振荡器是通信与雷达系统的关键部件。随着新兴无线通信与毫米波雷达的快速发展,对振荡器的性能提出了越来越高的要求——更低的相位噪声、更高的输出频率和更大的输出功率。因此对高性能振荡器进行研究具有重要的现实意义。本文重点研究了一些高性能振荡器的设计和应用,包括:推-推介质振荡器,基片集成波导Gunn压控振荡器,W波段连续波振荡器和W波段脉冲振荡器。本文的主要工作包括如下几个方面:(1)提出了一种新的锁相推-推介质振荡器电路。该电路采用基波锁相的方式实现推-推介质振荡器的锁定,并采用反相Wilkinson功分器合成单元振荡器的基波,实现双频段高稳定输出。为验证该构想,在Ku波段设计实现了原型电路,并获得了良好的相位噪声性能和杂波抑制度。除基波锁相外,本文还研究了基波注入锁定在推-推介质振荡器中的应用,分析了同相、反相两种注入锁定模式对锁定带宽和基波抑制度的影响,明确指出了反相注入锁定模式具有较宽的锁定带宽和基波抑制度。(2)基于电磁仿真工具和负阻振荡理论,详细研究了Ka波段基片集成波导Gunn压控振荡器的设计,并在低成本的介质基片上实现了该振荡器,测试结果显示该振荡器具有可供工程实用的调谐带宽、输出功率和相位噪声性能。据笔者所知,这是第一只Ka波段基片集成波导Gunn压控振荡器。(3)针对W波段成像系统对低噪声、高稳定阵列本振源的迫切需求,本文采用注入锁定Gunn振荡器实现了W波段低噪声四路输出本振源。与传统上采用IMPATT放大器的设计相比,该方案具有更低的调幅噪声。随后,针对W波段注入锁定Gunn振荡器锁定带宽较窄的缺点,提出了W波段二次亚谐波注入锁定锁相环电路,实验结果表明,在0.1 mW的U波段注入功率下采用该电路可将W波段Gunn振荡器的锁定带宽由不足20 MHz拓展到1 GHz以上。(4)首先分析了单级注入锁定脉冲放大链输出脉冲的相参性,给出了多级注入锁定相参脉冲放大链应遵循的时序方案。接着分析了注入锁定放大链的功率合成效应,并基于以上分析设计实现了W波段大功率相参脉冲发射机。该机采用大功率IMPATT脉冲振荡器作为功率输出级,在94.2 GHz±0.16 GHz频带内峰值输出功率大于20 W,且在94.2 GHz时有最大峰值输出功率22 W,锁定带宽600 MHz。同时,在注入锁定和偏置脉冲补偿电路的作用下,输出脉冲的脉内调频噪声得到极大的抑制,提高了输出脉冲的相参性。(5)为进一步提高输出功率,本文提出了一种新颖的W波段脉冲功率合成器。该功率合成器以注入锁定相参脉冲放大链为基本功率单元,H面波导T型结为3 dB功分、合成网络,在94 GHz实现了28.4 W的脉冲峰值功率,合成效率达91%。在W波段非谐振式脉冲功率合成器的相关文献中,尚未见更高合成效率的报道。
