教學(xué)講解課件第二章

毫米波通信技術(shù)劉發(fā)林電子工程與信息科學(xué)系2012年9月12日第二章、毫米波通信部件與器件中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生選修課ESD53021毫米波通信技術(shù)劉發(fā)林第二章、毫米波通信部件與器件中國科學(xué)技術(shù)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(shè)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(shè)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(jìn)制正交振幅調(diào)制（M-QAM）§

2.6開關(guān)和移相器2.6.1開關(guān)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(dǎo)行電磁波的結(jié)構(gòu)就是傳輸線（廣義的）同軸線（硬同軸線、SMA、K接頭等）波導(dǎo)（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(dǎo)行電磁波的結(jié)構(gòu)毫米波傳輸線§2.1毫米波傳輸線與無源器件考慮因素?fù)p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(dǎo)加大尺寸矩形金屬波導(dǎo)H波導(dǎo)和槽波導(dǎo)微帶槽線、鰭線鏡象波導(dǎo)準(zhǔn)光波導(dǎo)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(duì)于無耗傳輸線，當(dāng)傳輸線長度為1/4波長奇數(shù)倍時(shí)，§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(dāng)傳輸線長度為1/2波長整數(shù)倍時(shí)，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(duì)于無耗傳輸線，當(dāng)傳輸線長度為1/4波長奇數(shù)倍時(shí)，§2.1矩形波導(dǎo)——結(jié)構(gòu)與場分布§2.1毫米波傳輸線與無源器件幾何結(jié)構(gòu)TE10模式的電磁場分布8矩形波導(dǎo)——結(jié)構(gòu)與場分布§2.1毫米波傳輸線與無源器件幾何矩形波導(dǎo)——主要參數(shù)§2.1毫米波傳輸線與無源器件波阻抗：波導(dǎo)中的波型阻抗，橫電場與橫磁場之比截止波長：

矩形波導(dǎo)具有“高通”性質(zhì)波導(dǎo)波長：相速群速9矩形波導(dǎo)——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(dǎo)數(shù)據(jù)表波導(dǎo)型號(hào)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(biāo)準(zhǔn)的矩形波導(dǎo)尺寸及有關(guān)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(hào)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(biāo)準(zhǔn)的矩形波導(dǎo)圓形波導(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件幾何結(jié)構(gòu)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(yuǎn)距離傳輸12圓形波導(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件幾何結(jié)構(gòu)TE11模式金屬槽波導(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件具有理論研究價(jià)值，實(shí)用較少Ka波段的比較結(jié)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(dǎo)的TE10模式13金屬槽波導(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件具有理論研究價(jià)值介質(zhì)波導(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖上：圓形介質(zhì)波導(dǎo)圖左：方形介質(zhì)波導(dǎo)及其場分布結(jié)構(gòu)變?yōu)殚_放式易實(shí)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(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖上：圓形介質(zhì)波導(dǎo)H波導(dǎo)§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(dǎo)§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(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件通過適當(dāng)選取H波導(dǎo)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(dǎo)比擬導(dǎo)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(dǎo)§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(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件介質(zhì)鏡像波導(dǎo)：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(diǎn)介質(zhì)鏡像波導(dǎo)(a)方形(b)圓形17毫米波集成傳輸線——介質(zhì)鏡像波導(dǎo)§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(jié)構(gòu)；（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(dǎo)§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(jié)構(gòu)。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(dǎo)的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)TEM波19毫米波集成傳輸線——微帶類與共面波導(dǎo)§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(jié)構(gòu)對(duì)偶，便于單面實(shí)現(xiàn)有源器件圖2.22槽線的結(jié)構(gòu)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(dǎo)與平面電路的完美結(jié)合易于實(shí)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(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件利用毫米波頻段的準(zhǔn)光特性分析假設(shè)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(dǎo)：透鏡型和反射鏡型22毫米波波束波導(dǎo)§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(fù)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(dǎo)；(b)漸變波導(dǎo)；(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(gè)頻率點(diǎn)嚴(yán)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(jí)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(guān)耦合電路金屬諧振器：計(jì)算簡單，Q值高介質(zhì)諧振器：有利于實(shí)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(jié)構(gòu)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(qiáng)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?yàn)V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(qiáng)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(shí)際應(yīng)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(yán)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(shí)際應(yīng)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(shí)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(jié)構(gòu)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(jī)械加工（MEMS）而成的微帶截面圖

理論相對(duì)成熟，結(jié)構(gòu)不斷創(chuàng)新新發(fā)展：MEMS、LTCC、低溫超導(dǎo)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(jī)械加工（MEMS）而成的微帶截面圖理論相對(duì)成熟，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.63波導(dǎo)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(dǎo)雙Tee與12341口輸入，功率P1向兩邊平分，兩路P1/2信號(hào)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(gè)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(lì)信號(hào)輸入口時(shí)，其他各口有無功率輸出，兩部分功率信號(hào)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(hào)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(dǎo)為主，有多種轉(zhuǎn)換裝置波導(dǎo)－同軸轉(zhuǎn)換檢波器方－圓波導(dǎo)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(jī)系統(tǒng)§2.2接收設(shè)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(shè)備的基本組成50接收機(jī)系統(tǒng)§2.2接收設(shè)備基本功能：圖2.68

接收機(jī)系統(tǒng)基本要求：

B1Hz1KHz1MHz1GHzPN-174dBm-144dBm-114dBm-94dBm常溫時(shí)，低噪聲：長距離傳輸衰減相當(dāng)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(shè)備51接收機(jī)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(shè)備52低噪聲放大器LNA等效噪聲溫度§2.2接收設(shè)備52低噪聲放大器舉例三級(jí)[G]9dB9dB9dB級(jí)聯(lián)G8.08.08.0[NF]1dB1.2dB3dBNF1.261.322.0若第三級(jí)NF為6dB即4時(shí)，§2.2接收設(shè)備53低噪聲放大器舉例三級(jí)[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(jí)之間的分配§2.2接收設(shè)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(hào)便于放大到更高功率，且穩(wěn)定性強(qiáng)簡化后級(jí)（中頻）放大器設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，利于標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)極窄帶濾波器§2.2接收設(shè)備55下變頻器目的一次變頻需要在本振附近實(shí)現(xiàn)極窄帶濾波器§2.2下變頻器的幾種實(shí)現(xiàn)方案§2.2接收設(shè)備56下變頻器的幾種實(shí)現(xiàn)方案§2.2接收設(shè)備56LO陷波、RF陷波阻止串?dāng)_、提高隔離各有枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)圖2.75反向并接二極管對(duì)工作原理與混頻電路下變頻器舉例之一§2.2接收設(shè)備57LO陷波、RF陷波圖2.75反向并接二極管對(duì)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(shè)備上邊帶58RFinLOIF1IF2IFout圖2.77鏡像抑制HEM真實(shí)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(guān)系寬帶特性需要對(duì)多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)衡下變頻器舉例之二§2.2接收設(shè)備59真實(shí)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(shè)備基本功能與要求產(chǎn)生足夠大的有用信號(hào)功率發(fā)射功率控制，防止飽和瞬時(shí)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(shí)延等發(fā)射設(shè)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(hào)是否因此而失真?！?.2接收設(shè)備60發(fā)射設(shè)備基本功能與要求§2.2接收設(shè)備60

發(fā)射機(jī)分系統(tǒng)

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

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

§2.3發(fā)射設(shè)備發(fā)射分系統(tǒng)發(fā)射設(shè)備的構(gòu)成類型§2.3發(fā)射設(shè)備

圖2.78發(fā)射設(shè)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(hào)

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(hào)

功

放

（c）

調(diào)制器

本

振

N倍頻器

基帶信號(hào)

已調(diào)波

功

放

62發(fā)射設(shè)備的構(gòu)成類型§2.3發(fā)射設(shè)備圖2.78發(fā)射設(shè)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(dǎo)鰭線電路結(jié)構(gòu)中實(shí)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(dòng)整型電路§2.3發(fā)射設(shè)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(duì)地球站發(fā)射機(jī)的要求是比較高的,因?yàn)樗l(fā)射和傳輸信號(hào)的路徑很長,接近4萬公里,對(duì)發(fā)射機(jī)要求高:發(fā)射機(jī)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(shí),采取輸入/輸出補(bǔ)償,使其不工作在飽和點(diǎn)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(jìn)行,本機(jī)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(shè)備64對(duì)地球站發(fā)射機(jī)的要求是比較高的,因?yàn)樗l(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(hào)上變頻器基本構(gòu)成變頻濾波(Optional)混頻器本振帶通濾波器中頻信號(hào)已調(diào)射頻信號(hào)圖2.79上變頻器的基本組成§2.3發(fā)射設(shè)備65上變頻器目的混頻器本振帶通濾波器中頻信號(hào)已調(diào)射頻信號(hào)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(shè)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(hào)經(jīng)電橋輸出在RFout口同相相加在RF匹配負(fù)載口反相相抵帶寬有限，僅在中心頻率滿足相位關(guān)系寬帶特性需要對(duì)多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)衡§2.3發(fā)射設(shè)備67差頻上變頻信號(hào)經(jīng)電橋輸出在RFout口同相相加在RF匹配負(fù)載功率放大器作用與特點(diǎn)

毫米波通信發(fā)射設(shè)備的輸出大功率通過功率放大器完成放大器的特點(diǎn)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(duì)其他設(shè)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(shè)備68功率放大器作用與特點(diǎn)毫米波通信發(fā)射設(shè)備的輸出大功率功率放大器作用與特點(diǎn)

（2）良好的線性。多載波工作時(shí)，功放的非線性將引起互調(diào)干擾；單載波工作時(shí)，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(diǎn)（3）模塊化和系列化提高通用性和標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)體器件HEMT、HBT（異質(zhì)結(jié)晶體管）等。§2.3發(fā)射設(shè)備69功率放大器作用與特點(diǎn)（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(hào)的放大過程

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

螺線管是慢波結(jié)構(gòu)，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(jìn)，對(duì)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(shí)，仍會(huì)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(hào)頻率（GHz）輸出功率增益（dB）效率914H915H819H30~31200W3530%43~45250W5030%54~566000W2025%§2.3發(fā)射設(shè)備71行波管放大器簡介螺線管是慢波結(jié)構(gòu)，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(jí)增益約幾十分貝效率30％左右工程化問題高壓供電，KV量級(jí)長壽命設(shè)計(jì)問題保護(hù)陰極、降低損耗、提高效率(>60%)小型化設(shè)計(jì)問題（星載要求）§2.3發(fā)射設(shè)備72行波管放大器特性與工程化問題特性§2.3發(fā)射設(shè)備7行波管放大器特性幅相§2.3發(fā)射設(shè)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(shè)備圖2.83行波管放毫米波固態(tài)功率放大器

優(yōu)點(diǎn)：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?xùn)艑?、并?lián)多個(gè)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(shí)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(shè)備74毫米波固態(tài)功率放大器優(yōu)點(diǎn)：§2.3發(fā)射設(shè)備74功率放大器作用與特點(diǎn)

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

圖2.87工作于24GHz的2ⅹ2功率放大器模塊波導(dǎo)中間上下各二路MMIC功放典型的波導(dǎo)與平面電路結(jié)合PAE18.1%Po3.3W§2.3發(fā)射設(shè)備76波導(dǎo)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(hào)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(jī)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(dǎo)Gunn振蕩源常規(guī)縱桿結(jié)構(gòu)左：頂壓，右：觸須接觸

BiasDiodeBiasDiode

VaractorBias改進(jìn)橫桿結(jié)構(gòu)左：Gunn源，右：VCO§2.4毫米波振蕩源78毫米波波導(dǎo)Gunn振蕩源常規(guī)縱桿結(jié)構(gòu)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)源等圖2.94銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)該高速調(diào)制系統(tǒng)用砷化鎵低勢(shì)壘肖特基二極管完成調(diào)制功能。反向恢復(fù)時(shí)間極短。由與50歐姆匹配的高速驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化，便于和波導(dǎo)電路聯(lián)接，我們采用了8mm鰭線。鰭線兼有波導(dǎo)的低損耗與平面電路易于實(shí)現(xiàn)兩大特點(diǎn)，單模帶寬較大，易于同波導(dǎo)、微帶等其他傳輸線相聯(lián)。設(shè)計(jì)變動(dòng)容易?！?.5調(diào)制器83高速調(diào)制結(jié)構(gòu)該高速調(diào)制系統(tǒng)用砷化鎵低勢(shì)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(luò)調(diào)制方式

原因：信道的非線性影響直接調(diào)制簡單，實(shí)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(jié)構(gòu)示意圖SN74F04至PIN管或肖特基管高速驅(qū)動(dòng)整形電路示意圖§2.5調(diào)制器85毫米波高速調(diào)制（AM）結(jié)構(gòu)示意圖SN74F04至PIN管或肖動(dòng)態(tài)調(diào)制解調(diào)測(cè)試結(jié)果圖§2.5調(diào)制器86動(dòng)態(tài)調(diào)制解調(diào)測(cè)試結(jié)果圖§2.5調(diào)制器86開關(guān)型PSK調(diào)制器§2.5調(diào)制器

載波輸入

基帶（脈沖）

信

號(hào)

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(hào)

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(guān)型PSK調(diào)制器87開關(guān)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(qǐng)自行分析該電路的輸出。§2.5調(diào)制器圖2.99利用冷pHEMT構(gòu)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(qǐng)自行分§2.6開關(guān)和移相器開關(guān)作用：用于控制信號(hào)的通斷主要考慮工作頻率和帶寬；開關(guān)接通時(shí)的插入損耗和斷開時(shí)的隔離度；開關(guān)速度；功率容量。輸入駐波比構(gòu)成：PIN管或高速二極管、三極管91§2.6開關(guān)和移相器開關(guān)作用：用于控制信號(hào)的通斷91開關(guān)矩陣§2.6開關(guān)和移相器圖2.104用于

SS（星上交換）—TDMA的開關(guān)矩陣

92開關(guān)矩陣§2.6開關(guān)和移相器圖2.104用于SS（星上SPDT(SinglePoleDoubleThrow)單刀雙擲開關(guān)§2.6開關(guān)和移相器D1導(dǎo)通，D2斷開：1？2？D1斷開，D2導(dǎo)通：1？2？1斷2通1通2斷93SPDT(SinglePoleDoubleThrow開關(guān)FET電路§2.6開關(guān)和移相器圖2.106開關(guān)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(guān)FET電路§2.6開關(guān)和移相器圖2.106開關(guān)FET§2.6開關(guān)和移相器開關(guān)表2.5Ka~V頻段無源HEMTMMIC開關(guān)（SPDT）性能摘要器件MESFETMESFETMESFETGaAsHEMTHJEMTGaAsHEMT電路結(jié)構(gòu)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(luò)的并聯(lián)極工藝級(jí)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(guān)和移相器開關(guān)表2.5Ka~V頻段無§2.6開關(guān)和移相器開關(guān)多級(jí)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)高隔離度和寬帶特性圖2.10796§2.6開關(guān)和移相器開關(guān)多級(jí)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)高隔離度和寬帶特性圖移相器§2.6開關(guān)和移相器構(gòu)成：以開關(guān)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(biāo)要求：移相精度：相位誤差應(yīng)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(yīng)速度：高速通信工作帶寬：寬帶通信97移相器§2.6開關(guān)和移相器構(gòu)成：以開關(guān)陣列和不同路徑組成9模擬移相器§2.6開關(guān)和移相器圖2.108用混合電橋和變?nèi)莨軜?gòu)成的反射型移相器變?nèi)荻O管輸入輸出變?nèi)荻O管98模擬移相器§2.6開關(guān)和移相器圖2.108用混合電橋和模擬移相器§2.6開關(guān)和移相器99模擬移相器§2.6開關(guān)和移相器99用雙平衡調(diào)制器構(gòu)成的循環(huán)移相器§2.6開關(guān)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(hào)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(gòu)成的循環(huán)移相器§2.6開關(guān)和移相器ei(t

l1

l2§2.6開關(guān)和移相器由四只PIN或其他開關(guān)二極管和長度為l1和l2兩段傳輸線組成，輸入RF信號(hào)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(guān)線移相器圖2.111開關(guān)線移相器的組成101l2§2.6開關(guān)和移相器由§2.6開關(guān)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(guān)控制電路00000100022.5…….1111337.5102§2.6開關(guān)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(guān)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(shù)劉發(fā)林電子工程與信息科學(xué)系2012年9月12日第二章、毫米波通信部件與器件中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生選修課ESD5302105毫米波通信技術(shù)劉發(fā)林第二章、毫米波通信部件與器件中國科學(xué)技術(shù)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(shè)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(shè)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(jìn)制正交振幅調(diào)制（M-QAM）§

2.6開關(guān)和移相器2.6.1開關(guān)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(dǎo)行電磁波的結(jié)構(gòu)就是傳輸線（廣義的）同軸線（硬同軸線、SMA、K接頭等）波導(dǎo)（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(dǎo)行電磁波的結(jié)構(gòu)毫米波傳輸線§2.1毫米波傳輸線與無源器件考慮因素?fù)p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(dǎo)加大尺寸矩形金屬波導(dǎo)H波導(dǎo)和槽波導(dǎo)微帶槽線、鰭線鏡象波導(dǎo)準(zhǔn)光波導(dǎo)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(duì)于無耗傳輸線，當(dāng)傳輸線長度為1/4波長奇數(shù)倍時(shí)，§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(dāng)傳輸線長度為1/2波長整數(shù)倍時(shí)，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(duì)于無耗傳輸線，當(dāng)傳輸線長度為1/4波長奇數(shù)倍時(shí)，§2.1矩形波導(dǎo)——結(jié)構(gòu)與場分布§2.1毫米波傳輸線與無源器件幾何結(jié)構(gòu)TE10模式的電磁場分布112矩形波導(dǎo)——結(jié)構(gòu)與場分布§2.1毫米波傳輸線與無源器件幾何矩形波導(dǎo)——主要參數(shù)§2.1毫米波傳輸線與無源器件波阻抗：波導(dǎo)中的波型阻抗，橫電場與橫磁場之比截止波長：

矩形波導(dǎo)具有“高通”性質(zhì)波導(dǎo)波長：相速群速113矩形波導(dǎo)——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(dǎo)數(shù)據(jù)表波導(dǎo)型號(hào)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(biāo)準(zhǔn)的矩形波導(dǎo)尺寸及有關(guān)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(hào)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(biāo)準(zhǔn)的矩形波導(dǎo)圓形波導(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件幾何結(jié)構(gòu)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(yuǎn)距離傳輸116圓形波導(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件幾何結(jié)構(gòu)TE11模式金屬槽波導(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件具有理論研究價(jià)值，實(shí)用較少Ka波段的比較結(jié)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(dǎo)的TE10模式117金屬槽波導(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件具有理論研究價(jià)值介質(zhì)波導(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖上：圓形介質(zhì)波導(dǎo)圖左：方形介質(zhì)波導(dǎo)及其場分布結(jié)構(gòu)變?yōu)殚_放式易實(shí)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(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖上：圓形介質(zhì)波導(dǎo)H波導(dǎo)§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(dǎo)§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(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件通過適當(dāng)選取H波導(dǎo)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(dǎo)比擬導(dǎo)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(dǎo)§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(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件介質(zhì)鏡像波導(dǎo)：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(diǎn)介質(zhì)鏡像波導(dǎo)(a)方形(b)圓形121毫米波集成傳輸線——介質(zhì)鏡像波導(dǎo)§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(jié)構(gòu)；（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(dǎo)§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(jié)構(gòu)。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(dǎo)的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)TEM波123毫米波集成傳輸線——微帶類與共面波導(dǎo)§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(jié)構(gòu)對(duì)偶，便于單面實(shí)現(xiàn)有源器件圖2.22槽線的結(jié)構(gòu)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(dǎo)與平面電路的完美結(jié)合易于實(shí)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(dǎo)§2.1毫米波傳輸線與無源器件利用毫米波頻段的準(zhǔn)光特性分析假設(shè)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(dǎo)：透鏡型和反射鏡型126毫米波波束波導(dǎo)§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(fù)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(dǎo)；(b)漸變波導(dǎo)；(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(gè)頻率點(diǎn)嚴(yán)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(jí)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(guān)耦合電路金屬諧振器：計(jì)算簡單，Q值高介質(zhì)諧振器：有利于實(shí)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(jié)構(gòu)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(qiáng)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?yàn)V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(qiáng)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(shí)際應(yīng)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(yán)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(shí)際應(yīng)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(shí)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(jié)構(gòu)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(jī)械加工（MEMS）而成的微帶截面圖

理論相對(duì)成熟，結(jié)構(gòu)不斷創(chuàng)新新發(fā)展：MEMS、LTCC、低溫超導(dǎo)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(jī)械加工（MEMS）而成的微帶截面圖理論相對(duì)成熟，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)§2.1毫米波傳輸線與無源器件圖2.63波導(dǎo)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(dǎo)雙Tee與12341口輸入，功率P1向兩邊平分，兩路P1/2信號(hào)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(gè)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(lì)信號(hào)輸入口時(shí)，其他各口有無功率輸出，兩部分功率信號(hào)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(hào)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(dǎo)為主，有多種轉(zhuǎn)換裝置波導(dǎo)－同軸轉(zhuǎn)換檢波器方－圓波導(dǎo)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(jī)系統(tǒng)§2.2接收設(shè)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(shè)備的基本組成154接收機(jī)系統(tǒng)§2.2接收設(shè)備基本功能：圖2.68

接收機(jī)系統(tǒng)基本要求：

B1Hz1KHz1MHz1GHzPN-174dBm-144dBm-114dBm-94dBm常溫時(shí)，低噪聲：長距離傳輸衰減相當(dāng)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(shè)備155接收機(jī)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(shè)備156低噪聲放大器LNA等效噪聲溫度§2.2接收設(shè)備52低噪聲放大器舉例三級(jí)[G]9dB9dB9dB級(jí)聯(lián)G8.08.08.0[NF]1dB1.2dB3dBNF1.261.322.0若第三級(jí)NF為6dB即4時(shí)，§2.2接收設(shè)備157低噪聲放大器舉例三級(jí)[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(jí)之間的分配§2.2接收設(shè)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(hào)便于放大到更高功率，且穩(wěn)定性強(qiáng)簡化后級(jí)（中頻）放大器設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，利于標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)極窄帶濾波器§2.2接收設(shè)備159下變頻器目的一次變頻需要在本振附近實(shí)現(xiàn)極窄帶濾波器§2.2下變頻器的幾種實(shí)現(xiàn)方案§2.2接收設(shè)備160下變頻器的幾種實(shí)現(xiàn)方案§2.2接收設(shè)備56LO陷波、RF陷波阻止串?dāng)_、提高隔離各有枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)圖2.75反向并接二極管對(duì)工作原理與混頻電路下變頻器舉例之一§2.2接收設(shè)備161LO陷波、RF陷波圖2.75反向并接二極管對(duì)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(shè)備上邊帶162RFinLOIF1IF2IFout圖2.77鏡像抑制HEM真實(shí)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(guān)系寬帶特性需要對(duì)多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)衡下變頻器舉例之二§2.2接收設(shè)備163真實(shí)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(shè)備基本功能與要求產(chǎn)生足夠大的有用信號(hào)功率發(fā)射功率控制，防止飽和瞬時(shí)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(shí)延等發(fā)射設(shè)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(hào)是否因此而失真。§2.2接收設(shè)備164發(fā)射設(shè)備基本功能與要求§2.2接收設(shè)備60

發(fā)射機(jī)分系統(tǒng)

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

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

§2.3發(fā)射設(shè)備發(fā)射分系統(tǒng)發(fā)射設(shè)備的構(gòu)成類型§2.3發(fā)射設(shè)備

圖2.78發(fā)射設(shè)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(hào)

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(hào)

功

放

（c）

調(diào)制器

本

振

N倍頻器

基帶信號(hào)

已調(diào)波

功

放

166發(fā)射設(shè)備的構(gòu)成類型§2.3發(fā)射設(shè)備圖2.78發(fā)射設(shè)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(dǎo)鰭線電路結(jié)構(gòu)中實(shí)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(dòng)整型電路§2.3發(fā)射設(shè)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(duì)地球站發(fā)射機(jī)的要求是比較高的,因?yàn)樗l(fā)射和傳輸信號(hào)的