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 ESD53022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
2、.5.2移相键控（PSK）2.5.3 多进制正交振幅调制（M-QAM）2.6 开关和移相器 2.6.1 开关 2.6.2移相器 3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、接头等受到限制模11)(TEabrc4毫米波传输线2.1 毫米波传输线与无源器件 图 2.1 一些常用的毫米波传输线结构 考虑因素损耗、阻抗、Q值功率容量、体积成本、有源器件难易5毫米波传输线2.1 毫米
3、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10 20 40 GHz 100 20030 15 7.5 mm 3 1.5 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6传输线的基本概念及参数2.1 毫米波传输线与无源器件lleEE0=相位常数；衰减常数 j传播常数 )(CjGLjRCjGLjRZ0ljleEE0j)LCjCLZ 0无耗（理想）传输线一般传输线7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lZZlZZZZLLta
4、nhtanh000ljZZljZZZZLLtantan000无耗（理想）传输线一般传输线lZZZ/20当传输线长度为1/2波长整数倍时，lZZ 00ZZZZLL反射系数为，驻波比（驻波系数）为，11传输线的基本概念及参数8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9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：矩形波导具有“高通”性质波导波长：20)(10cg相速 群速ccgp0/ccgg/022)/()/(/2/2bnamkcc102.1 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
5、 导导型型 号号主模频率主模频率范围范围(GHz)截截 止止频率频率(MHz)内 截 面内 截 面尺寸尺寸a(mm)内 截 面内 截 面尺寸尺寸b(mm)衰减衰减(dB/m)频率频率 理论值理论值GHz重重 量量（kg/m）W J B-18014.522.01157112.966.4817.4 0.2380.38W J B-22017.626.71407110.675.3321.1 0.3700.30W J B-26021.733.0173578.644.3226.1 0.4350.26W J B-32026.440.4210777.1123.55631.6 0.583 0.22 WJBxxx
6、 代表中心频率（100MHz）112.1 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)a b TE1 0模截模截止频率止频率（GHz）TE10模推荐模推荐工作频率范工作频率范围（围（GHz）34 8.636 4.318 17.328 22.0 33.0287.112 3.556 21.081 26.0 40.0225.690 2.845 26.342 33.0 50.019 4.7
7、75 2.388 31.357 40.0 60.0153.759 1.880 39.863 50.0 75.0123.099 1.549 48.350 60.0 90.0 102.540 1.270 59.010 75.0 110.0 12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13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n Ka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14介质波导2.1 毫米波传输线与无源
8、器件图上：圆形介质波导图左：方形介质波导及其场分布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/m15H波导2.1 毫米波传输线与无源器件n LSM模式 磁场平行于空气介质表面，Hx0n LSE模式 电场平行于空气介质表面，Ex016无辐射介质(NRD)波导2.1 毫米波传输线与无源器件oLSM11021bn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17毫米波集成传输线介质镜像波导2
9、.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，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18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19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20毫米波集成传输线槽线2.1 毫
10、米波传输线与无源器件 图 2.22 槽线的结构及电磁场分布 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21毫米波集成传输线鳍线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 图 2.24 三种鳍线横截面结构图（a）单鳍线；（b）对称鳍线；（c）正反对鳍线（d）正面视图举例 22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
11、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*LsZZ 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 连续性的匹配通常通过阶梯近似分析：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)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
12、配 图2.29 单节1/4波长阻抗匹配器lcZZZ0126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 27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：最为重要，决定电磁场分布。n 中心频率n Q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2.33 若干毫米波谐振器结构29 部分毫米波谐振器部分毫米波谐振器
13、2.1 毫米波传输线与无源器件 图 2.46 矩形和圆柱形 DR 及其主模场分布 图2.36 矩形和圆柱形DR及其主模场分布30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 (e)(f)(g)(h)图 2.50 常用的平面谐振器(a)半波长微带谐振器；(b)环形微带谐振器；(c)半波长槽线谐振器；(d)环形槽线谐振器；(e)圆形微带谐振器；(f)矩形微带谐振器；(g)扇形微带谐振器；(h)三角形微带谐振器 图2.3731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
14、阵元一般不选圆形Dcfr841.102.1 毫米波传输线与无源器件32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73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74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
15、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 功率密度较大，适于大功率要求2.3 发射设备75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HBTAn 2426GHzn Po=2.2W，PAE 42%2.3 发射设备76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n PAE 18.1%n Po 3.3W2.3 发射设备77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n Gunn振荡器、DRO、HBT、HEMT等n 锁相振荡器、原子稳
16、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）78毫米波波导Gunn振荡源常规纵杆结构左：顶压，右：触须接触 BiasDiodeBiasDiode Varactor Bias改进横杆结构左：Gunn源，右：VCO2.4 毫米波振荡源79毫米HEMT DRO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80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81毫米波VCO (a)通过1/4波长耦合微带线接入 (b)通过1/4波
17、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82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FE-5650A框图 2.4 毫米波振荡源83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842.5 调制器调制器
18、n AM、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85毫米波高速调制（AM）结构示意图R1R2D1D2ModuSN74F04至 P I N 管或肖特基管4210高速驱动整形电路示意图2.5 调制器86动态调制解调测试结果图2.5 调制器87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88集成单平衡BPS
19、K调制器2.5 调制器89集成单平衡BPSK调制器-/+1-/+1+/-1+/-122jaa22a2/2222jaja22ja2/2222jaja22aa22a22ja2/2222ajja2/2222ajjaajja2.5 调制器90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912.6 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
20、。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92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 93SPDT(Single Pole Double Throw)单刀双掷开关2.6 开关和移相器/4 D1 D2 图 2.105 利用二极管或三极管构成的 SPDT 原理图/4 1 2D1导通，D2 断开：1？2？D1 断开，D2 导通：1？2？1断2通1通2断94开关FET电路2.6 开关和移相器 图2.106 开关FET状态与等效电路(a)通、断状态下的FET(b)完整的等效电路(c)简化的等效电路左通、右断状
21、态下的FET等效电路952.6 开关和移相器开关 表表2.5 Ka V频段无源频段无源HEMT MMIC开关（开关（SPDT）性能摘要性能摘要器件器件MESFET MESFET MESFET GaAsHEMT HJEMT GaAsHEMT电路结构电路结构 并联并联 并联并联 并联并联 四分之一四分之一 串串-并；并；带阻抗变换带阻抗变换 波长，并联波长，并联 共用欧姆电共用欧姆电 网络的并联网络的并联 极工艺极工艺 级数级数 2 2 2 2 2 频 率 范 围频 率 范 围（GHz）2040 1530 5664 4246 DC40 5361插损（插损（dB）2(在在40GHz)23 3.2 1
22、.6 3.5 20 23 3550 25 30芯 片 尺 寸芯 片 尺 寸（mm2）_ 22.2 0.82.45 52 0.860.64 21962.6 开关和移相器开关(a)(b)图 2.124（a）一种 SPDT 电路组成和（b）通路 1 断、通路 2 通时的等效电路 n多级级联实现高隔离度和宽带特性图 2.107 97移相器2.6 开关和移相器构成：以开关阵列和不同路径组成 或用移相元件如变容管或可控磁型器件组成用途：波束控制与形成分类：模拟式与数字式指标要求：n 移相精度：相位误差应在一定的容许范围内n 承受功率n 插入损耗：尽量减少n 插入驻波比n 响应速度：高速通信n 工作带宽：宽
23、带通信98模拟移相器2.6 开关和移相器图2.108 用混合电桥和变容管构成的反射型移相器变容二极管输入输出变容二极管jejeajeja99模拟移相器2.6 开关和移相器(a)电路 (b)集总参数等效电路 (c)分布参数等效电路 图 2.109 加载线移相器的构成及等效电路 Zl0(V)，vl0(V)lt Cvar l1 Cvar Zi,vii Cvar 2 1 Zi,vi n Zi,vi l1 l1 C1 Cvar C1 Cvar Cvar C1 l1 100用双平衡调制器构成的循环移相器2.6 开关和移相器ei(t)平衡调制器平衡调制器合路器混合电桥90000 控制电路x=cosy=sin
24、相位控制信号输出 输入 图2.110 循环移相器的组成e0(t)tjeEj022tjeE022tjeEk022)cos(tjeEkj022)sin()(02tjkeE101 l1 l22.6 开关和移相器由四只PIN或其他开关二极管和长度为l1和l2两段传输线组成，输入RF信号在控制电压作用下，可交替地通过两条支路，其间的相位差由路径差决定。开关线移相器图2.111 开关线移相器的组成1022.6 开关和移相器数字式移相器图2.112 4bit数字式移相器示意图0/450/1800/900/22.5开关控制电路00000100022.5.1111337.5103毫米波与微波的异同之处毫米波与光波的异同之处分布式参数的概念元器件与系统的关系OPEN QUESTIONS:104谢谢！
