r ，a n d s u b h a r m o n i cm i x e r ，a r ed e s c r i b e di nd e t a i l sf i n a l l yt h e t e s tc i r c u i t sa r ed e s i g n e d ，m a n u f a c t u r e da n dm e a s u r e d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l ta n de ma n a l y s i ss h o w t h a t p r o b e ”t y p e w a v e g u i d e - t o - m i c r o s t r i pt r a n s i t i o n ，c o m p a r e dw i t ho t h e rt y p e s ，h a st h em e r i to f s i m p l es t r u c t u r e ，g o o dh e r m e t i c i t y a n dl o wi n s e r t i o nl o s s ( 1 e s st h a no3 d b ) ；t h e a m p l i f i e ru s i n gh e m tp r o d u c e sn o i s ef i g u r eo fi 5 d bw i t h8 d bg a i n ；t h e i m a g e r e j e c t b a n d p a s sf i l t e r ，u s i n gp a r a l l e lc o u p l i n gl i n es t r u c t u r e ，c a ni m p r o v en o i s e p e r f o r m a n c e a n de l i m i n a t ei n t e r f e r e n c e ，b ys u p p r e s s i n gi m a g em o r et h a n6 0 r i b ，t h e s u b h a r m o n i cm i x e r w i l l s i m p l i f y l o c a l o s c i l l a t o r d e s i g n ，e s p e c i a l l y i n m i l l i m e t e rw a v eb a n d san o v e la p p r o a c hi s p r e s e n t e di n s u b h a r m o n i cm i x e r d e s i g n ，w h i c h e n a b l e st oe s t a b l i s ht h eo p t i m u ml o a d i n gc o n d i t i o n sf o rt h ed i f f e r e n t s i g n a l st og e tl o wc o n v e r s i o nl o s sa n dg o o dm a t c h i n gs i m u l t a n e o u s l yt o t a ln o i s ef i g u r e o ft h ef r o n t e n di sl e s st h a n2 d bw i t h55 d bo v e r a l lg a i no v e rt h es p e c i f i e df r e q u e n c y b a 力d k e yw o r d s ：w a v e g u i d e t o m i c r o s t r i p l o wn o i s ea m p l i f i e r ， s u b h a r m o n i c m i x e r , t r a n s i t i o n ， m a g er e j e c tb a n d p a s s f i l t e r l o w p a s s f i l t e r l i 東南大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 本天聲瑟所里交鵑攀位論文是蔑令久在導掰豢話下遂舒懿研究工 幸：及取褥的j 匿； 究成 果。盡我所知，除了文中特烈加以標注和致謝的礁方步 ，論文中不包含其他入已經發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲褥東南大學或騏它教育枧構的學位或證書e i 使用過 的耱翱“寫筏一弱工俸麓鞲恚對奉騷究掰畿靜任俺貢獻均已在論文中俘了繇確盼說霹薺 表永了謝懣。 研究生虢南隸被日期： a 形k ；、o 扛 東南大學拳位論文使用授權聲明 東南大學、中鋈科學技術信惑磷究漲、墓家鍪書灌彎彀搽霹本入爨送交學位論文的 復印件穗電予文檔，可以采用影印、罐印或其他簸臻4 手段保存論文。本人電子文檔豹內 吝毒h 紙質淪文的內容始致。除在保鬻期內的保密論文孫，允誨論文被查閱和借閱，可 以公布( 色鍤稍登) 論文靜全幫袋鬻分蠹客。論文懿公布( 寇旗子登) 嬡毅東鷹大學器 究生院辦理。 研究生簽名南糨翩憋名：絨眵日期：a 心；、夠 一 查墮奎堂嬰主堂魚絲苧 緒論 衛(wèi)星接收系統(tǒng)前端電路是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的一個重要部件，它的性能好壞直接影 響著整個接收系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，決定了系統(tǒng)后面中頻電路指標的上限，研制性能良好的 接收系統(tǒng)前端電路是提高整個系統(tǒng)性能的必然要求。 1 衛(wèi)星通信的發(fā)展現(xiàn)狀 衛(wèi)星通信是當前迅猛發(fā)展的重要通信手段之一。其最大的特點是覆蓋范圍火、線 路配置靈活，不受地理條件限制和便于機動。我國通信衛(wèi)星的研制始于7 0 年代3 3 1 衛(wèi) 星通信工程的實施，特別經過改革開放十多年的努力，我國衛(wèi)星通信事業(yè)得到迅速的發(fā) 展，新技術、新的地球站大量涌現(xiàn)。但是，在衛(wèi)星通信產業(yè)化發(fā)展過程中，由于種種原 因，目前尚存在一定困難，特別是v s a t 小型地球站沒備，除天線外，國內市場幾乎全 被國外產品占據(jù)，而且國內產品與國外產品水平的差距正逐漸加大。我國今后衛(wèi)星通信 技術發(fā)展的重要趨勢為開發(fā)新頻段，從現(xiàn)有單一的c 頻段發(fā)展到k u 頻段( 1 4 li g i i z ) ， k a 頻段( 3 0 2 0 g h z ) 、u h f 、l 、s 、x 頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)?？梢姡M行高頻段的衛(wèi)星系統(tǒng) 電路的研究符合我國衛(wèi)星通信的發(fā)展要求。 2 接收系統(tǒng)前端電路的研制計劃和方案 接收系統(tǒng)的前端單元電路主要包括波導一微帶轉抉器，低噪聲功率放火器，鏡頻抑 制帶通濾波器，分諧波混頻器和低通濾波器。 系統(tǒng)原理圖如下： 接收系統(tǒng)前端電路實際上是一個微波級聯(lián)網絡，根據(jù)級聯(lián)網絡的噪聲汁算公式 f 。，：f + 型+ 玉蘭“+ 瓦w + 等+ 磊扣一u 1u 1 u 2 吒一i g l g 2 - g r 為了減小系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)，需要盡量提高前級單元電路的增益，并要求前級單元 電路( 波導一微帶轉換器，低噪聲放大器等) 的噪聲系數(shù)盡可能低：而前端單元電路的 增益( 或者插入衰減，變頻損耗) 除了要考慮電路的可實現(xiàn)性，還要綜合考慮如動態(tài)范 圍，穩(wěn)定性，頻率選擇性等因素。 東南大學碩士學位論文 系統(tǒng)各單元電路的設計方案如下： 波導一微帶轉換器所使用的波導是w r 一4 2 型波導。設計要求插入損耗小于0 3 d b 低噪聲放大器主要采用a t f 一3 6 0 7 7 高電子遷移率晶體管為放大管，設計增益目標 2 4 d b ，噪聲系數(shù)小于1 5 d b 。 鏡頻抑制帶通濾波器采用側邊平行耦合線結構，鏡頻抑制6 0 d b 。 分諧波混頻器考慮到k 波段的混頻器的本振源頻率高，直接采用基波混頻時，本振 源實現(xiàn)難度大，所以利用分諧波激勵混頻器，可以解決本振的困難。 中頻電路主要包括低通濾波放大等環(huán)節(jié)。 微波電路的研制是一件十分繁瑣而又復雜的事。為_ r 是人工計算能簡便的進行，i 往足用簡化的模型。忽略了一些寄生參數(shù)和邊緣場效應，導致理論計算和實際電路之間 存在了很大的差別。在選擇了合適的電路結構和器件后，上要依據(jù)試驗調試的結果反復 修正電路，從而能滿足預定的指標。面劉n 益復雜的電路系統(tǒng)設計，采用微波電路c a d 沒計是必然的選擇。 當今的微波電路設計軟件已經具有強大的設計功能。能按照微波電路的指標綜合出 結構的最優(yōu)電路，能夠根據(jù)設計誤差，設計環(huán)境等模擬出要求的參數(shù)要求，具有很高的 n i 靠性。 本文采用了微波與射頻電路設計軟件a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ( a d s ) 和三維電磁場 的仿真軟件h f s s 。a d s 主要用于微帶電路的仿真和優(yōu)化。i i f s s 主要用于波導一微帶轉換 的二：維電磁場的仿真。 東南大學碩士學位論文 第一章波導一微帶轉換器 在微波信號傳輸領域，矩形波導和微帶傳輸線是兩種常用的微波傳輸方式。矩形波 導主要運用于大、中功率的微波傳輸。微帶線在微波集成電路和混合集成電路中得到廣 泛應用。微波傳輸?shù)脑S多應用中，矩形波導和微帶線需要在微波系統(tǒng)中連接，經常需要 使用波導一微帶轉換器或波形轉換器，以使兩種傳輸線間具有良好的匹配連接，從而更 有效的進行傳輸。 卜1 波導一微帶轉換器的作用 波導一微帶轉換器位于系統(tǒng)的最前端，其主要作用是將波導口輸入的電磁波的場信 號，轉換成微帶電路上的路信號，以便對信號進行放大和變頻。除了將場信號變換成路 信號外，還必須完成從波導的高阻抗到微帶電路的低阻抗的阻抗變換過程，使得在這一 變換過程中，信號能量的損失最小，從而最大程度地將天線送來的場信號轉化成微波低 噪聲放大器輸入端路信號。 由于波導一微帶轉換器處于輸入端，其性能的好壞劉f 系統(tǒng)的噪聲系數(shù)指標影響極 大，乃至極大影響整個接受系統(tǒng)的性能。所以在設計中，波導一微帶轉換器結構j t 寸的 優(yōu)化設計足重要的部分。 卜2 波導一微帶轉換器的設計重點 設計k 波段波導一微帶轉接器，工作頻率為k 波段，考慮使用w r 一4 2 型矩形波 導和5 0 q 微帶傳輸線。要求傳輸插入損耗小于o3 d b 。 在設計中，對下面的問題的分析是理論分析的重點： 1 ) 傳輸中的寬頻單模傳輸和低衰減是設計的關鍵，因為對導波工作頻率較高，所 以必須對元件尺寸進行精確優(yōu)化設計。 2 ) 設計要求傳輸插入損耗小于o3 d b ，實現(xiàn)低插損是本設計關鍵問題也是難點。 在實物測試中，系統(tǒng)還可能受到許多外加因素的影響，使實驗數(shù)據(jù)與仿真結果 有差距，因此必須對各元件尺寸的計算值進行必要的修正。 1 3 設計方法的比較和選擇 當前，存在著多種形式的波導一微帶轉換器，這些波導轉換系統(tǒng)都能提供寬邊帶性 能( 1 0 2 0 ，低于1 5 d b 的的回波損耗) ，且一般都是低于0 3 d b 的傳輸損耗。各種 轉換器又有其各自不同的特點，這里僅作簡單介紹。 單脊波導一微帶轉換器結構如圖1 1 所示。微帶線的特性阻抗為5 0 q ，而波導的等 效阻抗通常在3 0 0 4 0 0 q 范圍內，兩者直接相連，將產生很大反射，結構上也不易實現(xiàn)。 東南大學碩士學位論文 圖 1 - l 單脊波導微帶轉換器 圖1 - 2 “共線式”波導一微帶過渡器 “共線式”波導一微帶過渡器的結構形式，結構示意圖如圖1 2 所示。過渡區(qū)共 分為三個部分：單脊波導段，混合段及同軸線段。圖1 2 與圖1 1 所示的轉接器結構相 比，具有結構簡單、牢固的特點。此外，由于混合段兩端都有突變臺階，存在著不連續(xù) 電容，因而混合段的阻抗要適當?shù)馗哂诮o定值，以起到補償容抗的作用。 y k b 一 言：f t i 嘶節(jié)葑 圖1 - 3 探針式波導一微帶轉換器 探針式這種轉換系統(tǒng)經常運用于數(shù)字衛(wèi)星電視接受單元( 又稱高頻頭) 之中。其結 構如圖卜3 所示。其輸入端是一段寬邊為a 、窄邊為b 的矩形波導。波導的輸入口為一 個同定連接用的法蘭盤( 與天線的饋源相連) 。波導的另一端是封閉的短路面。轉換器 的輸出端是一根真徑為2 r 的探針。探針的一頭從矩形波導的寬邊插入，并伸入到波導 之中，另一端與微帶線電路連接。探針的伸入波導適當長度h ，在寬壁正中插入矩形 波導中，如圖l 一3 所示。為使能量能夠單方向傳輸，所以將波導一端( 圖中探針的左端) 短路，短路端與探釧間的距離為，。因為在矩形波導和微帶傳輸線中傳播的導波模式不 同，這樣兩個刁i 同類型的傳輸線連接在一起，因阻抗不連續(xù)必然產生反射。因此，阻抗 匹西己是轉接器的重要問題。適當調節(jié)h 和，可以得到令人滿意的匹配性能。 在綜合考慮設計的易實現(xiàn)性和實用性等各方面因素后，選擇了探針型波導一微帶轉 換器作為本設計的基本模型。設計在原有探針型波導一微帶轉換器基礎上，加入了段 長度與矩形波導壁厚度相等的同軸線段作為過渡，如圖1 4 ( a ) 所示。這段小型同軸線位 于二w r 一4 2 型矩形波導的e 平面波導壁中，其內導體圓心與波導寬邊中心線重合。在j 刊 軸線靠近矩形波導內腔的一端，同軸線內導體伸入矩形波導一適當深度b ，作為探針， 探針與波導短路壁的距離為，如圖1 4 ( b 1 所示。這樣便構成了常見的矩形波導同軸轉 換。在同軸線靠近微帶線的另一端，其內導體穿過基片，與基片表面的5 0 q 微帶線垂 直焊接，以構成同軸到微帶的轉換。至此便構成了矩形波導一同軸一微帶傳輸線結構形 式的探針型波導轉換系統(tǒng)。 6 東南大學碩士學位論文 糠幫攫 髓鞋凌釜片 粥鼉 字哉曩 l * ，j i 擎艄 摩乏 雨 i 軸! 圖l - 4 矩形波導一同軸一微帶轉換系統(tǒng)結構示意圖 需要注意的是： ( 1 ) 當選取適當?shù)耐S線尺寸比例，如圖l 一4 ( c ) 所示，使得同軸線與5 0 q 微帶線阻 抗匹配。 ( 2 ) 選取適當?shù)模cd 值，使得從同軸線向( 與波導) 連接處看去的阻抗接近于同軸 線特性阻抗，從而得到匹配。 ( 3 ) 由于w r 4 2 型矩形波導中只能傳輸珥。波，在轉換過程中，為了減小兇l 司軸線 高次模導波而產生的反射，必須對同軸線尺寸進行適當設定，以抑制高次模，使同軸線 達到t e m 單模傳輸。 ( 4 ) 為了提高封裝性能，減小電磁波泄漏，應在微帶線上方增加尺寸合適的屏蔽金 屬盒體，如圖1 4 f b l 所示。 卜4w r 一4 2 矩形波導分析 w r 一4 2 矩形波導的橫截面為封閉的金屬框，因此在其橫截面上不存在與靜態(tài)電磁場 相同的場分布，亦即v ；豆0 ，v ；霄o ，因而沿波導縱向( z 方向) 只能傳播t e 波或 t m 波，而不能傳播t e m 波。 由電磁波理論可知，矩形波導中導波的截止波i j = = 為： z 7 9 心2 瓦 2 空氣填充的w r 4 2 型矩形波導，波導尺寸a = 1 06 7 r a m ，6 = 43 1 8 m r n ( 波導尺寸查產品手冊可知) ，則 ( 以) 甌。= 2 b = 8 6 3 6 ( m m ) ( 五) 啦。= 甜21 06 7 ( m m ) 東南大學碩士學位論文 ( 疋) 強：= b = 43 1 8 ( r a m ) ( ，咆k 。= 番 8 ( 刪 對矩形波導t e 波或t m 波分析可知，對于不同模式的導波具有不同的截止頻率和 截止波長。只有工作頻率大于該模式的截止頻率的電磁波，亦即工作波長小于該的模式 截l 上波長的電磁波，才能在其中形成導波。，欲使導波在w r 一4 2 型波導中傳播，必須工 作頻率大于截止頻率( ， 正) ，或者工作波長小于截止波長( 兄 九) 。設計工作頻率為k 波段，那么由這里可以看出在工作波長范圍內只有，。波可以傳播，其他模式的導波均 被截止，事實上形成了碣。波的單校傳輸。 圖l - 5 矩形波導中珥。波的電場分翔 卜5 同軸線中的導波分析 同軸線在結構上屬于雙導體類的傳輸線，在橫截麗上能建立起與靜電場相似的電磁 場分布，因此在同軸線中可傳輸t e m 波，當然也可以傳輸。1 1 2 波或t m 波。究竟哪種模式 的導波能在同軸線中傳輸，決定于同軸線的尺寸和電磁場的頻率。 欲使導波在同軸線中傳播，必須滿足：丑 丸，由于在同軸線中，對于t e m 波 女，= 。= 。，則屯= 等。m ，所以，t e m 波成為同軸線中導波的主模。同軸線中t e m 波 的電磁場為 腳峨礬e 虬玩喪i n p 1 “ “_ 5 - 2 ) 、f 三= 其中如= 0 ，因此，t = = k = 歷 同軸線的特性阻抗與同軸線內外徑有關，在波導轉換器中必須選取適當?shù)某叽?，?膽 旦e ee 一 東南大學碩士學位論文 之與5 0 q 微帶線匹配。同軸線中除了傳輸t e m 波主模之外，當工作波長與同軸線尺寸 滿足一定關系時，其中也有可能傳輸t m 波與t e 波，因為在k 波段的工作頻率下，w r 4 2 型波導中只能傳輸陋波，在設計中，為了消除由于導波模式的不匹配而產生的反射以 盡可能的減小傳輸損耗，所以必須選擇合適的同軸線尺寸來抑制高次模的傳輸，保證1 1 e m 單模傳輸。 工作波長與同軸線尺寸關系應滿足： d 要( 6 + 酣) ( 1 - 5 3 ) 同軸線中t e m 波的截止波長為無限大，因此t e m 波為主模，在導波的高次模式中 截止波長最大的為陋模，因此欲使同軸線中導波單模工作，只要滿足： 1 6 探針激勵器的輸入阻抗 在同軸線一矩形波導激勵器中，利用格林函數(shù)法計算輸入阻抗。這種激勵結構如圖 1 6 所示。圖中同軸線內導體直徑為2 足，外導體內直徑為2 心。內導體經波導寬壁垂直 插入波導，形成一個激勵探針，其穿伸深度為h ，沿x 軸坐標為x 。a 波導一端短路，目 的是使功率向一個方向傳輸，短路面與探針距離為，。調整 ，l 及，三個尺寸，n j 使同 軸線的輸入阻抗等于同軸線的特性阻抗，從而獲得阻抗匹配。 圖1 6l 司軸波導激勵器 可以設定： l ，同軸線與波導寬壁的交接面上有一個環(huán)形裂縫，確保這個環(huán)形裂縫表面上場強均為 t e m 模，高次模式的導波均被抑制，其場強可以忽略不計。環(huán)形裂縫橫截面上同軸 線電壓為v ，電流為i ，輸入阻抗為z ， 故輸入復功率= 去w + = 寺z ，。1 邛 ( 1 - 6 1 ) 2 環(huán)型裂縫上等效磁流和等效電流產生的輻射可略去不計，當裂縫甚窄時這個假定是 成立的。 3 波導中各點場強由探針表面電流激發(fā)。探針表面電流密度按正弦分布 末南大學碩士學位論文 。) = 哆j m 。s i n k ( h 一兒) ( 1 6 2 ) 厶。、為腹點表面電流，y o 為探針表面各點沿y 軸坐標。：孥上式兩端乘2 療屬得探針 九 表面總電流為 ，( 。) = o ，f s i n k ( h y 。) ( 1 6 3 ) 當兒= 0 ，的環(huán)行裂縫平面上探針表面電流的校為，= l 。、s i n k h ( 卜6 4 ) 根掘上述設定，如果能設法找出探針表面電流產生的復功二簪，并令其等于式 ( 卜6 一1 ) ，則輸入阻抗可以求出。下面應用格林函數(shù)法求解。 由于場源電流l ，只有一個y 分量，故矢量磁位一。也只有一個y 分量爿。 刈于( ，y o ，乙) 點的單位電源來說，有 v ：爿。十女2 a 。= 一a ( x 一) 占( y 一) 占( z 一：o ) ( 1 - 6 5 ) 代表上式解的格林函數(shù)與下列齊次亥姆霍茲方程的解相似 v 2 爿。+ 后2 a 。= 0 ( 1 - 6 6 ) 因為在同一個波導內，邊界相同。上式可 j 分離變量法解出，分離系數(shù)根據(jù)邊界條件確 定，略去中問步驟，直接寫出結果如下： 當z 0 ，爿= ks i n 竺x c o s - 門7 石y e - j 以一 ( 1 6 7 ) 當z10 a 。：ks i n 竺x c o s 孚y e 脅 ( 1 - 6 8 ) 尾，為相移常數(shù)熊，= k 2 一( r a n ) 2 一( 竿) 2 ( 1 6 9 ) 故代表式( 1 6 - 5 ) 的解的格林函數(shù)為 當：o ，g ( ，z 。慨z ) = s i n 竺ax c 。s _ n 6 n ，v e w ( 1 - 6 1 0 ) 當刪，g ( x o 乩z 小川= c ： l 掃n 等砌s 等尸眠， 6 11 ) 住z o 范圍內，由于波導一端短路，產生全反射，既有正向波，又有反向波，故格林函 數(shù)為 g ( k ，y o ，己l y ，y ，。) ；j c 。s i n 竺x g o s 竿j ，s i n 尾，( ，+ z ) ( 1 6 1 2 ) 式中e ，。及d ：。為待定常數(shù)，他們是單位點源所在點坐標( x o ，y o ，z 。) 的函數(shù)。在探針兩側， 場強是連續(xù)的，故格林函數(shù)也是連續(xù)的，令z = 毛，式( 1 - 6 1 0 ) 與( 1 - 6 1 2 ) 相等，得 常數(shù)c ：。及d ：。有下列關系： j c 2s i n 盧。+ ，) = 跣。p 1 嘶 ( 1 - 6 1 3 ) 東南大學碩士學位論文 把式( 1 6 一1 0 ) 、( 1 6 - 1 1 ) 代八瓦( 1 - 6 - 1 2 幾且有 要o ；v 叫竺a ) 2 g等_ _ ( 2 g 一 洲“ 0 得( 蕓+ 羼。) g ：占( x - x o ) 莎( y - y 0 ) 占( = 一氣) ( 1 6 1 4 ) 對格林函數(shù)g 進行i f 弦和余弦的雙重變換，得 ( 參+ 成”) i o i ：) gs i n 等s 等砂痧 。彤， = e 知等s 了* t g _ y 砸一x o ) 8 ( y 強) 酢_ 蚴 令 啪) = r ：g s i n 等凇s 等腳( 1 - 6 1 6 ) 則式( 1 6 - 1 5 ) 化作 ( 筆+ 成。) 毛。( z ) = s i n 一# 7 吒c o s 竿虬a ( z - z o ) ( 1 毒17 ) 出a0 上式兩邊對z 積分，積分上、下限分別為z 。+ 及一a ，且- 0 ，得 生妒恒+ 成。g ( z 地= s i n 等c 。s t 舫y o ( 1 - 6 - 1 8 ) 由于探針場強g 連續(xù)，故矢量磁位4 ，格林函數(shù)g 以及g 的正弦和余弦雙重變換均連 續(xù)，故上式等號左端第二項等于零。式( 1 6 - 1 8 ) 化作 坐掣f ! ：s i n m 2 r x oc o s 2 ”- 虬 (1_619)i虎 。o ab ?！?4 - , 2 ( 1 ，6 - 1 0 ) 、( 1 6 - 1 2 ) 分別代入( 1 - 6 1 9 ) 得 當= ! z 。， “妒，r r 吼n 2 ( m 。丌x ) c o s2 ( 等咖1 。出妙( 1 - 6 - 2 0 ) = d 。e 一5 當；：。， 。，( ：) = j c ；。r r s l n 2 ( m 。萬r ) c o s 2 ( b y ) s l n 蹦z + o & d y ( 1 - 6 - 2 1 ) = j c 。s i n p 。( = + ，) 式中 。；d 2 旦2 e o 。巳一一一瓦a b ( 1 - 6 - 2 2 z p o ” 東南大學碩士學位論文 當t t = 0 ，e 0 。= 1 。當胛o ，e o 。= 2 。 式( 1 6 2 0 ) 、( 1 - 6 2 1 ) 對z 微分，得 生攀i五：一jfld,e-jaz 。u 掣卜- 0 砘巴一s m ”，) ( 1 6 - 2 3 ) ( 1 6 2 4 ) ( 1 6 2 5 ) 代入式( 1 6 - 1 8 ) 得 1 風陂。e 1 騙一c m , , c o s 7 j ”，) = s i n 等”s 等兒 ( 1 _ 6 - 2 6 ) 聯(lián)解式( 1 6 - 2 6 ) 與( 1 6 1 3 ) 得 c 刪 d i n 丟s i n 竺竿y o e - j x o c o s 蹦v ) 東郵了 了 ( i - 6 2 7 ) - - 麥e ) p = s i | - - 警v o s 了t 艫i n ( “) ( 1 - 6 _ 2 8 ) 上式代入( 1 - 6 2 2 ) 、( 1 - 6 。2 3 ) 求出c 。及d ：一然后由( 1 - 6 1 0 ) 及( 1 - 6 1 2 ) 得 矢量格林函數(shù)為： ：氣，石( _ ，y 。，z 。k y ，z ) ( 1 - 6 2 9 ) 一吼吼去喜喜等- j p - 7s i n c 。s 等兒s i n 等z c 。s 等歸n 風一c z o + 1 礦帆= ( 1 6 3 0 ) q ，吼去喜喜靜1 u s i n 等c 。s 了t fy 。s i n 等拋。s t ”y s , n 3 , 犯“矽腮 則波導內各點的矢量磁位a 。為 爿，= m j g ( g ，y o ，z 。，：) 戡( 1 - 6 - 3 1 ) 這單s 。為探針表面的面積，j 為探針表面電流密度，如式( 1 - 6 2 ) 所示，( x 。，y 。，z o ) 為 探針表面各點坐標，g 為格林函數(shù)，如式( 1 - 6 3 0 ) 所示。在下列兩個條件下，格林函 數(shù)可以簡化。 l ：探針輻射波的模式為矩形波導的主模珥。令m = 1 ，門= 0 代入( j 一6 - 2 9 ) 、( 1 6 3 0 ) 得到相應的格林函數(shù)如下： 東南大學碩士學位論文 當z z 0 當：z g ( x o ，y o ，z 。fz ，少，z ) = _ = ； p 一鷴。2s i n 三xs i n 互s i n 屬。( 毛+ ，弦一，矗f 口鶘。 盯a ” “”7 g ( x o ，y o ，：。j r ，y ，z ) = j 三_ g 一堝。7s i n 竺xs i n 蘭s i n 屈?？? ，弦7 n m 口6 崩。 日口” 、 ( 1 6 3 2 ) ( 1 6 3 3 ) 2 ： 設定探針較細。表面上各點坐標( x 。，y o ，乙) 皆可近似地用探針中心坐標代替。取 探針中心所在平而為z 軸起點，故z , 0 = 0 ，x 0 = x 。代入式( 1 - 6 3 2 ) 、( i - 6 3 3 ) ，到探 針表面的格林函數(shù)為 g = _ 二三8 8 。7s i n 2 ( 三x ) s i n 島o z( 1 - 6 3 4 ) a b 4 , 。 、口 為了找出探針表面向波導輻射的復功率，從而求出同軸線的輸入阻抗，必須先求 出探針表面的場強分量。式( 1 - 6 2 ) 指出，矢量磁位只有一個y 分量，即a 。，且由j 波源電流j 和格林函數(shù)均與觀察點坐標y 無關，故a 。岜與y 無關，即 塑：o ：氅：o 卻卻2 將上式代入式( 1 - 6 11 ) 、( 1 - 6 1 2 ) ，展開后得 e 。= 一j c o a ，巨= e = 0 ( 1 6 3 5 ) 以：土竽 “ 一：土墮 a 蕊 ( 1 6 3 6 ) 爿一20 【1 6 - 3 7 ) 探針表面向波導輻射的復功率等于同軸線輸入的復功率，故由式( 1 6 1 ) 得 i ，f = 吉f f 。( e 刪) ，娼( i - 6 - 3 8 ) 這里e ，h 為探針表面場強，a r 為表面單位法線矢最，方向從金屬指向空氣，以= 一1 1 。 為了計算方便起見，采用局部圓柱坐標如圖1 6 所示。探針表面各點坐標為( 喝，甄，y 。) ， d s o = 1 d 吼方。，令場強用圓柱坐標分量表示，得 苧亙查蘭塑主蘭絲堡苧 斟1 6 探針表面局部坐標 故 日；= 一d ；x a r ( e x h + ) ，= 毛；+ ：) q ( e ，h ：) q 由探針表面邊界條件得 一q 月：= ，： 則 圭乙，i ，1 22 圭f f 。( e x + ) q 蛾= 一圭l e ( a q d 咒 = 去n e 4 d s 。( 1 - 6 - 3 9 ) 拘式( 1 6 2 ) 、t 1 - 6 3 4 ) 代八( 1 - 6 3 1 ) 及( 1 6 3 5 ) ，得 弓= j c o a y j 掣屯。g r r 4 s i n k ( h y o ) n , d 妒o d y o 一掣i m , 。g 2 s i n2 ( 爭 由式( i - 6 3 9 ) ，得 丟互。 = 妻互。a x s i n z 砌 = i 島j h j2”。，m。sink(hyo)rld(口odyf,0 0 jj “ = 丟。( 氅22 “m 尼 、7 將( 】一6 - 4 0 ) 式代入上式，解出同軸線輸入阻抗表達式為 z ，。= j r + i x , 矗= 彘礬爭n 2 ( s - n 2 剛 ( 1 6 4 0 ) ( 1 6 4 1 ) ( i 一6 4 2 ) ( 1 6 。4 3 ) 論贏識n 2 ( s i n z 雕( 1 - 6 - 4 4 ) 卜7 微帶線和同軸線設計參數(shù)計算 根據(jù)工程常用材料設定，基片厚度為8 m i l ( 0 2 0 3 2 m m ) ，基片相對介電常數(shù)為3 3 8 ， 銅質導帶厚度2 m i l ( 0 0 5 0 8 m m ) ，介電常數(shù)為5 8 8 e 7 ，損耗角設為0 0 0 3 ，求得5 0 q 微帶 傳輸線寬為o 4 2 7 9 7 6 n 瑚。 東南大學碩士學位論文 麓 圖1 7 側視結構圖 這個起過渡作川的小型同軸探針位于 矩形波導寬邊中心線上，其長度等于金屬矩 形壁的厚度。如圖卜8 所示。其中位于同軸 線與矩形波導連接的一端的同軸線內導體， 作為探針伸入矩形波導內部，如同一個小天 線與矩形波導產生激勵作用。在與微帶線向 連接的另端，同軸線內導體通過微帶線基 片穿孔，與介質表面的金屬導帶進行焊接。 在這個波導轉換系統(tǒng)中，選取的是5 0 q 的微帶傳輸線，為了取得良好的匹配，同 軸線的特性阻抗必須為5 0 q 。在本設計中選擇r 相對介電常數(shù)為5 、在1 m h z 時介質損 f nn 耗角為3 0 1 0 。的玻璃作為填充材料。則將= 5 ，以及z 。= 5 0 代入式z 。= 半i n 蘭( 式 q s i d l - 7 1 ) 可得同軸線內外徑比值。又有前面分析可知道，要減小在傳播中由于電磁波模式 的不匹配而造成的反射，需要抑制在同軸線中高次模導波的傳輸，使同軸線t e m 單模 傳輸。要使同軸線t e m 單模傳輸必須滿足： 由同軸線理論知瑪z 波的截止頻率 ( = 疏2 c ( 1 其中c 為自由空問中的光速，因為最大工作頻率為k 波段，則可以設定( f ) ，= 2 5 g 地 代入式( 1 - 7 2 ) ，滿足這個條什的同軸線必可以保征同軸線在k 波段范圍實現(xiàn)單模傳輸。 在實際應用中，同軸結構的探針的參數(shù)是廠家給定的，我們選用的探針參數(shù)規(guī)格是 ( 單位：英、j ) ：同軸線的外直徑0 0 9 8 ，金屬探針直徑0 0 1 ，同軸線的壁厚0 0 17 。因 此，可以求出同軸線的特性阻抗為1 2 0 歐姆。( 同軸線介質暫時認為等同于普通玻璃) 。 根據(jù)阻抗匹配時，同軸線的特性阻抗等j j 同軸線的輸入阻抗，即z 。= 1 2 0 n ，可以 求出探針深入波導的深度為向= 21 0 6 r a m ，探針距離波導短路面的距離是50 2 7 r a m 。 卜8 h f s s 軟件優(yōu)化仿真 綜上l 一7 節(jié)和1 8 節(jié)所述，設計優(yōu)化選定的初值為：探針深入波導的深度為 自= 21 0 6 m m ，探針距離波導短路面的距離是50 2 7 m m 。 經過優(yōu)化仿真，探釗叫申入長度為21 1 8 m m ，距離短路壁的長度39 2 r a m 。 東南大學碩士學位論文 第二章低噪聲放大器的設計 信號進過信道傳輸，到達接收端的時候，已經受到很大衰減，附加了很多的噪聲。 在接收機前端中廣泛使用的低噪聲放大器，通常是接收系統(tǒng)中輸入信號經過的第一個器 件，負責從背景噪聲中拾取信號并放大到足夠的幅度，以便后面的電路對信號進行處理。 低噪聲放大器的性能決定了整個接收系統(tǒng)的靈敏度。為了達到一定的增益要求，通常低 噪聲放大器是多級級連的，增益與噪聲之間的關系可以用下面的式子來說明： f ，：f + 生二! + 塵三+ + ! 一，可以看出，增益與噪聲之間是相互聯(lián) “舢 g _ lg l gq 2g 】g j 2 g ( i 一 ) 系的，第一級放大器的噪聲系數(shù)對整個放大器的影響最大，同時為了減小系統(tǒng)的總噪聲 系數(shù)，要求每一級的增益盡可能的大。 2 一l 性能指標和器件選擇 總結要設計低噪聲放大器的關鍵指標如下： i )工作頻率k 波段 2 )帶寬 5 0 0m h z 3 ) 噪聲系數(shù) 2 4d b 設計低噪聲放大器的苒要工作是確定晶體管類型。通過從a g i le n t 產品于冊橫 l _ 比較可以看出，a t f 一3 6 0 7 7 是適合本設計要求的一種選擇。它能滿足設計的工作 頻率，噪聲，增葡要求，并且性價比高，在實際應用中有著廣泛應用。微波晶體管 的工作狀態(tài)是根據(jù)噪聲，增益和飽和輸出電平的要求來確定的。一般第一級低噪聲 放大器的晶體管工作點根據(jù)最小噪聲系數(shù)來選取最佳的工作電流，第二級從最佳增 益條件來考慮，保證有足夠的增益，同時還要兼顧噪聲。通過查閱a t f 一3 6 0 7 7 的工 作手冊可知，工作在k 。波段的靜態(tài)工作點可以選擇在v d s = i 5 v ，i d = 1 0 m i 。 2 - 2 電路的優(yōu)化 毆計微波晶體管放大器必須保證電路能穩(wěn)定的工作，不產生自激振蕩。這是設計時 首先要考慮的問題。7 將放火器視作一個二端口網絡，該網絡由s 參量和f 。和1 1s 確定。由于s 參黽對于 特定頻率是固定值，薪以對穩(wěn)定性有影響的參數(shù)就只有廠。和rs 。穩(wěn)定意味著反射系數(shù) 的模小于1 ，即： k i l ，岐l 1 r r , 。l = j 涮扎酬1 1 湍1 c ， 其中，；s 。，s 。一s ，。s 。以輸出端口為例，考察當負載反射系數(shù)f 。改變時f 。 東南大學碩士學位論文 的變化。將r l = 呼+ 砭代入lr ，。i = 1 ，整理可得輸出端口穩(wěn)定性判定圓的方程。輸入 端口穩(wěn)定性判定方法與之相同。 在is 。- 】 1 的條件下( 實際中，這一條件幾乎總是成立的) ，對穩(wěn)定區(qū)的判別可歸納 為：當穩(wěn)定性判別圓包含廠。平面的原點時，圓內的區(qū)域是穩(wěn)定區(qū)；當穩(wěn)定性判別圓不 包含r 。平面上的原點時，圓外區(qū)域是穩(wěn)定區(qū)。 絕對穩(wěn)定通常通過k 參數(shù)與一起判斷，如下式： 1 4 。，k ：型遼墨畢盟，。 2 i s l2 l s ! l l 本次設計采用的晶體管a t f 一3 6 0 7 7 在v j , = 1 5 v ，l 。= 1 0 m a ，s 參量如下 。f s l ls ，1 0 5 9 6 z5 19 5 。o0 9 9 z 9 15 。1 5 2 ks 2 。：廣b 6 z _ 1 0 1 1 。0 1 8 lz 1 0 5 6 。j 計算并畫出對應輸入輸山穩(wěn)定性判定圓如下圖： 三喜 i i “l(fā) 一 ! ； g s t e a 。b m i l i e t y t r f l c a s c f t a o b r , i | i t k vf a c l 。r s m u 。s o ur c ea n dm u l o a d 匭困 。釤 反 。礦 少 ， 051 0 52 02 53 0 f r e q g h p r ff r e q u e n c ys e l e c t o r 廠r 廠廠 丌廠 r r - 一一t r r 一，r i t t t 1 00 ( 3 0 50 0 g1 0 0 g1 50 g2 00 g2 50 g3 00 g 由 上圖可以看出，晶體管在工作頻段內絕對穩(wěn)定。在低頻穩(wěn)定性較差，必須通過添加穩(wěn) 定網絡加以糾正。 放大器的增益有多種定義，取決于觀察的角度。假設輸入輸出匹配網絡分別包含在 信號源和負載阻抗中，則電路系統(tǒng)可以簡化為下幽： e “ 其中，r 。和r 。分別為輸入反射系數(shù)和輸出反射系數(shù)。 東南大學碩士學位論文 在多級低噪聲放大器沒計中，第一級般采用輸入端最佳噪聲匹配，輸出端采用最 佳增益匹配，這樣可以在滿足噪聲要求的情況下，盡量取得較大的增益，后面的幾級一 般都采用最佳增益匹配，獲得盡可能大的增益。 下圖是a t f 一3 6 0 7 7 晶體管增益曲線?？梢钥闯?，在最佳噪聲匹配情況下可以獲得的 增益小于最佳增益匹配下的增益。這是因為犧牲了增益獲取低l 噪聲的原因。 05 1 0 15 2 02 53 0 f r e q g h z 對于低噪聲放大器來說，在低噪聲的前提下對信號進行放大是系統(tǒng)的基本要求。遺 憾的是，放大器的低噪聲要求與穩(wěn)定性、增益等相沖突。最小噪聲系數(shù)和最大增益就，1 i 能同時實現(xiàn)。 將兩端r 】有噪網絡等效為一個無噪網絡再加上兩個噪聲電流源i 。和i 。建立f 噪聲 模型如下圖： 有噪兩端口網絡和它的等效表示法 定義噪聲系數(shù)f 為網絡輸入口s n r 和網絡輸出i js n r 之間的比值。 f ：絲：塑 p 2 只2p 0 1 只 利用( ) 式中得到的資用功率增量g 。，將p 。和p 。表示為p 。= g 。p ，和p 。- g 。p 。+ p 。，則 噪聲系數(shù)可以表示為： p f = 1 + 二生 g 。只， 巧佰 oo囂m三罷正 一鸛驢 東南大學碩士學位論文 其中，p 。；是放大器內部產生的噪聲功率。上式經過推導，可以得到常用的兩端口放 大器的噪聲系數(shù)表達式： f ：，。+ 鼻阢 u 其中，f 是最小( 最佳) 噪聲系數(shù)，它與偏置條件和工作頻率有關。如果器件沒有 噪聲，則f 。i 。= l 。