毫米波技術應用及其進展

發布時間:2018-08-21
※ 毫米波特點 

一、極寬的帶寬。通常認為毫米波頻率范圍為26.5~300GHz,帶寬高達273.5GHz。超過從直流到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣吸收,在大氣中傳播時只能使用四個主要窗口,但這四個窗口的總帶寬也可達135GHz,為微波以下各波段帶寬之和的5 倍。這在頻率資源緊張的今天無疑極具吸引力。

二、波束窄。在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一個 12cm的天線,在9.4GHz時波束寬度為18度,而94GHz時波速寬度僅1.8度。因此可以分辨相距更近的小目標或者更為清晰地觀察目標的細節。

三、與激光相比,毫米波的傳播受氣候的影響要小得多,可以認為具有全天候特性。

四、和微波相比,毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系統更容易小型化。 

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       由于毫米波的這些特點,加上在電子對抗中擴展頻段是取得成功的重要手段。毫米波技術和應用得到了迅速的發展。

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※ 毫米波技術的應用 

       表面上看來毫米波系統和微波系統的應用范圍大致是一樣的。但實際上兩者的性能有很大的差異,優缺點正好相反。因此毫米波系統經常和微波系統一起組成性能互補的系統。下面分述各種應用的進展情況。

1.1 毫米波雷達 毫米波雷達的優點是角分辨率高、頻帶寬因而有利于采用脈沖壓縮技術、多普勒頗移大和系統的體積小。缺點是由于大氣吸收較大,當需要大作用距離時所需的發射功率及天線增益都比微波系統高。下面是一些典型的應用實例。

1.1.1 空間目標識別雷達 它們的特點是使用大型天線以得到成像所需的角分辨率和足夠高的天線增益,使用大功率發射機以保證作用距離。例如一部工作于35GHz的空間目標識別雷達其天線直徑達36m。用行波管提供10kw的發射功率,可以拍攝遠在16,000km處的衛星的照片。一部工作于94GHz的空間目標識別雷達的天線直徑為13.5m。當用回族管提供20kw的發射功率時,可以對14400km遠處的目標進行高分辨率攝像。

1.1.2汽車防撞雷達 因其作用距離不需要很遠,故發射機的輸出功率不需要很高,但要求有很高的距離分辨率(達到米級),同時要能測速,且雷達的體積要盡可能小。所以采用以固態振蕩器作為發射機的毫米波脈沖多普勒雷達。采用脈沖壓縮技術將脈寬壓縮到納秒級,大大提高了距離分辨率。利用毫米波多普勒頗移大的特點得到精確的速度值。 


1.1.3直升飛機防控雷達 現代直升飛機的空難事故中,飛機與高壓架空電纜相撞造成的事故占了相當高的比率。因此直升飛機防控雷達必須能發現線徑較細的高壓架空電纜,需要采用分辨率較高的短波長雷達,實際多用3mm雷達。

1.1.4精密跟蹤雷達 實際的精密跟蹤雷達多是雙頻系統,即一部雷達可同時工作于微波頻段(作用距離遠而跟蹤精度較差)和毫米波頻段(跟蹤精度高而作用距離較短),兩者互補取得較好的效果。例如美國海軍研制的雙頻精密跟蹤雷達即有一部9GHz、300kw的發射機和一部35GHz、13kw的發射機及相應的接收系統,共用2.4m拋物面天線,已成功地跟蹤了距水面30m高的目標,作用距離可達27km。雙額還帶來了一個附加的好處:毫米波頻率可作為隱蔽頻率使用,提高雷達的抗干擾能力。

1.1.5炮彈彈道測量雷達 這類雷達的用途是精確測定敵方炮彈的軌跡,從而推算出敵方炮兵陣地的位置,加以摧毀。多用3mm波段的雷達,發射機的平均輸出功率在20W左右。脈沖輸出功率應盡可能高一些,以減輕信號處理的壓力。

1.2導彈的末制導系統 由于毫米波制導兼有微波制導和紅外制導的優點,同時由于毫米波天線的旁瓣可以做得很低,敵方難于截獲,增加了集團干擾的難度。加之毫米波制導系統受導彈飛行中形成的等離子體的影響較小,國外許多導彈的未制導采用了毫米波制導系統。例如美國的“黃蜂”、“灰背隼”、“STAFF’,英國的“長劍”,前蘇聯的“SA-10” 等導彈都是。毫米波制導系統最初有兩種工作方式:一是主動方式,這種方式作用距離遠,但由于角閃爍效應及其它一些造成指向擺動的因素會影響制導精度。二是被動方式,這時沒有角閃爍效應,制導精度很高,但作用距離有限。為此經常將兩者結合起來使用。即在距離較遠處采用主動方式,當接近目標時轉為被動方式。在80年代以后,又發展了一種“半主動”體制,即在導彈的引導頭中沒有毫米波發射機,只有接收機。發射機裝在另外的武器平臺上,對目標進行照射。引導頭接收從目標反射回來的信號進行制導。也能既保證作用距離又避免角閃爍效應。還因為發射機和導彈不在一起,提高了抗干擾能力。

1.3毫米波電子對抗 由于毫米波雷達和制導系統的發展,相應的電子對抗手段也發展起來了。據報道美國的電子對抗設備中偵察部分110GHz以下已實用化,正在向300GHz發展。干擾部分 40GHz以下已實用化,正在向110GHz發展。由于毫米波雷達和制導系統的波束很窄,天線的旁瓣可以做得很低,使偵察和有源干擾都比較困難。因此無源干擾在毫米波段有較大的發展。目前最常用的是投放非諧振的毫米波箔片和氣溶膠,對敵方毫米波雷達波束進行散射。它可以干擾較寬的頻段而不必事先精確測定敵方雷達的頻率。也可以利用爆炸、熱電離或放射性元素產生等離子體對毫米波進行吸收和散射以干擾敵方雷達。在毫米波段也可以利用隱身技術。對付有源毫米波雷達時,和在微波波段一樣可以采用減小雷達截面的外形設計,或者在表面涂敷鐵氧體等毫米波吸收材料以減小反射波的強度。對于通過檢測金屬目標的低毫米波輻射與背景輻射之間的反差來跟蹤目標的無源雷達,則要在目標表面涂敷毫米波輻射較強的偽裝物,使其輻射和背景輻射基本相等從而使目標融合于背景中。


1.4毫米波通信系統 毫米波通信系統可以分為地球上的點對點通信和通過衛星的通信或廣播。現在地球上的點對點毫米波通信基本上只用于對保密要求較高的接力通信中。因為地面上的干線通信基本上已實現了光纜化。而在衛星通信中則由于毫米波段頻率資源豐富而得到了迅速發展。 但在星際通信時則使用了5mm(60GHz)波段,因為在此頻率處大氣損耗極大,地面無法對星際通信內容進行偵聽。而在星際由于大氣極為稀薄,不會造成信號的衰落。美國的“戰術、戰略和中繼衛星系統”就是一個例子。該系統由五顆衛星組成,上行頻率為44GHz,下行頻率為20GHz,帶寬為2GHz,星際通信頻率為60GHz。

1.5在激光光譜學中的應用 為進行光譜測量,在早期的激光光譜儀中常用微波對激光進行調制以得到頻率的連續變化。但相對于光的頻率而言,微波調制所能得到的頻率變化范圍是太窄了。在毫米波技術成熟以后,由于用它對激光進行調制可以得到寬得多的頻率變化范圍,自然就取代微波而被用于激光光譜儀中去了。

 

毫米波技術基礎研究的進展 

       毫米波技術應用的發展是建立在毫米波元器件發展的基礎上的。應用的需要又反過來推動了元器件的發展。同時材料、工藝和計算機輔助設計的發展也為元器件的發展創造了條件。這里介紹部分元器件的發展情況。

2.1半導體器件 在毫米波系統中應用的半導體器件有混頻器、低噪聲放大器、倍頻器、功率放大器及振蕩器等。在40GHz(有些器件可達60GHz)以下,這些器件已有批量生產的商品可供選用。

2.1.1混頻器 現在混頻器已可工作到1000GHz。例如日本報道了一種工作于200GHz的SIS混頻器,在4K的工作溫度下在204GHz處噪聲溫度為150K。而荷蘭則報道了能工作在1000GHz的 SIS混頻器,它在4K的工作溫度下,在950~1050GHz范圍內,噪聲溫度在1000~2000K 之間。

2.1.2 低噪聲放大器 在實驗室里可做出性能更好的放大器。例如在60GHz頻段可做到增益大于9dB、噪聲系數小于O.8dB;而在95GHZ頻段可做到增益大于8.2dB、噪聲系數小于1.3dB。 


2.1.3集成接收前端 集成接收前端是將低噪聲放大器、混頻器和本振(有的還包括前置中放)做在一塊集成電路上。8mm波段已有商品。例如有一種產品可工作在26~40GHz,中頻輸出為 2~16GHz,噪聲系數3.5dB,增益高達42dB,射頻一本振隔離可達45dB。另外還有報道可工作到100GHz的接收前端,中頻輸出頻率在L波段。當工作在4K的條件下時,在 95GHz處噪聲溫度為20K。在邊頻(80和120GHz)處噪聲溫度為80K。

2.1.4功率放大器 半導體功率放大器現在的水平大致為在40GHz以下時輸出的平均功率為500mw(脈沖功率可達1W),增益20dB;在60GHz時輸出功率約500mw,增益降至14dB;在94GHz 時輸出功率為60mW增益約4dB。在目前情況下若不采用功率合成技術,毫米波半導體功率放大器的輸出功率只能在瓦級。但這并不妨礙它得到廣泛的應用,因為許多用量很大的應用例如汽車防撞雷達、本振和儀器等有瓦級的功率已經足夠了。

2.2真空器件 真空器件在需要高頻大功率的場合可發揮其優勢。真空器件可以分為傳統器件和相對論器件兩大類。

2.2.1互傳統器件 返波管是最早用來產生毫米波振蕩的器件。目前多用在500GHz以下產生5~50mw 的輸出功率。但也有輸出更大功率的,例如法國的TH4237就可在75~110GHz范圍里產生11W的輸出功率。返波管還是目前工作頻率最高的器件,美國猶他州大學研制了一個工作在600~1800GHz頻段可輸出1mW功率的近波管。實際已工作在亞毫米波段的高端了(從O.5mm到0.17mm)。 磁控管是大功率振蕩器,早期的毫米波雷達的發射機基本上都是用磁控管制成的,即使現在磁控管還是廣泛應用在要求不太高的雷達中。普通脈沖磁控管的峰值輸出功率在35GHz可達125kw,在70GHz時約10kw,95GHz時約8kw。但占空比較小,在千分之一左右。同軸磁控管的脈沖輸出功率與普通脈沖磁控管差不多,但占空比可達到10%以上,因此平均功率較普通磁控管高近百倍,大大提高了雷達的作用距離。為了提高雷達的抗干擾能力,和在微波波段一樣制成了電調諧的捷變頻磁控管。但由于磁控管的頻率穩定度較低,無法做成相參雷達。在毫米波行波管發展起來以后,許多要求高的雷達紛紛采用性能更好的行波管放大鏈做雷達發射機了。 行波管不僅用于雷達中,還大量用于電子對抗和激光光譜儀中。在微波波段中普遍使用的螺旋線行波管由于工作電壓的限制,只能做到8mm波段。目前已知功率最大的是湯姆遜公司的27.5~30GHz輸出200W的行波管,增益為55dB。工作在高頻端的代表是休斯公司的工作在41~45GHz輸出功率為80W的行波管。倍頻程大功率管的代表則是諾斯洛普公司的20~40GHz輸出功率為100W的行波管,其增益為40dB。雷聲公司研制了工作于42GHz輸出功率為160W的行波管,是已知的在8mm波段高頻端連續波輸出功率最大的行波管,但增益只有24dB。此外休斯公司還研制了一批脈沖工作的螺旋線行波管,但脈沖輸出功率也只在100~200W之間。在毫米波段沒有輸出功率從幾十毫瓦到見瓦的寬帶螺旋線行波管,這是因為在毫米波段,這類行波管的效率太低,而工作電壓又太高的緣故。 耦合腔行波管(包括其變形梯形線行波管)則工作頻率和輸出功率都可以高得多。8mm波段大功率的代表是VTAS700,工作在34.5~35.5GHz時脈沖輸出功率可達 30kW。大平均功率的代表則是YH1048,在28~30GHz范圍內可輸出1kw的平均功率。 VTW5795則是3mm波段大脈沖功率行波管的典型,它能在95~96GHz范圍輸出8kw的脈沖功率。而985H則可在84~86GHz的頻帶里輸出200W的平均功率,增益可達47dB。 分布互作用放大器和振蕩器(EIA和EIO)。EIA是一種大功率的毫米波放大器,其中有一種工作頻率在高達220GHz時仍可有60W的峰值功率輸出(平均功率0.5W);另一種則在95GHz處有2.8kw的峰值功率輸出(平均功率100W),增益38dB,但帶寬只有400MHz。EIO則是一種大功率振蕩器。瓦里安公司研制了一系列的EIO,從 30GHz直到300GHz,機械調諧帶寬為2%~4%。在30~40GHz時輸出功率可達1kw。頻率升高時輸出功率將下降。 近年繼微波功率模塊之后又研制成了毫米波功率模塊(MMPM),即將小型化行波管、前置固態放大器、增益均衡器、調制器和高壓電源都集成在一起。它的體積很小,可以滿足相控陣系統的需要。使用也很方便,只要接上電源,送人毫米波信號,模塊就可以工作了。例如諾斯洛普公司研制的一種MMPM工作在18~40 GHz頻段、輸出功率100W、飽和增益50dB、小信號增益56dB長200mm、寬90mm、厚 20mm、重0.6kg。 3.2.2相對論器件 相對論器件是回族管、虛陰極振蕩器、契倫可夫發生器等的總稱。本文只討論現在用得較多的回旋管。由于它是快波器件,不受傳統微波器件中電子與波互作用空間的線尺寸和頻率成反比規律的限制,在毫米波段其尺寸比傳統器件大得多,輸出功率也大得多,且與頻率的關系較小。例如瓦里安公司研制了一套毫米波回旋管,覆蓋了28~70GHz各頻段,輸出功率均在200kW左右,注電壓均為80kV,注電流均為8A。這些管子都可以工作在連續波狀態,如果只工作在脈沖狀態輸出功率還可以大得多。例如用在極軌雷達發射機中的35GHz脈沖回旋行波管輸出功率400kW、增益50dB、效率35%。相對論器件的缺點是工作電壓高(至少40kV),還要很強的磁場且對磁場的分布有很嚴格的要求。目前還只能用電磁鐵來提供所需的磁場。這給使用帶來了很大的困難。現在許多國家都在研制包裝式回旋管(即用永磁體提供磁場的回旋管),但還未見試驗成功的報告。

2.3毫米波元件 雖然許多微波元件經過縮小尺寸以后可以工作在毫米波段,實際上在毫米波段也確實用了不少這類元件。但在實際工作中隨著頻率上升,波導的尺寸越縮越小,功率容量大大下降。8mm波段的波導還能傳輸50kw的功率,到3mm波段就只能傳送不到20kw的功率了。遠小于回族管200kw的輸出功率。同時損耗也隨頻率很上升,在8mm波段約為0.6dB/m,3mm波段就上升到了4dB/m,到1mm波段達到了 14dB/m。因此人們一直在尋找適合毫米波使用的新型元件。現在比較成熟的有槽波導和介質波導兩種。前者體積較大,適合于3mm波段和更高頻率使用。在俄羅斯已有成套的槽波導元件和槽波導可供選用。后者則有多種形式。目前用得最多的是鏡像介質波導和絕緣鏡像介質波導。現在已可利用介質波導制成定向耦合器、諧振器、濾波器、移相器、混頻器和振蕩器等元件。可以把它們集成在一起做成毫米波接收前端、表面波天線和表面波天線陣等毫米波集成電路。目前這些集成電路已可工作到3mm波段,并在向更高的波段發展。 在毫米波中為了解決用常規波導制成的諧振腔的Q值低的問題,發展了一種由兩個反射面(往往一個為拋物面,一個為平面。也可以兩個都是拋物面)所構成的準光腔。其Q值可做到幾千甚至超過一萬。但在8mm波段時體積稍大了一些。

 

結束語

       毫米波技術是一門正在發展中的學科。發展毫米波技術對鞏固國防和發展國民經濟都有重大意義。眾所周知,要在現代戰爭中立于不敗之地,取得制電磁權是極其重要的。而具有毫米波對抗能力則是取得制電磁極的一個重要方面。從發展國民經濟的角度看,現在已進入信息社會時代,僅從毫米波的大信息容量這一點就可見其重要性,更何況毫米波技術在汽車和直升飛機的自動駕駛、遙感技術、激光光譜技術和射電天文學等領域都是不可或缺的。因此我們必需抓緊發展毫米波技術。 毫米波技術的發展需要兩個基礎。一是理論的發展,在毫米波段無論是系統的構成還是元器件的設計制造都出現了許多新概念和新思想,需要進行理論研究,給出新的設計方法。二是材料科學的發展,毫米波元器件的發展需要更好的材料的支持。例如半導體器件需要更好的MBE材料,旋磁器件需要在毫米波段損耗小的旋磁材料,真空器件需要磁能積更高的磁性材料等。限于篇幅,本文對這兩項均未能進行討論,同時毫米波技術是一門涉及面很廣,發展很快的學科。而作者知識面有限,本文僅能介紹其中一些方面的進展情況,起拋磚引玉之作用。

 

(本文轉載自微波射頻網2010年12月08日發表的《毫米波技術應用及其發展》,如有不當請聯系微瞳作妥善處理。原文鏈接:http://www.mwrf.net/tech/basic/2010/5988.html)

 

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