相控阵雷达——毫米波TR组件研究

１．２毫米波雷达及相控阵雷达特性
工作在毫米波频段低端的毫米波雷达的许多工作特性与微波雷达（例如Ｘ 频段或Ｋｕ频段雷达）是一样的，只是由于其波长更短，所以工作特性更极端 一些。例如，对于给定的天线孔径，毫米波雷达天线波束比较窄，仅仅是Ｘ频 段或Ｋｕ频段雷达的１／２—１／２０。毫米波雷达的窄波束特性具有某些重大的工作 优点：（１）小天线孔径可有较高天线增益；（２）高的跟踪精度和（或）制导精
毫米波的发展由其本身的固有特点所确定。短波长，宽频带以及与大气的 相应作用，是促进毫米波发展的三个基本因素。
在毫米波频段，电磁能量在大气中传播时与大气中气体、悬浮微粒以及含 水物质的相互作用要比微波能量与它们的相互作用强的多，这些相互作用通过 三种机理，即吸收、散射和折射产生。
毫米波的大气传输特性，决定了各频率的用途。毫米波频段有四个低损耗 大气“窗口”，它们的中心频率在３５，９４，１４０和２２０ＧＨｚ附近，其对应波长分 别为８．６，３．２，２．１和ｌ＿４ｒａｍ，一般地面与卫星通信系统大都工作于这些“窗口” 频率，其可用带宽分别为１６，２３，２６和７０ＧＨｚ，任何一个毫米波“窗口”的可 用带宽几乎都可以把包括微波频段在内的所有低频频段容纳在内。这些带宽特 性，在雷达中可用窄脉冲和宽带调频技术获得目标的细部特征。在通信系统中 能传送更多的信息，大大拓宽已十分拥挤的通信频谱，为更多用户提供互不干 扰的通道。宽带特性也能为各种系统提供高质量的电磁兼容特性。同样，对应 的中心频率为２２，６０，１２０和１８３ＧＨｚ这些大气高衰减区频段成为保密通信的 首选工作频率。
第二章首先简单介绍了微带传输线的特性；随后介绍了微带一波导过渡和 低通滤波器的基本理论并实际设计了微带一脊波导一标准波导的过渡和低通滤 波器。
第三章讨论了毫米波控制电路。本章有四部分内容，第一部分介绍了ＰＩＮ 二极管的特性；接下来的两部分分别介绍了毫米波开关和毫米波衰减器的基本 理论；每四部分较详细的介绍了毫米波移相器的分类，并具体分析了各种类型 移相器的优缺点，同时还设计了一个五位移相器，给出了测试结果并对结果进 行了分析。
ｗａｖｅｇｕｉｄｅ－ｔｏ－ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｇｉｖｅ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｉｄｇｅｄ ｗａｖｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ａ ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ．
Ｃｈａｐｔｅｒ ３ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｃｏｎｔｒ０１ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｉｔ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｆｏｕｒ ｐａｒｔ ｃｏｎｔｅｎｔｓ．
电子科技大学硕士论文
度；（３）不易受电子干扰；（４）低仰角工作时多径效应和地杂波干扰小；（５） 多目标鉴别（甚至辨识）性能好；（６）雷达图形分辨力好。
下列毫米波雷达另外一些独特的工作特性使它在可能的军用和民用方面都 很有吸引力：
（１）．在结构小、重量轻的实际天线下获得窄波束； （２）．大的带宽和多普勒频移可用于：扩谱抗电子干扰、雷达目标特征处 理、高距离分辨力、增强抗电子干扰能力、动目标检测等方面； （３）．大气衰减“谐振点”频率可保密传输，供隐蔽使用； （４）．毫米波的海面回波低，具有目标～杂波比高的优点，可用于检测海 杂波环境中的目标：
Ｃｈａｐｔｅｒ １ ｉＳ ａ ｓｕｒｖｅｙ ｏｆｔＩｌｅ ｗｈｏｌｅ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔ．ｄｉｓｓｅｒｔ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
ｏｆ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｗａｖｅ ｓｉｍｐｌｙ；ｓｅｃｏｎｄ，ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｔｈｅ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｒａｄａｒ ａｎｄ ｐｈａｓｅｄ—ａｒｒａｙ ｒａｄａｒ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｙ；ｔｈｉｒｄ，ｓｕｍｍａｒｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｔ／Ｒ ｍｏｄｕｌｅｓ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ ｏｎ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：
Ｋａ ｂａｎｄ，Ｔ／Ｒ ｍｏｕｄｌｅｓ，ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ，Ｇａｉｎ，ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。
第四章是有关毫米波放大器基础理论的一章。分别讨论了ＨＥＭＴ管的大、小 信号的建模以及低噪声放大器和功率放大器设计方法。
第五章对毫米波Ｔ／Ｒ组件的性能进行了测试，并根据在测试中发现的现象 进行分析，给出了一些改进的措施，特别是对毫米波移相器的研究，得出了设 计中需要注意的问题，可为以后的设计制作提供重要的经验。
ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆｔｈｅ ｌｏｗ－ｎｏｉｓｅ
ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．
Ｃｈａｐｔｅｒ ５ ｔｅｓｔｓ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ Ｔ，Ｒ ｍｏｄｕｌｅｓ ａｎｄ西ｙｅｓ ｓｏｍｅ
ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｓｃｏｖｅｒｉｎｇ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ．Ｂｙ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ，ｗｅ ｆｉｎｄ ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｎｏｔｉｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｄｅｓｉｇｎ．Ａｌｌ ｏｆ ｔｈｏｓｅ ｃａｒｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｆｏｒ ｌａｔｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｉｔ．
（３）．由于设备的限制和大气中水蒸汽及氧分子的吸 ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｓｅｓｓｉｖｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｈｙｂｒｉｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉＳ ｃｈｏｓｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ．Ａｓ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ
电子科技大学 硕士学位论文 相控阵雷达——毫米波T/R组件研究 姓名：李桂萍 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：徐军
20040201
电子科技大学硕士论文
摘要
本课题来源于电子科技大学电子工程学院，本课题要求研制Ｋａ频段收发组 件样机，具体要求为：工作频率为３５＋０．３ ＧＨｚ，组件内要求包括５位移相器； 在接收支路中，要求接收机的增益不小于２０ｄＢ，开关衰减可以在６～３０ｄＢ可调： 同时要求发射支路的发射功率增益不低于２０ｄＢ，输出功率要高于０．７Ⅳ，信号 的要求从Ｈ面输入输出。
与红外、和可见光相比，毫米波的传输受干燥污染物（灰尘、烟等）和其 他一些大气效应（如雾、干雪等）的影响小。
象任何工程设计一样，与毫米波雷达好的工作特性联系在一起的也有一些 缺点或需要协调折衷的一些方面：
（１）．目前，毫米波部件的价格高，可靠性和可用性较低；
（２）．穿透树叶的能力有限，树叶的反射率较高（不过这在有些应用中又 是个优点）；
Ｋａ－ｂａｎｄ ｉＳ ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ．ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ ｉｓ ｖｅｒｙ ｄｉｍｃｕｌｔ ＷＯｒｋｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｂａｎｄ．Ｔｈｅ血ｅｓｉｓ ｄｅｓｉｇｎｓ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｅｓ ａ Ｔ／Ｒ ｍｏｄｕｌｅｓ ａｎｄ ａ ４一ｂｉｔ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ．ｂａｓｅｄ ｏｆｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆｔｈｅ ４．ｂｉｔ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ，ｗｅ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅｓ．
签名：签越薄
硷军 导师签名：
日期： 口伞年多月／日
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第一章 绪论
１．１毫米波及其特点
毫米波是波长介于ｌ～ｌＯｍｍ的电磁波谱，对应频率范围３００～３０ＧＨｚ。从 频率来看，毫米波低端与微波衔接，高端与红外、光波相连，所以毫米波逐渐 发展成为－－ｆ３集微波、光学两门学科知识的综合性分支学科。其特点是波束窄、 保密和抗干扰能力强、容量大、容易实现图像、数字兼容，数模兼容。毫米波 已广泛应用于通信、雷达、制导、遥感、频谱学及生物效应等多种领域…。
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关键词：
Ｋａ频段，收发组件，移相器，增益，输出功率
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Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅ ｐｒｏｉｅｃｔ ｉＳ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＵＥＳＴＣ．Ｔｈｅ
ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｉｅｃｔ ｉｓ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ａ ｋａ．ｂａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｔ／ｒｅｃｅｉｖｅ（Ｔ／Ｒ）ｍｏｄｕｌｅｓ．Ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａ ５－ｂｉｔｓ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ ｉＳ ３５ＧＨｚ±３００ＭＨｚ．Ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ’Ｓ ｇａｉｎ ｉｓｎ’ｔ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ２０ｄＢ ａｎｄ ６～３０ｄＢ ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ ｉＳ ｒｅｑｕｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅ Ｇａｉｎ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｉＳ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｌｌ ２０ ｄＢ ａｎｄ ７００ ｍＷ，
ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ａｎｄ ｇｉｖｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ａｄｖａｎｃｅｄ ｌｅｖｅｌ；ｌａｔｅｒ，ｂｒｉｅｆｌｙ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ＷＯｒｋ ｏｆｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ． Ｉｎ ｃｈａｐｔｅｒ ２，Ｆｉｒｓｔ，ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ．，ｓｅｃｏｎｄ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ