教學講解課件第二章

毫米波通信技術劉發(fā)林電子工程與信息科學系2012年9月12日第二章、毫米波通信部件與器件中國科學技術大學研究生選修課ESD53021毫米波通信技術劉發(fā)林第二章、毫米波通信部件與器件中國科學技術第二章、毫米波通信部件與器件§2.1毫米波傳輸線及常用的無源器件2.1.1毫米波傳輸線

2.1.2常用的毫米波無源器件

§2.2接收設備2.2.1概述2.2.2低噪聲放大器（LNA）2.2.3下變頻器

§2.3發(fā)射設備

2.3.1概述2.3.2上變頻器2.3.3功率放大器

§2.4毫米波振蕩源

2.4.1概述2.4.2介質(zhì)諧振器穩(wěn)頻的毫米波振蕩器

2.4.3鎖相毫米波振蕩源2.4.4高穩(wěn)定參考源

§2.5調(diào)制器

2.5.1概述2.5.2移相鍵控（PSK）2.5.3多進制正交振幅調(diào)制（M-QAM）§

2.6開關和移相器2.6.1開關2.6.2移相器

2第二章、毫米波通信部件與器件§2.1毫米波傳輸線及常用的毫米波傳輸線§2.1毫米波傳輸線與無源器件導行電磁波的結構就是傳輸線（廣義的）同軸線（硬同軸線、SMA、K接頭等）波導（金屬、介質(zhì)、槽、NRD、H等）微帶線（共面線、槽線、微帶類等）傳輸損耗輻射損耗同軸線的高次模降低尺寸a和b提高工作頻率，但容量、接頭等受到限制3毫米波傳輸線§2.1毫米波傳輸線與無源器件導行電磁波的結構毫米波傳輸線§2.1毫米波傳輸線與無源器件考慮因素損耗、阻抗、Q值功率容量、體積成本、有源器件難易4毫米波傳輸線§2.1毫米波傳輸線與無源器件考慮因素4毫米波傳輸線§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.2若干毫米波傳輸線的工作頻率范圍102040GHz10020030157.5mm31.5同軸線矩形金屬波導加大尺寸矩形金屬波導H波導和槽波導微帶槽線、鰭線鏡象波導準光波導5毫米波傳輸線§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.2若傳輸線的基本概念及參數(shù)§2.1毫米波傳輸線與無源器件=相位常數(shù)；

衰減常數(shù)傳播常數(shù)無耗（理想）傳輸線一般傳輸線6傳輸線的基本概念及參數(shù)§2.1毫米波傳輸線與無源器件=相對于無耗傳輸線，當傳輸線長度為1/4波長奇數(shù)倍時，§2.1毫米波傳輸線與無源器件無耗（理想）傳輸線一般傳輸線當傳輸線長度為1/2波長整數(shù)倍時，反射系數(shù)為，駐波比（駐波系數(shù)）為，傳輸線的基本概念及參數(shù)7對于無耗傳輸線，當傳輸線長度為1/4波長奇數(shù)倍時，§2.1矩形波導——結構與場分布§2.1毫米波傳輸線與無源器件幾何結構TE10模式的電磁場分布8矩形波導——結構與場分布§2.1毫米波傳輸線與無源器件幾何矩形波導——主要參數(shù)§2.1毫米波傳輸線與無源器件波阻抗：波導中的波型阻抗，橫電場與橫磁場之比截止波長：

矩形波導具有“高通”性質(zhì)波導波長：相速群速9矩形波導——主要參數(shù)§2.1毫米波傳輸線與無源器件波阻抗：§2.1毫米波傳輸線與無源器件

表2.1若干國產(chǎn)矩形波導數(shù)據(jù)表波導型號主模頻率范圍(GHz)截止頻率(MHz)內(nèi)截面尺寸a(mm)內(nèi)截面尺寸b(mm)衰減(dB/m)頻率理論值GHz重量（kg/m）WJB-18014.5~22.01157112.966.4817.40.2380.38WJB-22017.6~26.71407110.675.3321.10.3700.30WJB-26021.7~33.0173578.644.3226.10.4350.26WJB-32026.4~40.4210777.1123.55631.60.5830.22

WJB－xxx代表中心頻率（100MHz）10§2.1毫米波傳輸線與無源器件§2.1毫米波傳輸線與無源器件表2.2國際標準的矩形波導尺寸及有關參數(shù)WR－xx代表尺寸a的百分之一英寸數(shù)或10mil數(shù)例如：WR-287.112/(25.4/100)=28WR-102.54/(25.4/100)=10

型號WR－內(nèi)尺寸(mm)abTE10模截止頻率（GHz）TE10模推薦工作頻率范圍（GHz）348.6364.31817.32822.0~33.0287.1123.55621.08126.0~40.0225.6902.84526.34233.0~50.0194.7752.38831.35740.0~60.0153.7591.88039.86350.0~75.0123.0991.54948.35060.0~90.0102.5401.27059.01075.0~110.0

11§2.1毫米波傳輸線與無源器件表2.2國際標準的矩形波導圓形波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件幾何結構TE11模式（最低次）的電磁場分布TE01模式的Q值最高，諧振腔常用；損耗小，遠距離傳輸12圓形波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件幾何結構TE11模式金屬槽波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件具有理論研究價值，實用較少Ka波段的比較結果衰減隨頻率增高而下降圖2.10主模TE11模的場圖旋轉(zhuǎn)900，類似于矩形波導的TE10模式13金屬槽波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件具有理論研究價值介質(zhì)波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖上：圓形介質(zhì)波導圖左：方形介質(zhì)波導及其場分布結構變?yōu)殚_放式易實現(xiàn)有源器件,耦合調(diào)試易行在mmw高端損耗低100GHz，Teflon，直徑1.46mm，損耗1.23dB/m直徑0.90mm，損耗0.19dB/m14介質(zhì)波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖上：圓形介質(zhì)波導H波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件LSM模式磁場平行于空氣介質(zhì)表面，Hx＝0LSE模式電場平行于空氣介質(zhì)表面，Ex＝015H波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件LSM模式磁場平行無輻射介質(zhì)(NRD)波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件通過適當選取H波導介質(zhì)條帶橫截面尺寸來抑制輻射。單模工作帶寬可與矩形波導比擬導體衰減隨頻率增高而下降，因無縱向電流的場圖16無輻射介質(zhì)(NRD)波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件通過毫米波集成傳輸線——介質(zhì)鏡像波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件介質(zhì)鏡像波導：有接地板，厚度尺寸減一半頻率越高，能量越集中在介質(zhì)內(nèi)部與接地板良好接觸（粘合）是難點介質(zhì)鏡像波導(a)方形(b)圓形17毫米波集成傳輸線——介質(zhì)鏡像波導§2.1毫米波傳輸線與無源毫米波集成傳輸線——微帶線§2.1毫米波傳輸線與無源器件微帶線：保角變換分析成功，可工作到60GHz頻率越高，越呈現(xiàn)出色散特性圖2.19微帶傳輸線（a）結構；（b）橫截面上的場圖18毫米波集成傳輸線——微帶線§2.1毫米波傳輸線與無源器件毫米波集成傳輸線——微帶類與共面波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.20倒置微帶線(a)和懸置微帶線(b)的結構。場集中于中間空氣中，衰減小。需要支撐（低損耗）圖2.21共面波導的結構準TEM波19毫米波集成傳輸線——微帶類與共面波導§2.1毫米波傳輸線與毫米波集成傳輸線——槽線§2.1毫米波傳輸線與無源器件與微帶線結構對偶，便于單面實現(xiàn)有源器件圖2.22槽線的結構及電磁場分布20毫米波集成傳輸線——槽線§2.1毫米波傳輸線與無源器件與毫米波集成傳輸線——鰭線§2.1毫米波傳輸線與無源器件鰭線Finline：波導與平面電路的完美結合易于實現(xiàn)多種有源無源器件（d）正面視圖舉例

21毫米波集成傳輸線——鰭線§2.1毫米波傳輸線與無源器件鰭毫米波波束波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件利用毫米波頻段的準光特性分析假設能量集中在主波束中傳輸合理選擇透鏡尺寸，降低繞射損耗波束波導：透鏡型和反射鏡型22毫米波波束波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件利用毫米波頻毫米波無源器件——傳輸匹配器件§2.1毫米波傳輸線與無源器件使得視在阻抗與源阻抗匹配，減小駐波。將毫米波功率有效傳送到終端負載理想狀態(tài)為共軛匹配：參考面選擇任意電抗部分抵消，電阻部分相等圖2.27阻抗匹配器的作用

23毫米波無源器件——傳輸匹配器件§2.1毫米波傳輸線與無源器毫米波無源器件——傳輸匹配器件§2.1毫米波傳輸線與無源器件連續(xù)性的匹配通常通過階梯近似分析：模式匹配(a)(b)(c)(d)圖2.28常用的毫米波匹配器：(a)階梯波導；(b)漸變波導；(c)微帶漸變線(中心帶條)；(d)微帶低通阻抗變換器(中心帶條)24毫米波無源器件——傳輸匹配器件§2.1毫米波傳輸線與無源器毫米波無源器件——傳輸匹配器件§2.1毫米波傳輸線與無源器件利用AA’面和BB’面上的兩部分反射波路徑差1/2波長，相抵僅在單個頻率點嚴格成立若則：匹配圖2.29單節(jié)1/4波長阻抗匹配器25毫米波無源器件——傳輸匹配器件§2.1毫米波傳輸線與無源器毫米波無源器件——傳輸匹配器件§2.1毫米波傳輸線與無源器件利用多段匹配，多次反射波相互抵消。減緩每一級匹配的梯度，中心頻率交叉可以增加頻帶寬度連續(xù)漸變型匹配電路需要階梯近似分析26毫米波無源器件——傳輸匹配器件§2.1毫米波傳輸線與無源器毫米波諧振器§2.1毫米波傳輸線與無源器件基本參數(shù)模式：最為重要，決定電磁場分布。中心頻率Q值：與損耗密切相關耦合電路金屬諧振器：計算簡單，Q值高介質(zhì)諧振器：有利于實現(xiàn)平面電路27毫米波諧振器§2.1毫米波傳輸線與無源器件基本參數(shù)金屬諧

部分毫米波諧振器§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.33若干毫米波諧振器結構28部分毫米波諧振器§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.33

部分毫米波諧振器§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.36矩形和圓柱形DR及其主模場分布29部分毫米波諧振器§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.36常用平面諧振器§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.3730常用平面諧振器§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.3730圖2.38圓形微帶諧振器TM110

模式場圖場強過于集中于兩端，電流匯聚，輻射面窄，輻射損耗小。適于做諧振器或濾波器，而不適于作為天線輻射單元所以平面天線陣元一般不選圓形§2.1毫米波傳輸線與無源器件31圖2.38圓形微帶諧振器TM110場強過于集中于兩端，電流毫米波諧振器與外電路的耦合只有與外電路發(fā)生作用，才能實際應用有通過式（雙端），反射式（單端）耦合、多口耦合能耦合出能量，而不（嚴重）破壞原來的模式分為：欠耦合：內(nèi)部損耗>外部損耗過耦合：內(nèi)部損耗<外部損耗臨界耦合:內(nèi)部損耗=外部損耗§2.1毫米波傳輸線與無源器件32毫米波諧振器與外電路的耦合只有與外電路發(fā)生作用，才能實際應用毫米波諧振器與外電路的耦合電場（電力線）耦合磁場（磁力線）耦合電磁場耦合§2.1毫米波傳輸線與無源器件33毫米波諧振器與外電路的耦合電場（電力線）耦合§2.1毫米波毫米波諧振器與外電路的耦合電場（電力線）耦合磁場（磁力線）耦合電磁場耦合§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.41諧振器與外部電路通過磁耦合的例子34毫米波諧振器與外電路的耦合電場（電力線）耦合§2.1毫米波毫米波諧振器與外電路的耦合電場（電力線）耦合磁場（磁力線）耦合電磁場耦合（a）波導型；（b）微帶型§2.1毫米波傳輸線與無源器件35毫米波諧振器與外電路的耦合電場（電力線）耦合§2.1毫米波分類：低通、帶通（阻）/高通最大平坦、切比雪夫、橢圓函數(shù)等不同結構與電路按照帶寬、調(diào)協(xié)、功率等也可分為多類要求：頻率范圍帶內(nèi)損耗阻帶衰減回波損耗（反射系數(shù)）寄生通帶群時延毫米波濾波器典型的集總參數(shù)低通濾波器的組成

§2.1毫米波傳輸線與無源器件低通、帶通、高通？36分類：毫米波濾波器典型的集總參數(shù)低通§2.1毫米波傳輸線與§2.1毫米波傳輸線與無源器件毫米波濾波器圖2.46常用毫米波帶通濾波器結構及性質(zhì)37§2.1毫米波傳輸線與無源器件毫米波濾波器圖2.46常用毫米波濾波器舉例§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.4738毫米波濾波器舉例§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.473§2.1毫米波傳輸線與無源器件毫米波濾波器39§2.1毫米波傳輸線與無源器件毫米波濾波器39K1K2Kn+1….半波長諧振器K1耦合電路或阻抗變換器器§2.1毫米波傳輸線與無源器件毫米波濾波器40K1K2Kn+1….半波長諧振器K1耦合電路或阻抗變換器器§微機械加工（MEMS）而成的微帶截面圖

理論相對成熟，結構不斷創(chuàng)新新發(fā)展：MEMS、LTCC、低溫超導等毫米波濾波器舉例§2.1毫米波傳輸線與無源器件41微機械加工（MEMS）而成的微帶截面圖理論相對成熟，結構定向耦合器、電橋、功分器耦合度：隔離度：方向性圖2.55定向耦合器示意圖§2.1毫米波傳輸線與無源器件42定向耦合器、電橋、功分器耦合度：圖2.55定向耦合器示意2口直通4口前向波路徑相同，耦合3口反向波相差半波長奇數(shù)倍，相互抵消，隔離定向耦合器、電橋、功分器§2.1毫米波傳輸線與無源器件432口直通定向耦合器、電橋、功分器§2.1毫米波傳輸線與無§2.1毫米波傳輸線與無源器件定向耦合器、電橋、功分器圖2.59二分支微帶定向耦合器可同理分析端口特性44§2.1毫米波傳輸線與無源器件定向耦合器、電橋、功分器圖2§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.62毫米波電橋結構舉例定向耦合器、電橋、功分器45§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.62毫米波電橋結構§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.63波導雙Tee與魔Tee定向耦合器、電橋、功分器由E－T和H—T組成適合于混頻、功率合成等多種場合一口輸入，總有另外兩口均分功率輸出，而第4口隔離，故稱魔T46§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.63波導雙Tee與12341口輸入，功率P1向兩邊平分，兩路P1/2信號在4口路徑差為1/2波長，相位差，相互抵消；在2口或3口路徑差為一個波長，相位差2，各有有P1/2功率輸出，而且相等。作業(yè)：試分析2口為激勵信號輸入口時，其他各口有無功率輸出，兩部分功率信號的相位差各為多少？微帶環(huán)行電橋§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.644712341口輸入，功率P1向兩邊平分，兩路P1/2信號在§2.1毫米波傳輸線與無源器件定向耦合器、電橋、功分器（a）為原理圖，（b）為常用電路，也稱Wilkinson功分器電阻R用于改善輸出端口的隔離度圖2.66微帶功分器的演變48§2.1毫米波傳輸線與無源器件定向耦合器、電橋、功分器（a§2.1毫米波傳輸線與無源器件模式（波型）變換器件又稱轉(zhuǎn)換器、過渡器等要求模式純度好，匹配、一定功率容量等以波導為主，有多種轉(zhuǎn)換裝置波導－同軸轉(zhuǎn)換檢波器方－圓波導轉(zhuǎn)換模式等圖2.67幾種模式變換器49§2.1毫米波傳輸線與無源器件模式（波型）變換器件又稱轉(zhuǎn)

接收機系統(tǒng)§2.2接收設備基本功能：

選頻放大、選頻分路、載波轉(zhuǎn)換、解調(diào)、解碼等圖2.68典型的FDMA接收設備的基本組成50接收機系統(tǒng)§2.2接收設備基本功能：圖2.68

接收機系統(tǒng)基本要求：

B1Hz1KHz1MHz1GHzPN-174dBm-144dBm-114dBm-94dBm常溫時，低噪聲：長距離傳輸衰減相當大，只有低噪聲接收系統(tǒng)才能正常工作帶寬適中、梯度（漏斗型）降低線性度好、增益穩(wěn)定雜散電平低§2.2接收設備51接收機系統(tǒng)基本要求：B1Hz1KHz1MHz1低噪聲放大器LNA等效噪聲溫度§2.2接收設備52低噪聲放大器LNA等效噪聲溫度§2.2接收設備52低噪聲放大器舉例三級[G]9dB9dB9dB級聯(lián)G8.08.08.0[NF]1dB1.2dB3dBNF1.261.322.0若第三級NF為6dB即4時，§2.2接收設備53低噪聲放大器舉例三級[G]9dB低噪聲放大器舉例工作于155GHz的單片集成LNA電路圖匹配段（扇形），直流供電電路、隔直電路噪聲與增益在各級之間的分配§2.2接收設備54低噪聲放大器舉例工作于155GHz的單片集成LNA電路圖下變頻器目的選擇有用信號便于放大到更高功率，且穩(wěn)定性強簡化后級（中頻）放大器設計和結構，利于標準化下變頻器基本方案一次變頻多次變頻一次變頻需要在本振附近實現(xiàn)極窄帶濾波器§2.2接收設備55下變頻器目的一次變頻需要在本振附近實現(xiàn)極窄帶濾波器§2.2下變頻器的幾種實現(xiàn)方案§2.2接收設備56下變頻器的幾種實現(xiàn)方案§2.2接收設備56LO陷波、RF陷波阻止串擾、提高隔離各有枝節(jié)匹配網(wǎng)絡圖2.75反向并接二極管對工作原理與混頻電路下變頻器舉例之一§2.2接收設備57LO陷波、RF陷波圖2.75反向并接二極管對下變頻器舉例之RFinLOIF1IF2IFout圖2.77鏡像抑制HEMT混頻器電路及其簡化原理圖下變頻器舉例之二§2.2接收設備上邊帶58RFinLOIF1IF2IFout圖2.77鏡像抑制HEM真實中頻經(jīng)電橋輸出同相相加鏡頻中頻經(jīng)電橋輸出反相相抵帶寬有限，僅在中心頻率滿足相位關系寬帶特性需要對多項指標進行權衡下變頻器舉例之二§2.2接收設備59真實中頻經(jīng)電橋輸出同相相加鏡頻中頻經(jīng)電橋輸出反相相抵帶寬有發(fā)射設備基本功能與要求產(chǎn)生足夠大的有用信號功率發(fā)射功率控制，防止飽和瞬時帶寬頻率范圍與穩(wěn)定度互調(diào)失真：功放的幅度、相位非線性引起帶外雜散抑制群時延等發(fā)射設備基本方案直接調(diào)制式：基帶調(diào)制變頻式：低頻調(diào)制、向上變頻倍頻式：考慮信號是否因此而失真?！?.2接收設備60發(fā)射設備基本功能與要求§2.2接收設備60

發(fā)射機分系統(tǒng)

發(fā)射機分系統(tǒng)主要由上變頻器、自動功率控制電路、發(fā)射合成裝置、激勵器和大功率放大器等組成。如圖所示。

§2.3發(fā)射設備發(fā)射分系統(tǒng)的組成61發(fā)射機分系統(tǒng)

§2.3發(fā)射設備發(fā)射分系統(tǒng)發(fā)射設備的構成類型§2.3發(fā)射設備

圖2.78發(fā)射設備的基本組成(a)直接式(b)變頻式(c)倍頻式

（a）

調(diào)制器

本

振

基帶信號

已調(diào)波

功

放

（b）

調(diào)制器

本

振

上變頻器

已調(diào)波

基帶信號

功

放

（c）

調(diào)制器

本

振

N倍頻器

基帶信號

已調(diào)波

功

放

62發(fā)射設備的構成類型§2.3發(fā)射設備圖2.78發(fā)射設備的毫米波PIN二極管基帶直接調(diào)制變頻器幅度調(diào)制器件用梁式引線PIN二極管在波導鰭線電路結構中實現(xiàn)低損耗介質(zhì)基片，雙指數(shù)過渡段完成高低阻抗變換，低通濾波抑制泄露。正反偏置控制毫米波通斷。SN74F04至PIN管或肖特基管圖左：毫米波電路圖圖下：高速驅(qū)動整型電路§2.3發(fā)射設備63毫米波PIN二極管基帶直接調(diào)制變頻器幅度調(diào)制器件用梁式引線P對地球站發(fā)射機的要求是比較高的,因為它發(fā)射和傳輸信號的路徑很長,接近4萬公里,對發(fā)射機要求高:發(fā)射機功率要大,一般都要求EIRPE大,它取決于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的G/T值、輸入功率密度WS、地球站用戶容量和天線增益等。頻帶寬度要大。載頻的精度要高。放大器的線性要好,增益要穩(wěn)定。在此部分的功率放大器一般都使用行波管或速調(diào)管,使之工作在微波毫米波頻段。為減小交調(diào)干擾,在多載波工作時,采取輸入/輸出補償,使其不工作在飽和點附近。上變頻器一般都采用參量變頻器,主要是噪聲小,而且有一定增益。由于變頻在微波段進行,本機振蕩器一般是采用微波固體振蕩器,而且頻率穩(wěn)定度要高?！?.3發(fā)射設備64對地球站發(fā)射機的要求是比較高的,因為它發(fā)射上變頻器目的頻譜線性搬遷到所需頻段控制雜散信號上變頻器基本構成變頻濾波(Optional)混頻器本振帶通濾波器中頻信號已調(diào)射頻信號圖2.79上變頻器的基本組成§2.3發(fā)射設備65上變頻器目的混頻器本振帶通濾波器中頻信號已調(diào)射頻信號圖2上變頻器又一例圖2.80一種利用單平衡混頻器的上變頻器及其簡化原理圖RF1IF1RFoutLOIF2RF2§2.3發(fā)射設備66上變頻器又一例圖2.80一種利用單平衡混頻器的上變頻器R差頻上變頻信號經(jīng)電橋輸出在RFout口同相相加在RF匹配負載口反相相抵帶寬有限，僅在中心頻率滿足相位關系寬帶特性需要對多項指標進行權衡§2.3發(fā)射設備67差頻上變頻信號經(jīng)電橋輸出在RFout口同相相加在RF匹配負載功率放大器作用與特點

毫米波通信發(fā)射設備的輸出大功率通過功率放大器完成放大器的特點主要是：（1）輸出功率大。從數(shù)十毫瓦乃至數(shù)百瓦，并要求高度穩(wěn)定。消耗直流功率較大，傳輸系統(tǒng)要有足夠的功率容量防漏輻射對其他設備的影響；為克服雨衰，要有足夠的功率冗余（備余量），需功率控制§2.3發(fā)射設備68功率放大器作用與特點毫米波通信發(fā)射設備的輸出大功率功率放大器作用與特點

（2）良好的線性。多載波工作時，功放的非線性將引起互調(diào)干擾；單載波工作時，功放的非線性將使已調(diào)波的頻譜展寬要正確選擇管子和工作點（3）模塊化和系列化提高通用性和標準化中、高功率放大器：一般用電真空器件行波管（TWT）等；中、小功率放大器：一般用半導體器件HEMT、HBT（異質(zhì)結晶體管）等?！?.3發(fā)射設備69功率放大器作用與特點（2）良好的線性?！?.3發(fā)射行波管放大器簡介

圖2.82行波管中毫米波信號的放大過程

§2.3發(fā)射設備70行波管放大器簡介圖2.82行波管中毫米波信號的放行波管放大器簡介

螺線管是慢波結構，螺線方向光速，等效徑向速度約為1/10光速。微波沿螺線管前進，對電子產(chǎn)生作用，存在不受力電子，其他電子向此處匯聚，形成群聚令未調(diào)電子束速度略大于電磁波相速度（徑向速度），此時，仍會產(chǎn)生群聚，群聚中心移到毫米波減速場處，毫米波從減速電子群獲得能量。表2.2幾種典型的毫米波TWTA的特性型號頻率（GHz）輸出功率增益（dB）效率914H915H819H30~31200W3530%43~45250W5030%54~566000W2025%§2.3發(fā)射設備71行波管放大器簡介螺線管是慢波結構，螺線方向光速，等效行波管放大器特性與工程化問題

特性mm-wave頻段功率百瓦到千瓦量級增益約幾十分貝效率30％左右工程化問題高壓供電，KV量級長壽命設計問題保護陰極、降低損耗、提高效率(>60%)小型化設計問題（星載要求）§2.3發(fā)射設備72行波管放大器特性與工程化問題特性§2.3發(fā)射設備7行波管放大器特性幅相§2.3發(fā)射設備圖2.83行波管放大器的AM/AM和AM/PM特性73行波管放大器特性幅相§2.3發(fā)射設備圖2.83行波管放毫米波固態(tài)功率放大器

優(yōu)點：可靠性高，尺寸、重量小相控陣單元必需用固放附加功率效率（PAE）較高提高功率的途徑：功率pHEMT管增加柵寬、并聯(lián)多個柵極功率HBT具有高電子遷移率、內(nèi)建漂移電場和速度過沖，渡越時間降低截止頻率fT較高功率密度較大，適于大功率要求§2.3發(fā)射設備74毫米波固態(tài)功率放大器優(yōu)點：§2.3發(fā)射設備74功率放大器作用與特點

圖2.86利用6單元芯片進行功率合成的HBTA24～26GHzPo=2.2W，PAE42%§2.3發(fā)射設備75功率放大器作用與特點圖2.86利用6單元芯片進行功率波導型功率放大器

圖2.87工作于24GHz的2ⅹ2功率放大器模塊波導中間上下各二路MMIC功放典型的波導與平面電路結合PAE18.1%Po3.3W§2.3發(fā)射設備76波導型功率放大器圖2.87工作于24GHz的毫米波振蕩源§2.4毫米波振蕩源用途上下變頻的LO、載波信號等分類Gunn振蕩器、DRO、HBT、HEMT等鎖相振蕩器、原子穩(wěn)頻振蕩器等。固定頻率、DDS、電調(diào)/機調(diào)源等要求一定的功率輸出較高的頻率穩(wěn)定度（通信）雜散低（相位噪聲）77毫米波振蕩源§2.4毫米波振蕩源用途77毫米波波導Gunn振蕩源常規(guī)縱桿結構左：頂壓，右：觸須接觸

BiasDiodeBiasDiode

VaractorBias改進橫桿結構左：Gunn源，右：VCO§2.4毫米波振蕩源78毫米波波導Gunn振蕩源常規(guī)縱桿結構BiasDiodeBi毫米HEMTDRO漏極輸出一部分通過磁力線耦合到柵極，作為正反饋輸入。44GHzDRO用于穩(wěn)頻r＝37§2.4毫米波振蕩源79毫米HEMTDRO漏極輸出一部分通過磁力線耦合到柵極，作為毫米波鎖相源高穩(wěn)定基準源＋VCO＝PLS圖2.90三種鎖相振蕩源電路原理圖§2.4毫米波振蕩源80毫米波鎖相源高穩(wěn)定基準源圖2.90三種鎖相振蕩源電路原理圖毫米波VCO(a)通過1/4波長耦合微帶線接入(b)通過1/4波長單微帶線接入圖2.92變?nèi)莨懿煌尤敕绞降腣CO電原理圖§2.4毫米波振蕩源81毫米波VCO(a)通過1/4高穩(wěn)定參考源其他如晶振（最基本）電調(diào)晶振、微波基準源等圖2.94銣原子頻率標準FE-5650A框圖§2.4毫米波振蕩源82高穩(wěn)定參考源其他如晶振（最基本）電調(diào)晶振、微波基高速調(diào)制結構該高速調(diào)制系統(tǒng)用砷化鎵低勢壘肖特基二極管完成調(diào)制功能。反向恢復時間極短。由與50歐姆匹配的高速驅(qū)動電路和調(diào)制器兩部分組成。調(diào)制器的核心元件是調(diào)制用二極管。而為了實現(xiàn)系統(tǒng)小型化，便于和波導電路聯(lián)接，我們采用了8mm鰭線。鰭線兼有波導的低損耗與平面電路易于實現(xiàn)兩大特點，單模帶寬較大，易于同波導、微帶等其他傳輸線相聯(lián)。設計變動容易。§2.5調(diào)制器83高速調(diào)制結構該高速調(diào)制系統(tǒng)用砷化鎵低勢壘肖特基二極管完成調(diào)制§2.5調(diào)制器調(diào)制器AM、PM、FM三種調(diào)制方式衛(wèi)星信道、毫米波信道恒包絡調(diào)制方式

原因：信道的非線性影響直接調(diào)制簡單，實現(xiàn)隨頻率增高而困難也可采用低頻調(diào)制再上變頻方式84§2.5調(diào)制器調(diào)制器AM、PM、FM三種調(diào)制方式84毫米波高速調(diào)制（AM）結構示意圖SN74F04至PIN管或肖特基管高速驅(qū)動整形電路示意圖§2.5調(diào)制器85毫米波高速調(diào)制（AM）結構示意圖SN74F04至PIN管或肖動態(tài)調(diào)制解調(diào)測試結果圖§2.5調(diào)制器86動態(tài)調(diào)制解調(diào)測試結果圖§2.5調(diào)制器86開關型PSK調(diào)制器§2.5調(diào)制器

載波輸入

基帶（脈沖）

信

號

已調(diào)波輸出

SW

（a）反射式PSK調(diào)制器

載波輸入

基帶（脈沖）信

號

已調(diào)波輸出

（b）傳輸式PSK調(diào)制器

l

圖2.95兩種路徑長度開關型PSK調(diào)制器87開關型PSK調(diào)制器§2.5調(diào)制器載波輸入基帶（脈沖）集成單平衡BPSK調(diào)制器§2.5調(diào)制器88集成單平衡BPSK調(diào)制器§2.5調(diào)制器88集成單平衡BPSK調(diào)制器-/+1-/+1+/-1+/-1§2.5調(diào)制器89集成單平衡BPSK調(diào)制器-/+1-/+1+/-1+/-1平衡QPSK調(diào)制器作業(yè)：仿照單平衡BPSK分析方法，請自行分析該電路的輸出?！?.5調(diào)制器圖2.99利用冷pHEMT構成的平衡QPSK調(diào)制器90平衡QPSK調(diào)制器作業(yè)：仿照單平衡BPSK分析方法，請自行分§2.6開關和移相器開關作用：用于控制信號的通斷主要考慮工作頻率和帶寬；開關接通時的插入損耗和斷開時的隔離度；開關速度；功率容量。輸入駐波比構成：PIN管或高速二極管、三極管91§2.6開關和移相器開關作用：用于控制信號的通斷91開關矩陣§2.6開關和移相器圖2.104用于

SS（星上交換）—TDMA的開關矩陣

92開關矩陣§2.6開關和移相器圖2.104用于SS（星上SPDT(SinglePoleDoubleThrow)單刀雙擲開關§2.6開關和移相器D1導通，D2斷開：1？2？D1斷開，D2導通：1？2？1斷2通1通2斷93SPDT(SinglePoleDoubleThrow開關FET電路§2.6開關和移相器圖2.106開關FET狀態(tài)與等效電路(a)通、斷狀態(tài)下的FET(b)完整的等效電路(c)簡化的等效電路左通、右斷狀態(tài)下的FET等效電路94開關FET電路§2.6開關和移相器圖2.106開關FET§2.6開關和移相器開關表2.5Ka~V頻段無源HEMTMMIC開關（SPDT）性能摘要器件MESFETMESFETMESFETGaAsHEMTHJEMTGaAsHEMT電路結構并聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)四分之一串-并；帶阻抗變換波長，并聯(lián)共用歐姆電網(wǎng)絡的并聯(lián)極工藝級數(shù)2222—2頻率范圍（GHz）20~4015~3056~6442~46DC~4053~61插損（dB）2(在40GHz)2~3<3.2<1.6<3.5<4隔離度（dB）25~28>20>2335~50>25>30芯片尺寸（mm2）_2×2.20.8×2.455×20.86×0.642×195§2.6開關和移相器開關表2.5Ka~V頻段無§2.6開關和移相器開關多級級聯(lián)實現(xiàn)高隔離度和寬帶特性圖2.10796§2.6開關和移相器開關多級級聯(lián)實現(xiàn)高隔離度和寬帶特性圖移相器§2.6開關和移相器構成：以開關陣列和不同路徑組成或用移相元件如變?nèi)莨芑蚩煽卮判推骷M成用途：波束控制與形成分類：模擬式與數(shù)字式指標要求：移相精度：相位誤差應在一定的容許范圍內(nèi)承受功率插入損耗：盡量減少插入駐波比響應速度：高速通信工作帶寬：寬帶通信97移相器§2.6開關和移相器構成：以開關陣列和不同路徑組成9模擬移相器§2.6開關和移相器圖2.108用混合電橋和變?nèi)莨軜嫵傻姆瓷湫鸵葡嗥髯內(nèi)荻O管輸入輸出變?nèi)荻O管98模擬移相器§2.6開關和移相器圖2.108用混合電橋和模擬移相器§2.6開關和移相器99模擬移相器§2.6開關和移相器99用雙平衡調(diào)制器構成的循環(huán)移相器§2.6開關和移相器ei(t)平衡調(diào)制器平衡調(diào)制器合路器混合電橋90000控制電路x=cosθy=sinθ相位控制信號θ輸出輸入

圖2.110循環(huán)移相器的組成e0(t)100用雙平衡調(diào)制器構成的循環(huán)移相器§2.6開關和移相器ei(t

l1

l2§2.6開關和移相器由四只PIN或其他開關二極管和長度為l1和l2兩段傳輸線組成，輸入RF信號在控制電壓作用下，可交替地通過兩條支路，其間的相位差由路徑差決定。開關線移相器圖2.111開關線移相器的組成101l2§2.6開關和移相器由§2.6開關和移相器數(shù)字式移相器圖2.1124bit數(shù)字式移相器示意圖0/450/1800/900/22.5開關控制電路00000100022.5…….1111337.5102§2.6開關和移相器數(shù)字式移相器圖2.1124bit數(shù)字毫米波與微波的異同之處毫米波與光波的異同之處分布式參數(shù)的概念元器件與系統(tǒng)的關系OPENQUESTIONS:103毫米波與微波的異同之處OPENQUESTIONS:103謝謝！104謝謝！104毫米波通信技術劉發(fā)林電子工程與信息科學系2012年9月12日第二章、毫米波通信部件與器件中國科學技術大學研究生選修課ESD5302105毫米波通信技術劉發(fā)林第二章、毫米波通信部件與器件中國科學技術第二章、毫米波通信部件與器件§2.1毫米波傳輸線及常用的無源器件2.1.1毫米波傳輸線

2.1.2常用的毫米波無源器件

§2.2接收設備2.2.1概述2.2.2低噪聲放大器（LNA）2.2.3下變頻器

§2.3發(fā)射設備

2.3.1概述2.3.2上變頻器2.3.3功率放大器

§2.4毫米波振蕩源

2.4.1概述2.4.2介質(zhì)諧振器穩(wěn)頻的毫米波振蕩器

2.4.3鎖相毫米波振蕩源2.4.4高穩(wěn)定參考源

§2.5調(diào)制器

2.5.1概述2.5.2移相鍵控（PSK）2.5.3多進制正交振幅調(diào)制（M-QAM）§

2.6開關和移相器2.6.1開關2.6.2移相器

106第二章、毫米波通信部件與器件§2.1毫米波傳輸線及常用的毫米波傳輸線§2.1毫米波傳輸線與無源器件導行電磁波的結構就是傳輸線（廣義的）同軸線（硬同軸線、SMA、K接頭等）波導（金屬、介質(zhì)、槽、NRD、H等）微帶線（共面線、槽線、微帶類等）傳輸損耗輻射損耗同軸線的高次模降低尺寸a和b提高工作頻率，但容量、接頭等受到限制107毫米波傳輸線§2.1毫米波傳輸線與無源器件導行電磁波的結構毫米波傳輸線§2.1毫米波傳輸線與無源器件考慮因素損耗、阻抗、Q值功率容量、體積成本、有源器件難易108毫米波傳輸線§2.1毫米波傳輸線與無源器件考慮因素4毫米波傳輸線§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.2若干毫米波傳輸線的工作頻率范圍102040GHz10020030157.5mm31.5同軸線矩形金屬波導加大尺寸矩形金屬波導H波導和槽波導微帶槽線、鰭線鏡象波導準光波導109毫米波傳輸線§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.2若傳輸線的基本概念及參數(shù)§2.1毫米波傳輸線與無源器件=相位常數(shù)；

衰減常數(shù)傳播常數(shù)無耗（理想）傳輸線一般傳輸線110傳輸線的基本概念及參數(shù)§2.1毫米波傳輸線與無源器件=相對于無耗傳輸線，當傳輸線長度為1/4波長奇數(shù)倍時，§2.1毫米波傳輸線與無源器件無耗（理想）傳輸線一般傳輸線當傳輸線長度為1/2波長整數(shù)倍時，反射系數(shù)為，駐波比（駐波系數(shù)）為，傳輸線的基本概念及參數(shù)111對于無耗傳輸線，當傳輸線長度為1/4波長奇數(shù)倍時，§2.1矩形波導——結構與場分布§2.1毫米波傳輸線與無源器件幾何結構TE10模式的電磁場分布112矩形波導——結構與場分布§2.1毫米波傳輸線與無源器件幾何矩形波導——主要參數(shù)§2.1毫米波傳輸線與無源器件波阻抗：波導中的波型阻抗，橫電場與橫磁場之比截止波長：

矩形波導具有“高通”性質(zhì)波導波長：相速群速113矩形波導——主要參數(shù)§2.1毫米波傳輸線與無源器件波阻抗：§2.1毫米波傳輸線與無源器件

表2.1若干國產(chǎn)矩形波導數(shù)據(jù)表波導型號主模頻率范圍(GHz)截止頻率(MHz)內(nèi)截面尺寸a(mm)內(nèi)截面尺寸b(mm)衰減(dB/m)頻率理論值GHz重量（kg/m）WJB-18014.5~22.01157112.966.4817.40.2380.38WJB-22017.6~26.71407110.675.3321.10.3700.30WJB-26021.7~33.0173578.644.3226.10.4350.26WJB-32026.4~40.4210777.1123.55631.60.5830.22

WJB－xxx代表中心頻率（100MHz）114§2.1毫米波傳輸線與無源器件§2.1毫米波傳輸線與無源器件表2.2國際標準的矩形波導尺寸及有關參數(shù)WR－xx代表尺寸a的百分之一英寸數(shù)或10mil數(shù)例如：WR-287.112/(25.4/100)=28WR-102.54/(25.4/100)=10

型號WR－內(nèi)尺寸(mm)abTE10模截止頻率（GHz）TE10模推薦工作頻率范圍（GHz）348.6364.31817.32822.0~33.0287.1123.55621.08126.0~40.0225.6902.84526.34233.0~50.0194.7752.38831.35740.0~60.0153.7591.88039.86350.0~75.0123.0991.54948.35060.0~90.0102.5401.27059.01075.0~110.0

115§2.1毫米波傳輸線與無源器件表2.2國際標準的矩形波導圓形波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件幾何結構TE11模式（最低次）的電磁場分布TE01模式的Q值最高，諧振腔常用；損耗小，遠距離傳輸116圓形波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件幾何結構TE11模式金屬槽波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件具有理論研究價值，實用較少Ka波段的比較結果衰減隨頻率增高而下降圖2.10主模TE11模的場圖旋轉(zhuǎn)900，類似于矩形波導的TE10模式117金屬槽波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件具有理論研究價值介質(zhì)波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖上：圓形介質(zhì)波導圖左：方形介質(zhì)波導及其場分布結構變?yōu)殚_放式易實現(xiàn)有源器件,耦合調(diào)試易行在mmw高端損耗低100GHz，Teflon，直徑1.46mm，損耗1.23dB/m直徑0.90mm，損耗0.19dB/m118介質(zhì)波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖上：圓形介質(zhì)波導H波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件LSM模式磁場平行于空氣介質(zhì)表面，Hx＝0LSE模式電場平行于空氣介質(zhì)表面，Ex＝0119H波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件LSM模式磁場平行無輻射介質(zhì)(NRD)波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件通過適當選取H波導介質(zhì)條帶橫截面尺寸來抑制輻射。單模工作帶寬可與矩形波導比擬導體衰減隨頻率增高而下降，因無縱向電流的場圖120無輻射介質(zhì)(NRD)波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件通過毫米波集成傳輸線——介質(zhì)鏡像波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件介質(zhì)鏡像波導：有接地板，厚度尺寸減一半頻率越高，能量越集中在介質(zhì)內(nèi)部與接地板良好接觸（粘合）是難點介質(zhì)鏡像波導(a)方形(b)圓形121毫米波集成傳輸線——介質(zhì)鏡像波導§2.1毫米波傳輸線與無源毫米波集成傳輸線——微帶線§2.1毫米波傳輸線與無源器件微帶線：保角變換分析成功，可工作到60GHz頻率越高，越呈現(xiàn)出色散特性圖2.19微帶傳輸線（a）結構；（b）橫截面上的場圖122毫米波集成傳輸線——微帶線§2.1毫米波傳輸線與無源器件毫米波集成傳輸線——微帶類與共面波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.20倒置微帶線(a)和懸置微帶線(b)的結構。場集中于中間空氣中，衰減小。需要支撐（低損耗）圖2.21共面波導的結構準TEM波123毫米波集成傳輸線——微帶類與共面波導§2.1毫米波傳輸線與毫米波集成傳輸線——槽線§2.1毫米波傳輸線與無源器件與微帶線結構對偶，便于單面實現(xiàn)有源器件圖2.22槽線的結構及電磁場分布124毫米波集成傳輸線——槽線§2.1毫米波傳輸線與無源器件與毫米波集成傳輸線——鰭線§2.1毫米波傳輸線與無源器件鰭線Finline：波導與平面電路的完美結合易于實現(xiàn)多種有源無源器件（d）正面視圖舉例

125毫米波集成傳輸線——鰭線§2.1毫米波傳輸線與無源器件鰭毫米波波束波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件利用毫米波頻段的準光特性分析假設能量集中在主波束中傳輸合理選擇透鏡尺寸，降低繞射損耗波束波導：透鏡型和反射鏡型126毫米波波束波導§2.1毫米波傳輸線與無源器件利用毫米波頻毫米波無源器件——傳輸匹配器件§2.1毫米波傳輸線與無源器件使得視在阻抗與源阻抗匹配，減小駐波。將毫米波功率有效傳送到終端負載理想狀態(tài)為共軛匹配：參考面選擇任意電抗部分抵消，電阻部分相等圖2.27阻抗匹配器的作用

127毫米波無源器件——傳輸匹配器件§2.1毫米波傳輸線與無源器毫米波無源器件——傳輸匹配器件§2.1毫米波傳輸線與無源器件連續(xù)性的匹配通常通過階梯近似分析：模式匹配(a)(b)(c)(d)圖2.28常用的毫米波匹配器：(a)階梯波導；(b)漸變波導；(c)微帶漸變線(中心帶條)；(d)微帶低通阻抗變換器(中心帶條)128毫米波無源器件——傳輸匹配器件§2.1毫米波傳輸線與無源器毫米波無源器件——傳輸匹配器件§2.1毫米波傳輸線與無源器件利用AA’面和BB’面上的兩部分反射波路徑差1/2波長，相抵僅在單個頻率點嚴格成立若則：匹配圖2.29單節(jié)1/4波長阻抗匹配器129毫米波無源器件——傳輸匹配器件§2.1毫米波傳輸線與無源器毫米波無源器件——傳輸匹配器件§2.1毫米波傳輸線與無源器件利用多段匹配，多次反射波相互抵消。減緩每一級匹配的梯度，中心頻率交叉可以增加頻帶寬度連續(xù)漸變型匹配電路需要階梯近似分析130毫米波無源器件——傳輸匹配器件§2.1毫米波傳輸線與無源器毫米波諧振器§2.1毫米波傳輸線與無源器件基本參數(shù)模式：最為重要，決定電磁場分布。中心頻率Q值：與損耗密切相關耦合電路金屬諧振器：計算簡單，Q值高介質(zhì)諧振器：有利于實現(xiàn)平面電路131毫米波諧振器§2.1毫米波傳輸線與無源器件基本參數(shù)金屬諧

部分毫米波諧振器§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.33若干毫米波諧振器結構132部分毫米波諧振器§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.33

部分毫米波諧振器§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.36矩形和圓柱形DR及其主模場分布133部分毫米波諧振器§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.36常用平面諧振器§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.37134常用平面諧振器§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.3730圖2.38圓形微帶諧振器TM110

模式場圖場強過于集中于兩端，電流匯聚，輻射面窄，輻射損耗小。適于做諧振器或濾波器，而不適于作為天線輻射單元所以平面天線陣元一般不選圓形§2.1毫米波傳輸線與無源器件135圖2.38圓形微帶諧振器TM110場強過于集中于兩端，電流毫米波諧振器與外電路的耦合只有與外電路發(fā)生作用，才能實際應用有通過式（雙端），反射式（單端）耦合、多口耦合能耦合出能量，而不（嚴重）破壞原來的模式分為：欠耦合：內(nèi)部損耗>外部損耗過耦合：內(nèi)部損耗<外部損耗臨界耦合:內(nèi)部損耗=外部損耗§2.1毫米波傳輸線與無源器件136毫米波諧振器與外電路的耦合只有與外電路發(fā)生作用，才能實際應用毫米波諧振器與外電路的耦合電場（電力線）耦合磁場（磁力線）耦合電磁場耦合§2.1毫米波傳輸線與無源器件137毫米波諧振器與外電路的耦合電場（電力線）耦合§2.1毫米波毫米波諧振器與外電路的耦合電場（電力線）耦合磁場（磁力線）耦合電磁場耦合§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.41諧振器與外部電路通過磁耦合的例子138毫米波諧振器與外電路的耦合電場（電力線）耦合§2.1毫米波毫米波諧振器與外電路的耦合電場（電力線）耦合磁場（磁力線）耦合電磁場耦合（a）波導型；（b）微帶型§2.1毫米波傳輸線與無源器件139毫米波諧振器與外電路的耦合電場（電力線）耦合§2.1毫米波分類：低通、帶通（阻）/高通最大平坦、切比雪夫、橢圓函數(shù)等不同結構與電路按照帶寬、調(diào)協(xié)、功率等也可分為多類要求：頻率范圍帶內(nèi)損耗阻帶衰減回波損耗（反射系數(shù)）寄生通帶群時延毫米波濾波器典型的集總參數(shù)低通濾波器的組成

§2.1毫米波傳輸線與無源器件低通、帶通、高通？140分類：毫米波濾波器典型的集總參數(shù)低通§2.1毫米波傳輸線與§2.1毫米波傳輸線與無源器件毫米波濾波器圖2.46常用毫米波帶通濾波器結構及性質(zhì)141§2.1毫米波傳輸線與無源器件毫米波濾波器圖2.46常用毫米波濾波器舉例§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.47142毫米波濾波器舉例§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.473§2.1毫米波傳輸線與無源器件毫米波濾波器143§2.1毫米波傳輸線與無源器件毫米波濾波器39K1K2Kn+1….半波長諧振器K1耦合電路或阻抗變換器器§2.1毫米波傳輸線與無源器件毫米波濾波器144K1K2Kn+1….半波長諧振器K1耦合電路或阻抗變換器器§微機械加工（MEMS）而成的微帶截面圖

理論相對成熟，結構不斷創(chuàng)新新發(fā)展：MEMS、LTCC、低溫超導等毫米波濾波器舉例§2.1毫米波傳輸線與無源器件145微機械加工（MEMS）而成的微帶截面圖理論相對成熟，結構定向耦合器、電橋、功分器耦合度：隔離度：方向性圖2.55定向耦合器示意圖§2.1毫米波傳輸線與無源器件146定向耦合器、電橋、功分器耦合度：圖2.55定向耦合器示意2口直通4口前向波路徑相同，耦合3口反向波相差半波長奇數(shù)倍，相互抵消，隔離定向耦合器、電橋、功分器§2.1毫米波傳輸線與無源器件1472口直通定向耦合器、電橋、功分器§2.1毫米波傳輸線與無§2.1毫米波傳輸線與無源器件定向耦合器、電橋、功分器圖2.59二分支微帶定向耦合器可同理分析端口特性148§2.1毫米波傳輸線與無源器件定向耦合器、電橋、功分器圖2§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.62毫米波電橋結構舉例定向耦合器、電橋、功分器149§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.62毫米波電橋結構§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.63波導雙Tee與魔Tee定向耦合器、電橋、功分器由E－T和H—T組成適合于混頻、功率合成等多種場合一口輸入，總有另外兩口均分功率輸出，而第4口隔離，故稱魔T150§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.63波導雙Tee與12341口輸入，功率P1向兩邊平分，兩路P1/2信號在4口路徑差為1/2波長，相位差，相互抵消；在2口或3口路徑差為一個波長，相位差2，各有有P1/2功率輸出，而且相等。作業(yè)：試分析2口為激勵信號輸入口時，其他各口有無功率輸出，兩部分功率信號的相位差各為多少？微帶環(huán)行電橋§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.6415112341口輸入，功率P1向兩邊平分，兩路P1/2信號在§2.1毫米波傳輸線與無源器件定向耦合器、電橋、功分器（a）為原理圖，（b）為常用電路，也稱Wilkinson功分器電阻R用于改善輸出端口的隔離度圖2.66微帶功分器的演變152§2.1毫米波傳輸線與無源器件定向耦合器、電橋、功分器（a§2.1毫米波傳輸線與無源器件模式（波型）變換器件又稱轉(zhuǎn)換器、過渡器等要求模式純度好，匹配、一定功率容量等以波導為主，有多種轉(zhuǎn)換裝置波導－同軸轉(zhuǎn)換檢波器方－圓波導轉(zhuǎn)換模式等圖2.67幾種模式變換器153§2.1毫米波傳輸線與無源器件模式（波型）變換器件又稱轉(zhuǎn)

接收機系統(tǒng)§2.2接收設備基本功能：

選頻放大、選頻分路、載波轉(zhuǎn)換、解調(diào)、解碼等圖2.68典型的FDMA接收設備的基本組成154接收機系統(tǒng)§2.2接收設備基本功能：圖2.68

接收機系統(tǒng)基本要求：

B1Hz1KHz1MHz1GHzPN-174dBm-144dBm-114dBm-94dBm常溫時，低噪聲：長距離傳輸衰減相當大，只有低噪聲接收系統(tǒng)才能正常工作帶寬適中、梯度（漏斗型）降低線性度好、增益穩(wěn)定雜散電平低§2.2接收設備155接收機系統(tǒng)基本要求：B1Hz1KHz1MHz1低噪聲放大器LNA等效噪聲溫度§2.2接收設備156低噪聲放大器LNA等效噪聲溫度§2.2接收設備52低噪聲放大器舉例三級[G]9dB9dB9dB級聯(lián)G8.08.08.0[NF]1dB1.2dB3dBNF1.261.322.0若第三級NF為6dB即4時，§2.2接收設備157低噪聲放大器舉例三級[G]9dB低噪聲放大器舉例工作于155GHz的單片集成LNA電路圖匹配段（扇形），直流供電電路、隔直電路噪聲與增益在各級之間的分配§2.2接收設備158低噪聲放大器舉例工作于155GHz的單片集成LNA電路圖下變頻器目的選擇有用信號便于放大到更高功率，且穩(wěn)定性強簡化后級（中頻）放大器設計和結構，利于標準化下變頻器基本方案一次變頻多次變頻一次變頻需要在本振附近實現(xiàn)極窄帶濾波器§2.2接收設備159下變頻器目的一次變頻需要在本振附近實現(xiàn)極窄帶濾波器§2.2下變頻器的幾種實現(xiàn)方案§2.2接收設備160下變頻器的幾種實現(xiàn)方案§2.2接收設備56LO陷波、RF陷波阻止串擾、提高隔離各有枝節(jié)匹配網(wǎng)絡圖2.75反向并接二極管對工作原理與混頻電路下變頻器舉例之一§2.2接收設備161LO陷波、RF陷波圖2.75反向并接二極管對下變頻器舉例之RFinLOIF1IF2IFout圖2.77鏡像抑制HEMT混頻器電路及其簡化原理圖下變頻器舉例之二§2.2接收設備上邊帶162RFinLOIF1IF2IFout圖2.77鏡像抑制HEM真實中頻經(jīng)電橋輸出同相相加鏡頻中頻經(jīng)電橋輸出反相相抵帶寬有限，僅在中心頻率滿足相位關系寬帶特性需要對多項指標進行權衡下變頻器舉例之二§2.2接收設備163真實中頻經(jīng)電橋輸出同相相加鏡頻中頻經(jīng)電橋輸出反相相抵帶寬有發(fā)射設備基本功能與要求產(chǎn)生足夠大的有用信號功率發(fā)射功率控制，防止飽和瞬時帶寬頻率范圍與穩(wěn)定度互調(diào)失真：功放的幅度、相位非線性引起帶外雜散抑制群時延等發(fā)射設備基本方案直接調(diào)制式：基帶調(diào)制變頻式：低頻調(diào)制、向上變頻倍頻式：考慮信號是否因此而失真。§2.2接收設備164發(fā)射設備基本功能與要求§2.2接收設備60

發(fā)射機分系統(tǒng)

發(fā)射機分系統(tǒng)主要由上變頻器、自動功率控制電路、發(fā)射合成裝置、激勵器和大功率放大器等組成。如圖所示。

§2.3發(fā)射設備發(fā)射分系統(tǒng)的組成165發(fā)射機分系統(tǒng)

§2.3發(fā)射設備發(fā)射分系統(tǒng)發(fā)射設備的構成類型§2.3發(fā)射設備

圖2.78發(fā)射設備的基本組成(a)直接式(b)變頻式(c)倍頻式

（a）

調(diào)制器

本

振

基帶信號

已調(diào)波

功

放

（b）

調(diào)制器

本

振

上變頻器

已調(diào)波

基帶信號

功

放

（c）

調(diào)制器

本

振

N倍頻器

基帶信號

已調(diào)波

功

放

166發(fā)射設備的構成類型§2.3發(fā)射設備圖2.78發(fā)射設備的毫米波PIN二極管基帶直接調(diào)制變頻器幅度調(diào)制器件用梁式引線PIN二極管在波導鰭線電路結構中實現(xiàn)低損耗介質(zhì)基片，雙指數(shù)過渡段完成高低阻抗變換，低通濾波抑制泄露。正反偏置控制毫米波通斷。SN74F04至PIN管或肖特基管圖左：毫米波電路圖圖下：高速驅(qū)動整型電路§2.3發(fā)射設備167毫米波PIN二極管基帶直接調(diào)制變頻器幅度調(diào)制器件用梁式引線P對地球站發(fā)射機的要求是比較高的,因為它發(fā)射和傳輸信號的