毫米波元器件发展动态.ppt

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1、2008年,微波技术新进展,毫米波元器件技术发展动态毫米波固态电路,毫米波频率：30300GHz毫米波波长：101mm,毫米波波导频段划分,毫米波固态电路Millimeter Wave Solid-State Circuits,振荡器Oscillators混频器Mixers放大器Amplifiers功率合成器Power Combiner倍频器Frequency Multipliers检波器Detectors开 关Switches移相器Phase Shifters。,推动毫米波技术发展的关键,毫米波固态电路,50GHz以下频段，基本采用MMIC器件实现50GHz以上频段，多采用分离元件的波导电路

2、国外毫米波部件主要厂商：爱尔兰Farran公司：26.5325GHz 美国Hughes公司：26.5140GHz 美国Millitech公司：18300GHz 美国Agilent公司：26.5325GHz 美国Alpha公司：26.5140GHz,毫米波固态源,低电压，长寿，体积小，结构简单，重量轻毫米波固态源实际上是一种换能器，把直流功率变换为毫米波功率，利用器件固有的非线性特性与器件中的电流作用来产生毫米波振荡IMPATT器件可用于30GHz300GHz的整个毫米波频率范围，有很好的连续波和脉冲功率效率与可靠性Gunn器件也可以用到140GHzFET器件可以用到80GHz,目前在毫米波频率

3、高端（如3mm波段以上）应用最广泛的还是IMPATT和Gunn这两种负阻器件,负阻振荡器起振后，振荡幅度不可能一直增长，由于负阻器件的非线性特性，随着振荡幅度增长，负阻|RD|下降。直到|RD|=r（外接回路损耗电阻）时，达到平衡，实现稳幅振荡振荡平衡的幅度条件：R()-RD(I)=0振荡平衡的相位条件：X()-XD(I)=0,负阻器件振荡器的工作原理,利用半导体内的雪崩现象和渡越时间效应来获得动态负阻，从而产生振荡。W.T.Read在1958年提出IMPATT工作原理1965年首次报道在简单的Si PN结二极管上获得了微波振荡在整个毫米波频段甚至亚毫米波频段低端，IMPATT器件都可以用作产

4、生毫米波功率目前，Si材料的IMPATT二极管在毫米波器件中几乎处于垄断地位，这是因为它具有有效散热所需的良好热传导特性,IMPATT Diode（IMPact Avalanche and Transit Time Diode)碰撞雪崩及渡越时间二极管（简称雪崩二极管）,Gunn在1962年发现GaAs的转移电子效应和IMPATT器件不同，Gunn二极管是纯粹体效应器件，它没有一般固态器件里的半导体掺杂形成结的概念，而是基于多数载流子在半导体内的运动特性，即利用电子转移特性来产生微波振荡的GaAs(砷化镓)材料(常用的半导体材料)：工作频段一般小于 60GHzInP(磷化铟)材料(更优越的毫米

5、波性能)：工作频段达到100GHz以上,Gunn Diode耿氏二极管/体效应二极管/转移电子器件,美国hughes公司美国alpha公司美国Millitech公司乌克兰Orion研究所俄罗斯依斯托克公司中国南京55研究所。,毫米波IMPATT和GUNN器件主要来源,毫米波固态源技术水平现状,几种常用毫米波固态振荡器结构,吸收负载的位置，腔体尺寸，输出负载以及短路活塞的位置都是获得较高功率的关键性参数,毫米波GUNN振荡器产品,Ireland FARRAN公司,毫米波GUNN振荡器产品,Ireland FARRAN公司,毫米波GUNN振荡器产品,毫米波GUNN振荡器产品,美国Alpha产品：1

6、40GHz系列,美国Hughes产品：26.5100GHz系列25010mW,毫米波IMPATT振荡器产品,美国Hughes公司,34143GHz系列连续波功率：1W20mW脉冲功率：121W,9294GHz150mW(CW)10W脉冲,电子科技大学,GaAs Gunn谐波振荡器(Harmonic Oscillators)一种重要的毫米波固态振荡器,理论预言(1974年)：GaAs Gunn器件的极限工作频率约为60GHz实践见证(1975年)：95GHz GaAs Gunn 振荡器问世实验方法证实(直到八十年代初)：原来GaAs Gunn器件是工作在谐波提取工作模式。也就是说，除了检测到的实

7、际输出频率外，还在其恰好二分之一的频率点和二分之三的频率点上发现了振荡频率理论和实验研究表明：谐波振荡器具有比一般基波振荡器更好的抗负载牵引能力,谐波振荡器频率稳定性分析,对于第二次谐波振荡器,由于基频回路不加载,故基频回路的Q值很高,并且v122v22,所以第二次谐波振荡器的频率稳定性远远高于基频振荡器的频率稳定性。采用外部高Q腔进行稳频时,在基频回路进行稳频比在谐波回路更好。外部负载的变化主要引起谐波回路的电抗变化，因此，谐波振荡器抗负载牵引能力强。,振荡器频率变化与基波和谐波的关系,GaAs Gunn谐波振荡器种类,宽带机调谐波振荡器电调谐波振荡器（VCO）高Q腔稳频谐波振荡器双频段基波

8、、谐波振荡器双端口输出谐波振荡器,接不同的输出波导实现基波或谐波输出,基波注锁谐波振荡器基波锁相谐波振荡器,我校在谐波振荡器提取技术方面的研究情况,毫米波产品尤其是毫米波高端频率受到国外严格禁运瞄准谐波提取技术进行开发研究意义重大八十年代国内具备的条件：已生产出六毫米Gunn器件电子科大对毫米提取技术研究作出重要贡献，完成一系列三毫米波谐波振荡器研发,我校研制的各种三毫米波谐波振荡器,三毫米波宽带机调谐波振荡器,三毫米波谐波VCO,三毫米波高Q腔稳频谐波振荡器,毫米波双端口、双频段基波/谐波振荡器在三毫米波系统应用中具有重要价值,为获得高质量3mm信号提供了一种新颖的技术手段,特殊应用,基波注

9、锁谐波振荡器 基波锁相谐波振荡器,毫米波功率合成技术-Power Combiners,采用一定的方法，将多个毫米波信号相互叠加，得到满足要求的大功率信号的技术,芯片级合成技术扩展单片器件的功率容量,电路级合成技术突破单元器件功率容量,矩形波导腔功率合成技术实例,1980年左右，Kai Chang在单腔矩形波导电路中分别实现了三毫米波脉冲IMPATT两管和4管功率合成两管合成功率：20.5W四管合成功率：40W合成效率达到80以上,网络结构功率合成技术实例,1981年Huanchun Yen,Kai Chang报道的W波段脉冲固态发射机输出功率达到了63W，采用三级注入锁定放大，其中末级是4个两

10、管IMPATT功率合成器通过4个混合耦合器实现8管功率合成，工作频率92.6GHz，脉冲宽度为100ns，工作比0.5%。,相参功率合成技术实例 合成的多个振荡器输出信号是频率相参的,在93GHz，四个IMPATT二极管合成输出功率250mW，效率达80,脉冲级联注锁功率合成放大技术超越器件额定振荡输出功率的大功率脉冲级联注锁放大技术,在94.5GHz，五级脉冲IMPATT二极管级联注锁合成放大输出功率21W,毫米波固态放大器,两端器件三端器件MMIC8mm波段：100mW10W(连续波)3mm波段：100mW1W（脉冲）,传输型放大器（双极晶体管或MESFET、HEMT等）,反射型放大器或负

11、阻型放大器（如Gunn、IMPATT diodes）,毫米波注入锁定放大技术 一种实现毫米波功率提升的实用技术,将一个稳定度高的小功率振荡源（频率为fi）通过环形器向一个功率较大的振荡器（频率为fo）注入一定的功率，当fi和fo接近时，可强迫后者工作于fi，使fo具有稳定度高的输出信号频率,按传统方法，一般被注锁的振荡器自由工作时，希望它功率最大，频率在同步带中心附近。注入信号越强，同步带宽越宽，功率起伏越大,改善毫米波注入锁定放大输出功率平坦度措施,让被注锁振荡器不工作在最佳状态！方法：在注入锁定状态下调试振荡器,毫米波两级注入锁定放大器实例,输出功率非常平坦,毫米波注入锁定带宽展宽技术VC

12、O调谐跟踪,当VCO频率在锁定范围之外,混频器充当鉴频作用,输出中频信号形成误差电压来控制VCO的频率,让其进入锁定范围,毫米波混频器,混频器可分为：,单端混频器平衡混频器：双平衡混频器,90度相移型180度相移型,根据传输线的类型划分,波导混频器微带混频器鳍线混频器。,基波混频器谐波混频器,根据信号频率与本振频率的关系,毫米波混频器产品,Ireland FARRAN公司,毫米波混频器产品,电子科技大学研发的W波段平衡混频器,波导电路结构f=9296GHzIF=50MHz1.5GHzL=911dB,微带电路结构f=9296GHzIF=02GHzL=79dB,毫米波混频器产品,毫米波混频器产品,

13、Ireland FARRAN公司,毫米波混频器产品,毫米波混频器产品,美国Agilent公司的仪器扩频测试用的毫米波谐波混频器已形成KaW波段系列,毫米波倍频器,变容管：倍频效率高，带宽窄混频管：宽带倍频应用HEMT：(有源倍频)存在倍频增益GaAs Gunn谐波提取：(有源倍频)带宽窄，存在倍频增益IMPATT高次倍频：(有源倍频)倍频效率高，带宽窄,毫米波倍频器,Ka波段（26.540GHz）宽带二次倍频器采用混频管alpha公司的DMK2784肖特基势垒二极管,输出频率：26.540GHz,输入频率：13.2520GHz,U波段四倍频器实例采用PHEMT MMIC二次倍频肖特基混频管二次

14、倍频,(输入功率5dBm）,采用Agilent公司的HMMC5040！,5040还可以一次性实现Ka波段的三或四倍频,基波注锁谐波提取二次倍频实例采用GaAs Gunn双端口谐波振荡器实现二次倍频,谐波二次倍频器,Pin=2mW,Pout(mW),美国Agilent公司产品83558A国内41所也有相应产品,W波段（75110GHz）宽带倍频源仪器应用,六倍频,毫米波倍频雪崩二极管是利用雪崩过程中的高度非线性来实现高次、高效率倍频器的电子器件。在直接的信号发生变得难以实现时，雪崩倍频器可用作信号源。它在单级中的高次谐波能力能避免某些变容倍频链的主要困难，如带宽、级间阻抗匹配和滤波。因此雪崩倍频器在毫米波接收机的本振，参放泵源和发射机的载频源中具有广泛的用途。,雪崩高次倍频器一种新工作机理的高效率倍频方式,发源于：ORION Research Institute，Kiev，Ukraine,雪崩高次倍频器一种新工作机理的高效率倍频方式,2002年，南京55所也研制出了W波段的雪崩倍频管,输入频率6.36.5GHz，输入功率1.1W，15次倍频后，输出频率为95.597.5GHz，输出功率2mW，最大输出功率为18mW最大倍频效率达到-18dB,W波段雪崩倍频器电路,滤波器,倍频器,活塞,W波段雪崩倍频器电路,滤波器,倍频器,微波输入,电源,活塞,