隨著科學(xué)技術(shù)的進步,各種通信技術(shù)的快速發(fā)展,電磁頻譜日益擁擠。而毫米波具有波長短、頻帶寬、信息容量大等優(yōu)勢,越來越受到全世界研究機構(gòu)及通信企業(yè)的關(guān)注;各種軍用與民用系統(tǒng)的工作頻率已逐漸從微波頻段擴展到毫米波頻段。特別是近些年來,隨著超高速數(shù)據(jù)傳輸、5G通訊技術(shù)以及軍用通信技術(shù)的發(fā)展,對毫米波系統(tǒng)提出了越來越高的要求,開展毫米波電路、毫米波無線系統(tǒng)的研究具有重要意義。本文從微波毫米波電路入手,以如何實現(xiàn)微波毫米波電路的高性能與小型化為出發(fā)點,對濾波器、功分器、變頻器、波導(dǎo)到平面?zhèn)鬏斁�的過渡等關(guān)鍵電路開展了深入研究。本文以36 GHz無線電引信為應(yīng)用背景,在本文電路研究的基礎(chǔ)上,研究了一套線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)測距系統(tǒng)。主要研究工作包括:(1)微波濾波器本文根據(jù)工作頻率范圍的不同,分別研究了微帶帶通濾波器和SIW帶通濾波器。微帶帶通濾波器包括寬帶帶通濾波器、帶寬可調(diào)帶通濾波器和寬阻帶帶通濾波器。在理論分析方面,本文結(jié)合傳輸理論,推導(dǎo)了濾波器的設(shè)計公式。對于SIW寬阻帶帶通濾波器,本文分析了具有不同寬長比諧振腔的高次模場分布;采用具有相同主模諧振頻率的長方形與正方形諧振腔的組合,通過開窗及過孔耦合方式,實現(xiàn)主模頻率傳輸而高次模抑制的目的。這些濾波器都開展了實驗研究,實驗與仿真結(jié)果良好吻合,證明了該研究思路的準(zhǔn)確性。(2)微波毫米波功分器本文對功分器的研究圍繞雙通帶、小型化(濾波功分器)、波導(dǎo)功分(3Dimensional Power Divider,3D PD)三個方面展開。對于雙通帶功分器,本文針對這類電路存在通帶頻率比的范圍較窄、且不等功分時,某些特征阻抗過大或者過小,在電路中不能實現(xiàn)的問題,提出了一種基于枝節(jié)加載的雙通帶功分器。與報道的同類研究相比,該雙通帶功分器在實際電路設(shè)計中更加靈活,且該雙通帶功分器擁有更高的工作頻率比。針對傳統(tǒng)方法實現(xiàn)濾波和功分功能所導(dǎo)致的電路尺寸大和插入損耗增加的問題,本文提出了兩種同時具有濾波與功分功能的濾波功分器——高選擇性濾波功分器和零點可控濾波功分器。根據(jù)奇偶模的方法推導(dǎo)了兩個電路的設(shè)計公式。這兩個電路都開展了實驗研究,實驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好,證明了本文設(shè)計思路的正確性。為了克服傳統(tǒng)波導(dǎo)功分器隔離度低、不易與其它平面電路集成的缺點,本文提出了一種工作于Ka頻段的波導(dǎo)功分器。其具有結(jié)構(gòu)緊湊、輸出端口平面化、隔離度高的優(yōu)點。實驗研究表明,在34.6-39 GHz頻率范圍內(nèi),三個端口的回波損耗均優(yōu)于15 dB,隔離度大于20 dB,在中心頻率處,隔離度大于40 dB。(3)波導(dǎo)到平面?zhèn)鬏斁�過渡及其應(yīng)用為了實現(xiàn)波導(dǎo)與平面?zhèn)鬏斁�之間的良好過渡,并考慮到其它微波電路如混頻器、功分器在集成時的需要,研究了多種過渡電路,包括波導(dǎo)到SIW垂直型過渡、波導(dǎo)到微帶直線型過渡和波導(dǎo)到微帶垂直型過渡。這些過渡電路具有寬帶、結(jié)構(gòu)緊湊、低插損的優(yōu)點;特別是波導(dǎo)到微帶直線型過渡,除了過渡性能優(yōu)異之外,該過渡電路還能夠為直流提供回路。其將阻抗變換與直流回路的功能集成在一起,更有利于電路小型化與高性能的實現(xiàn)。為了便于3D PD實驗,在波導(dǎo)到微帶直線型過渡的基礎(chǔ)上,提出了一種覆蓋整個Ka頻段的波導(dǎo)匹配負(fù)載。實驗研究表明,在Ka頻段全頻段內(nèi),該波導(dǎo)負(fù)載回波損耗優(yōu)于16.6 dB。在波導(dǎo)到微帶垂直型過渡的基礎(chǔ)上,本文研究了一種工作于36 GHz的微帶陣列天線。實驗研究表明,在36-37 GHz頻率范圍內(nèi),回波損耗大于13 dB,增益大于17 dBi。(4)毫米波變頻器針對傳統(tǒng)奇次諧波變頻器結(jié)構(gòu)單一,非平面化,且應(yīng)用于上變頻時,變頻損耗大的問題。本文研究了一種平面化180°移相電路,并在其基礎(chǔ)上提出了一種新型平面電路的Ka頻段三次諧波上變頻器。理論上,該奇次諧波上變頻器比基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的奇次諧波上變頻器擁有更低的變頻損耗。實驗研究表明,該上變頻器在中頻1.7-2.2 GHz頻率范圍內(nèi),變頻損耗小于14 dB。(5)小型化毫米波雷達前端系統(tǒng)本文對調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)測距系統(tǒng)的原理進行了分析,根據(jù)該測距系統(tǒng)的作用距離,合理分解電路指標(biāo)。在本文關(guān)鍵電路研究基礎(chǔ)上,開展36 GHz的FMCW測距實驗研究,并通過實驗對整個系統(tǒng)進行驗證。在該測距系統(tǒng)中,采用多種措施實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。第一,采用收發(fā)共用一個天線的方式,使得該系統(tǒng)尺寸大大減小。第二,采用波導(dǎo)功分器替代環(huán)形器,使整個系統(tǒng)進一步小型化。第三,接收支路中的混頻器采用單端混頻器,使得整個系統(tǒng)更加小型化。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN713

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本文編號：2817919