60GHz毫米波通信前端集成技术研究

摘要

毫米波前端通信系统在无线网络日益发达的今天可谓是占有举足轻重的地位,随着高清晰度电视的广泛应用,如高清机顶盒、蓝光DVD播放机、个人手持设备与个人电脑之间的海量数据交互以及无线显示等应用都对无线高速传输提出了挑战。这些远远超过了目前无线通信系统所提供的传输能力。因此,必须通过新型的无线通信技术来满足这些应用的需求。这些应用主要是在2~20米范围内提供传输速率高达几吉比特每秒甚至几十吉比特每秒的无线传输。60GHz毫米波技术为这种高速传输提供了有效的手段。本文主要就是研究60GHz毫米波通信前端系统集成技术的研究与应用。
　　首先论文根据毫米波的特点与应用,简要介绍了毫米波频段的物理特性,在各领域中的应用与优缺点,并结合毫米波通信前端的国内外发展现状以及与之相关的应用研究,介绍了毫米波频段在通信、军事、医学、汽车电子等领域的优势以及广阔的应用前景和发展方向。
　　结合传输线与微带线的相关理论,论文介绍了微带带通滤波器的工作原理与设计思路,并且在传统平行耦合带通滤波器的基础上设计了zigzag带通滤波器,进而优化了带通滤波器的面积与性能。同时介绍了微带-波导探针过渡结构的设计与仿真以及微带阵列天线的设计方法与仿真。此外结合有源器件理论对倍频器、混频器、低噪声放大器进行了选取。
　　在滤波器、微带-波导探针过渡结构、微带阵列天线等关键技术的基础上设计和实现了毫米波八倍频源。毫米波八倍频源在功能上要求实现信号的八倍频,并通过微带-波导过渡结构进行信号的传输。结合自身条件与实验室条件,采用混合集成电路形式,将7.25~8GHz的信号倍频至毫米波频段。该毫米波八倍频源主要由四倍频芯片,30GHz频段带通滤波器,二倍频芯片,60GHz频段带通滤波器,微带-波导过渡结构构成。
　　本课题重点将60GHz毫米波收发前端子系统的设计与测试作为论文的主要工作。毫米波前端通信子系统要求完成收发通信、上变频、下变频等功能。收发子系统链路结构相似,主要由四倍频电路、滤波器、亚谐波混频器、低噪声放大器、微带阵列天线组成。接收前端子系统与发射前端子系统均采用亚谐波混频的方式,接收子系统将射频信号与四倍频后的本振信号进行亚谐波下变频产生中频信号,发射子系统则将未调制的中频基带信号与四倍频后的本振信号进行亚谐波上变频产生射频信号。
　　论文分析了八倍频源以及毫米波收发前端子系统的种类与性能指标,由此提出设计方案,根据方案采用软件仿真的方法分析了系统的性能指标。接着重点分析了八倍频源与毫米波前端收发子系统所涉及的各种有源无源电路的原理、指标、设计方法与性能验证。在完成仿真设计后,对八倍频源、毫米波收发前端子系统的版图以及外围机械结构进行设计与布局,以减小信号的辐射与干扰。设计完成后经过加工得到的实物硬件,通过组装、贴片、键合来实现电路连接与系统功能,最后进行实际测试并对测试结果进行数据分析,通过测试分析得出结论,八倍频源的输出功率在误差范围内基本满足预期指标,毫米波收发前端子系统也实现了收发通信,上变频,下变频功能。
　　综上所述,论文完成了八倍频源以及毫米波收发前端子系统的电路设计,并达到了预期的目标。但也存在一些问题与不足,最后对测试以及设计过程中的不足做了补充和综合分析,并且提出了一些改进措施,作为今后工作的努力方向。

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第一章 绪论

1.1 毫米波特点与应用

1.2 毫米波通信前端的国内外发展现状

1.3 本课题研究目标、内容与结构安排

第二章 60GHz毫米波通信前端系统集成方案设计

2.1 八倍频信号源的方案设计

2.2 毫米波接收机前端模块设计方案

2.3 毫米波发射机前端模块设计方案

第三章 毫米波通信前端关键技术设计

3.1 传输线及微带线理论

3.2 微带滤波器设计

3.3 微带-波导探针过渡结构设计

3.4 阵列天线的设计与仿真

3.5 有源器件理论与选取

第四章 60GHz毫米波前端收发组件制作与测试

4.1 八倍频源的设计与实际制作

4.2 毫米波通信前端系统的设计与实际制作

4.3总结与问题改进

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录