【文章內(nèi)容簡介】 計功率，利用器件固有的非線性特性與器件中的電流作用來產(chǎn)生毫米波振蕩。毫米波振蕩器由有源器件和諧振腔組成。用固態(tài)器件做成的發(fā)射機體積小、性能可靠、對電源功率容量要求低，因此在機動靈活的電子對抗中頗受歡迎。目前已經(jīng)成熟的耿氏管脈沖源因輸出功率較小(只有百毫瓦)，不能滿足一些大功率應(yīng)用的要求，而雪崩管脈沖源正好彌補耿氏管源的這一不足。中 北 大 學(xué) 2022 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 15 頁 共 35 頁 振蕩源設(shè)計振蕩器電路的截面如下圖所示：圖 32 振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖采用加工方便、成本低、體積小的薄形波導(dǎo)腔體作為發(fā)射源振蕩腔體。選擇起振快、電壓低、效率高的脈沖雪崩管作為振蕩管。為了獲得適當(dāng)?shù)念l率和最大輸出功率，在二極管之后沿波的傳播方向置一可調(diào)的短路活塞。 脈沖調(diào)制器眾所周知：在高穩(wěn)定度、大功率脈沖雪崩二極管振蕩器的研制中，脈沖調(diào)制器是獲得高脈沖輸出功率的重要部件。脈沖調(diào)制器必須提供穩(wěn)定性高、上升時間快且起伏很小的電流脈沖，還必須提供適當(dāng)?shù)碾娏餍逼抡{(diào)節(jié)，最好具有對電流脈沖局部小段上的電流大小和斜率的控制。所以，對于特別的應(yīng)用，線性調(diào)頻寬度的大小和調(diào)頻線性度是特定的。我們選擇的脈沖調(diào)制器指標(biāo)如下：輸出電流脈沖 15A，脈沖寬度 50～1OOns，脈沖周期 19μs，脈沖電壓≥20V。 隔離器幾乎所有的毫米波系統(tǒng)中都會在天線與接收機之間加隔離器，以減小本振通過天線的泄漏、減小由于負(fù)載阻抗變化對振蕩功率和頻率的影響。輻射計設(shè)計中也不例外，除了以上的考慮之外，隔離器還會影響到定標(biāo)，本節(jié)將從定標(biāo)的角度來考慮隔離器的選擇。關(guān)于接收機定標(biāo)中討論的結(jié)果，接收機的逆向輻射噪聲對定標(biāo)會造成影響，下面做一簡單的定性分析。當(dāng)本振功率為 10dBm，在 1OOMHz 內(nèi)的載噪比為 C/N=168dB，中 北 大 學(xué) 2022 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 16 頁 共 35 頁本振單位赫茲帶寬內(nèi)的輻射功率為 OLCPN?? (3——1)=10685dBOLTkl (3——2)19840()PK?? (3——3)OLRMRLT?LLR，混頻器本振到高頻端的反向隔離度；TMR，混頻器輻射狀態(tài)下的等效溫度（K） ；k=，10㏒(k)=一 ，波爾茲曼常數(shù)(因為功率以 dBm 表示是方便的，這里對 k 的單位也做了改變)?；祛l器本振到高頻端的反向隔離度為 25dB 時，取 TMR=319K，L LR=1025/10=316，則 (3——4)101()3950()36ORTK????如果 C/N=148dB，則 TOL=106K,TOR=3482K.為減小 TOR，天線與接收機之間應(yīng)加隔離器。如果隔離器的反向隔離度為 25dB，其物理溫度為 290K，當(dāng) C/N=168dB， (3——5)3501()290.()6OR K????C/N=148Db, (3——6)48+31ORT（ ） =3()前者的誤差為 ，而后者的誤差為 10K，后者不滿足要求。此時，若選用 30dB反射損耗的吸波材料，其物理溫度為 290K，此時，引起的定標(biāo)誤差為 (3——7)23091TK???如果不用隔離器，則后一情況下，T OR=3482K (3——8)348=.0根據(jù)以上的計算，要求接收機前加隔離度大于 25dB 的隔離器和反射損耗大于 30dB的吸波材料，兩者缺一不可?？梢?，從定標(biāo)的角度來說，隔離器對減小接收機逆向輻中 北 大 學(xué) 2022 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 17 頁 共 35 頁射噪聲的影響是關(guān)鍵的，這直接關(guān)系到接收機定標(biāo)，因而直接關(guān)系到接收機的絕對靈敏度。 實驗結(jié)果采用上述脈沖調(diào)制器、毫米波脈沖振蕩管(雪崩管)以及薄形腔體，構(gòu)成毫米波脈沖振蕩源。通過選擇參數(shù)合適的振蕩管，調(diào)節(jié)管子在腔體中的位置以及與短路片的距離，使振蕩源在一定的頻率和穩(wěn)定度上，獲得較大脈沖峰值功率輸出。由于每個振蕩管的動態(tài)負(fù)載特性不同，調(diào)制器中的三極管參數(shù)會有散差，故在實際上，還要針對不同的管子，對調(diào)制器中的一些元件參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以達(dá)到較好的輸出波形。如圖 33：脈沖振蕩器3mm 可變衰減器隔離器 頻率器調(diào)制器 示波器 檢波器定向耦合器 圖 33 毫米波脈沖震蕩源參數(shù)測試系統(tǒng)3．7 3mm 體效應(yīng)本機振蕩器的選擇和實驗測試 方案選擇在低噪聲接收機前端的本地振蕩器的應(yīng)用中，工程師仍然優(yōu)先選用 Gunn 二極管，這主要是它具有低的調(diào)幅噪聲特性。并且，Gunn 器件可調(diào)頻率范圍寬、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，在脈沖工作時激發(fā)快，并且具有很高的穩(wěn)定性。對于 GaAS 體效應(yīng)振蕩器，當(dāng)頻率高于約 70GHz 時，通常提取諧波功率。這種諧波提取技術(shù)(harmonic extraction technique)，不需要采用任何倍頻器件，只要直接利用有源器件的非線性特性，就可實現(xiàn)諧波振蕩。諧波振蕩的物理實質(zhì)在于：出現(xiàn)在有源器件上的基頻和諧波分量相互作用，在一定條件下，器件能在諧波頻率上產(chǎn)生等效負(fù)阻，從而建立諧波振蕩。中 北 大 學(xué) 2022 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 18 頁 共 35 頁 振蕩器結(jié)構(gòu)振蕩器結(jié)構(gòu)如圖 34 所示，是典型的帽窩合結(jié)構(gòu)。 圖 34 振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖1—T 效應(yīng)管；2—徑向圓盤；3—中心導(dǎo)體；4—同軸偏壓扼流濾波器；5—絕緣材料；6—半高 WR；7—過渡波導(dǎo)。為了減小接觸熱阻，體效應(yīng)管直接固定在波導(dǎo)底面中央。振蕩器包括兩個可調(diào)腔：其一為工作在基波頻率的同軸腔，通過改變腔長，基波頻率的調(diào)諧范圍為～55GHz；另一為半高 WR—10 波導(dǎo)腔，通過改變波導(dǎo)短路活塞的位置，有效地耦合出 75～110GHz 的二次諧波功率。由于基波頻率總是低于波導(dǎo)的截止頻率，振蕩器的工作狀態(tài)對于負(fù)載阻抗的變化不敏感，系統(tǒng)中可以省去一只寬帶隔離器?？烧{(diào)同軸短路活塞為四節(jié)非接觸偏壓扼流濾波器，利用 CAD 最優(yōu)化設(shè)計使其在基波和二次諧波頻段內(nèi)均呈現(xiàn)較為理想的短路特性。徑向圓盤在基波頻率產(chǎn)生附加容抗，降低振蕩頻率。對于二次諧波，圓盤半徑 r≈λ/4，其作用相當(dāng)于一個徑向線阻抗變換器，其阻抗變比主要取決于圓盤的高度，其次取決于圓盤的半徑和厚度。絕緣材料為一種復(fù)合聚四氟乙烯，表面光滑且對微波有一定的吸收作用。在調(diào)諧機構(gòu)中裝有精密直線運動軸承以改善調(diào)諧機構(gòu)的重復(fù)性和平穩(wěn)度。 實驗結(jié)果利用 3 毫米體效應(yīng)管研制出的 W 波段寬度調(diào)諧振蕩器作為系統(tǒng)混頻器本振測試框圖如圖 35：中 北 大 學(xué) 2022 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 19 頁 共 35 頁測試結(jié)果：當(dāng)外接電壓 V=，測試頻率= 時，輸出功率=10mw。當(dāng)改變外接電壓(～ 范圍)，測試頻率相應(yīng)變化(91～)時，實測輸出功率l2mw。達(dá)到所要求的設(shè)計指標(biāo)。本振 衰減器 頻率計 3mm 功率探頭 功率計電源 圖 35 毫米波體效應(yīng)管振蕩器參數(shù)測試3．8 視頻放大器的設(shè)計和測試結(jié)果 技術(shù)指標(biāo)單電源：9～15V通頻帶(3dB)：20MHz；電壓增益：60dB；噪聲系數(shù)：＜2dB高溫(+50℃)、低溫（10℃)及特定的正弦振動、沖擊、離心、潮濕、高低氣壓環(huán)境中，視放不能出現(xiàn)自激不穩(wěn)定現(xiàn)象。 設(shè)計方法設(shè)計視頻放大器一般按以下幾個步驟進(jìn)行：l、根據(jù)設(shè)計指標(biāo)要求確定視頻放大器的級數(shù)。將總增益和總帶寬向各級分配，確定每級的增益和帶寬。選擇電路型式，包括確定禍合方式、接地方式、反饋方式、補償方式、輸出方式、電源濾波方式等。選擇晶體管，確定合適的工作點。畫出電路原理圖，計算電路元件。根據(jù)所得電路參數(shù)作理論分析，從理論上驗證放大器方案的可行性和合理性。視頻放大器的設(shè)計方法，除遵循一般放大器的設(shè)計原則外，還需考慮它本身的特點，主要是：在很寬的相對帶寬內(nèi)，保持良好的幅頻特性和相頻特性。保持極小的線性失真和非線性失真。動態(tài)范圍大，高增益。中 北 大 學(xué) 2022 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 20 頁 共 35 頁 工作原理該視頻放大器由兩級級聯(lián)構(gòu)成。第一級是低噪聲寬帶放大器 X362，提供約 45dB 增益；第二級是大動態(tài)功率場效應(yīng)管 DX3811 構(gòu)成的大動態(tài)放大電路，提供約 15dB 增益。該集成視放的特點，可靠性高、體積小、電路簡單。如圖 36： 圖 36 視頻放大器原理圖一、 模模擬集成低噪聲寬帶放大器 X362圖 37 集成塊 X382 內(nèi)部電路圖l、接地 空腳 輸入 偏置 偏置 接地 接地接補償電容 接補償電容 輸出 1輸出 1電源如圖所示集成塊 X362 內(nèi)部電路，它由兩級共射放大電路中間加射隨器構(gòu)成。三極管 T2 主要有兩個功能：第一，給 T1 提供直流偏置；第二，使 TT3 二級放大器隔離，增益、帶寬互不影響。若 TT2 是特征頻率斤的三極管，發(fā)射極接適當(dāng)補償電容，可實現(xiàn)寬頻帶放大。R2 是 T1 的偏置電阻兼電壓并聯(lián)負(fù)反饋，它的作用是擴展通頻帶，穩(wěn)定工作點，改善非線性失真。中 北 大 學(xué) 2022 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 21 頁 共 35 頁1)電壓增益分析在 X362 的外部電路中，9 管腳接入電容 CC9 和 T3 管組成共射放大電路，通過 CC9 可控制增益。圖 38 共射放大電路 圖 39 交流小信號等效電路共射放大電路的交流小信號等效電路如圖 38 所示，其電壓增益計算公式為：AU3= = (3——9)03IU39。 3LEbeβ Rr+(1β )式中 RE3=[R6+(R7‖C 8)‖C 9 有式（3——9）式可知，此電路的電壓增益由外接負(fù)載決定，改變 CC 9其電壓增益相應(yīng)改變，能夠達(dá)到設(shè)計要求。2)寬帶設(shè)計共射放大電路的高頻小信號等效模型如圖 310 所示。由共射放大電路的高頻傳輸?shù)刃щ娐穲D可知，共射放大電路的傳輸函數(shù)只有一個極點：中 北 大 學(xué) 2022 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 22 頁 共 35 頁圖 310 高頻混合 π 等效電路p=ω H= ， （3——10）1tRC式中 ω H——上截止頻率；Ct=Cb180。e3+CmCm=(1+gm3RL180。)Cb180。e3RL180。=RL+RE3RE3=[R6+(R7‖C 8)]