论文总字数：26126字

摘 要

近年来随毫米波技术的不断发展与应用 ，雷达、毫米波成像、射电天文学、导航系统以及通信系统等领域的应用也愈加广泛。倍频器作为毫米波器件的核心之一，也是产生信号源的重要途径。而国内对倍频器的研究比较少，本次课题学习倍频器的基本原理以及设计流程

本文采用0.1μm GaAs pHEMT工艺水平研制了三倍频器，工作频段在40~55GHz，输出功率大于18dBm。主要收获如下：设计研究功分器与合成器的使用，最终在选用输入和输出端分别使用13~18GHz和40~55GHz的90°Lange耦合器。输入阻抗匹配网络的设计与改进，通过采用平衡结构有效的抑制了基波分量，而反向并联二极管对的实际应用也能有效的阻止二次谐波分量的产生。同时详细的分析说明了该三倍频器的具体设计流程，从Lange耦合器的理论基础到具体参数实现，输入阻抗匹配网络的设计，能让输入功率通过最低的损耗到达反向并联二极管对结构，有效的降低了输入信号的功率损失；输出端口采用两个电容与接地的微带传输线所组成的滤波电路网络对杂散型号进行进一步的滤除。为了提高输出信号功率，在倍频器之后级联一个放大器，最终结果倍频器的在工作频率为40~55GHz条件下变频损耗仅为15dB。，输出功率达到18dBm，对基波和二次谐波的抑制度高达10dBc。

关键词：毫米波，GaAs，反向并联二极管对，三倍频器，平衡结构

Abstract

In recent years, with the continuous development and application of millimeter wave technology, radar, millimeter wave imaging, radio astronomy, navigation systems, and communication systems have become increasingly widespread. The frequency multiplier is one of the cores of the millimeter wave device and is also an important way to generate the signal source. However, there are few studies on frequency multipliers in China. The basic principle and design flow of frequency multipliers are studied in this topic.

In this paper, a frequency tripler was developed using 0.1μm GaAs pHEMT technology. The operating frequency range is 40~55GHz and the output power is greater than 18dBm. The main results are as follows: Design and research of the use of power splitters and synthesizers. Finally, the input and output terminals are respectively equipped with 90-degree Lange couplers of 13 to 18 GHz and 40 to 55 GHz. The input impedance matching network is designed and improved. The fundamental component is effectively suppressed by using a balanced structure, and the practical application of the antiparallel diode pair can also effectively prevent the generation of the second harmonic component. At the same time detailed analysis shows the specific design flow of the tripler, from the theoretical basis of the Lange coupler to the realization of specific parameters, the design of the input impedance matching network can make the input power reach the reverse parallel diode pair structure through the lowest loss. It effectively reduces the power loss of the input signal; the output port uses a filter circuit network consisting of two capacitive and grounded microstrip transmission lines to further filter the spurious models. In order to increase the output signal power, an amplifier is cascaded after the frequency multiplier, and the final result is a frequency conversion loss of only 15 dB at a working frequency of 40-55 GHz. The output power reaches 18dBm, and the suppression of the fundamental and second harmonic is as high as 10dBc.

KEY WORDS: MMW, GaAs, APDP,Tripler,Banlanced structure

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 毫米波超宽带倍频器研究现状 1

1.3 本文研究工作介绍 3

第二章 工艺简介与仿真软件 4

2.1 0.1umGaAs工艺简介 4

2.2 ADS2016设计与仿真软件 4

第三章 毫米波超宽带倍频器基本原理 5

3.1 倍频器基本原理 5

3.2 倍频器主要技术指标 5

3.3 反向并联二极管对倍频原理 6

3.4 微带线的基本属性 7

3.5 毫米波超宽带倍频器的基本结构 8

第四章 40-55GHz超宽带倍频器设计 9

4.1 设计方案 9

4.2 输入端与输出端Lange耦合器设计 12

4.3 阻抗匹配网络设计 15

4.4 非线性元件 16

4.5 滤波电路设计 16

4.6 倍频器整体电路仿真 18

4.7 级联放大器 20

4.8 小结 21

第五章 总结与展望 23

5.1 总结 23

5.2 展望 24

参考文献 25

致 谢 27

绪论

研究背景与意义

科学技术进步日新月异，随着对电磁场等基础科学的不断探索研究，人们对微波毫米波技术的应用也越来越成熟。各种对应的毫米波器件也随之应运而生，其在雷达、毫米波成像、射电天文学、导航系统以及通信系统等领域的应用也愈加广泛。

毫米波波谱频段在26.5~300GHz，属于一种高频段的电磁波谱，在以前由于科技水平较低，所以制造成本高的原因，毫米波芯片也一直应用于军事领域，少有用于民用。但是近些年来，随着科学技术水平日益成熟，其在高速宽带无线通信、医学系统检测、安检模块、汽车自动驾驶系统以及材料科学等领域的快速应用与发展，使得微波毫米波技术在民用领域的研究和发展也得到了极大的发展与完善。特别是随着5G通信时代的到来，传统上的6GHz以下的黄金通信频段因为过于拥挤，连续的频谱在这个频段上已经是难以得到了，这对于通信产业的制约是极其严重的。与之相比，毫米波段由于过去技术水平等原因，利用率并不高，所以仍然存在大量潜在的但未被人们开发利用的连续频谱资源。正因如此，毫米波段的研究与应用也成为了第五代移动通信时代的研究重点与热点。在2015年的WRC2015大会上，毫米波频段成为了第五代移动通信的热门频段，被频繁选用，也印证了这一点。根据这些情况，各种关于毫米波的器件、芯片的研究以及应用也在迅猛的提升。不仅如此，毫米波相比于微波频段有着自身独特的优势：（1）毫米波有着极为丰富的频谱波段，可以满足未来超高速通信的发展与应用；（2）毫米波波段由于工作频率较高的原因，所以有着比微波更短的工作波长，这种特性可以极大地节约芯片面积；（3）毫米波段频率高，波长短，成像上的分辨率比较高。总而言之，毫米波应用的时代已然到来，随着技术的不断提高，毫米波技术的应用将会更加广泛的进入人们的日常生活。

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