毫米波寬帶功率合成放大與倍頻技術(shù)研究.pdf

1、毫米波寬帶功率源是構(gòu)成通信、測(cè)量、電子對(duì)抗等應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，功率合成技術(shù)作為提高固態(tài)源輸出功率的重要途徑之一，正日益受到廣泛的關(guān)注。深入開展毫米波寬帶、高效、多路功率合成理論與技術(shù)研究，對(duì)于毫米波寬帶應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。本文立足于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)條件，以實(shí)現(xiàn)寬帶、高輸出功率、高可靠性的毫米波固態(tài)功率源為研究目標(biāo)，對(duì)毫米波寬帶功率合成放大器與功率合成倍頻器的相關(guān)理論與技術(shù)展開深入研究，重點(diǎn)研究其寬帶、高效率合成技術(shù)、高可靠性設(shè)計(jì)技

2、術(shù)以及高功率容量實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并應(yīng)用于高性能Ka波段全頻帶功率合成放大器以及V波段全頻帶功率合成倍頻器等相關(guān)模塊的研制中。主要研究進(jìn)展包括以下六個(gè)方面:
　　1.基于散射參數(shù)矩陣，建立了毫米波多端口功率合成系統(tǒng)的輸出功率、合成效率以及失效性能網(wǎng)絡(luò)分析的一般理論模型。重點(diǎn)分析了獲得最佳合成效率的條件、不同合成網(wǎng)絡(luò)的損耗對(duì)于最佳合成效率的影響，以及部分有源器件失效時(shí)，合成系統(tǒng)輸出功率的適度惡化性能，得出了行波合成網(wǎng)絡(luò)中耦合單元傳輸損耗不參

3、與級(jí)聯(lián)疊加等重要結(jié)論，為毫米波寬帶功率合成系統(tǒng)的研制打下了理論基礎(chǔ)?；谶@一理論分析結(jié)果，提出了一種波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)與電路功率合成技術(shù)相結(jié)合的混合功率合成方案，該方案適用于毫米波寬帶功率合成系統(tǒng)，具有穩(wěn)定可靠、擴(kuò)展靈活、維護(hù)方便的特點(diǎn)，且對(duì)倍頻器和放大器作為有源器件單元的合成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都適用。
　　2.深入研究了毫米波寬帶功放模塊中屏蔽微帶線寄生模式耦合及腔體諧振產(chǎn)生的機(jī)理，提出了毫米波寬帶電路中屏蔽微帶線腔體的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及腔體

4、諧振的抑制方法。對(duì)于實(shí)際屏蔽腔體環(huán)境中，不同連接狀態(tài)下鍵合金絲的寬帶傳輸特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。解決了高可靠性功放模塊研制中芯片微組裝工藝，熱模型分析以及漏極電壓延遲保護(hù)電路等關(guān)鍵技術(shù)，基于商用毫米波功放芯片AMMC-5040、AMMC-6345和TGA4516分別研制了三款高性能Ka全波段以及寬帶功率放大器模塊，為后續(xù)全波段和寬帶功率合成放大器的研制打下了技術(shù)基礎(chǔ)。
　　3.針對(duì)制約毫米波全頻帶功率合成放大器性能的低損耗寬帶合成網(wǎng)絡(luò)

5、、合成結(jié)構(gòu)寄生諧振以及多芯片空間功率耦合等關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，改進(jìn)并發(fā)展了波導(dǎo)同相位面多探針結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，研制了Ka波段全頻段功率合成放大器。首先，基于鏡像原理和譜域?qū)Ъ{法，導(dǎo)出了波導(dǎo)同相位面多探針結(jié)構(gòu)輸入阻抗的解析表達(dá)式，建立了統(tǒng)一的等效電路模型，提出了波導(dǎo)同相位面多探針結(jié)構(gòu)的快速分析和設(shè)計(jì)方法。接著，利用該方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)了Ka波段反相波導(dǎo)-探針對(duì)兩路(1×2)、波導(dǎo)-探針陣列四路(2×2)功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)2×2結(jié)構(gòu)中，功

6、放芯片面對(duì)面放置時(shí)存在的寄生諧振和空間互耦問題，提出了改進(jìn)措施，加工制作了實(shí)驗(yàn)樣品。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在26～40GHz頻率范圍內(nèi)，兩種功率分配-合成網(wǎng)絡(luò)的背靠背插入損耗均小于1.4dB。在以上兩種無源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，采用同一批次商用寬帶中功率放大單片AMMC-6345，研制成功了兩款功率合成放大器。實(shí)測(cè)結(jié)果表明:在Ka波段全頻帶范圍內(nèi)，(1×2)功率合成放大器飽和輸出功率大于550mW，最大700mW，最大合成效率88％;(2×2

7、)功率合成放大器飽和輸出功率大于1.1W，峰值1.5W，最大合成效率92％。
　　4.基于行波功率合成原理，以波導(dǎo)為主傳輸線，波導(dǎo)-微帶探針為耦合單元，提出了一種毫米波寬帶低損耗多路行波功率合成放大系統(tǒng)方案。為了提高合成支路數(shù)量，在單級(jí)耦合單元內(nèi)采用疊層式探針耦合結(jié)構(gòu)，在不增加耦合級(jí)數(shù)的前提下，合成支路數(shù)量提高一倍。利用電磁場(chǎng)全波仿真軟件，系統(tǒng)研究了該合成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，對(duì)8路(2×4)寬帶行波功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了

8、優(yōu)化設(shè)計(jì)并加工制作了實(shí)驗(yàn)樣品。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在28～40GHz頻率范圍內(nèi)，該8路行波功率合成網(wǎng)絡(luò)背靠背結(jié)構(gòu)的平均插入損耗為1.2dB。在無源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，采用商用寬帶中功率放大單片AMMC-5040，研制了Ka波段寬帶8路功率合成放大器，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在28～40GHz頻帶范圍內(nèi)，飽和輸出功率大于30.5dBm，最大飽和功率32dBm，合成效率介于77～86％之間。上述基于波導(dǎo)-探針耦合單元的行波功率合成放大器在國(guó)內(nèi)還未見

9、報(bào)道。
　　5.為了克服Schottky器件有限的功率容量對(duì)于倍頻器輸出功率的制約，采用雙Schottky管芯功率合成倍頻技術(shù)，研制了V波段寬帶高功率二倍頻器，在此基礎(chǔ)上，采用分立式基波功分與諧波合成網(wǎng)絡(luò)研制了寬帶功率合成二倍頻組件。在V波段單路二倍頻器中，通過并聯(lián)兩個(gè)二極管的方法提高功率容量，建立了包含二極管寄生結(jié)構(gòu)在內(nèi)的倍頻器全尺寸電磁模型用于電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)，采用熱仿真分析了二極管Schottky結(jié)溫與耗散功率的關(guān)系，結(jié)合

10、相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了倍頻器的功率容量。解決了短毫米波倍頻器腔體、微帶電路的精密加工以及微型二級(jí)管高精度微組裝工藝等工程實(shí)現(xiàn)問題，基于混合集成技術(shù)，研制了V波段單路二倍頻器，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，在50～70GHz頻段內(nèi)，250mW的驅(qū)動(dòng)功率下，該倍頻器輸出功率大于10mW，峰值輸出功率15mW，倍頻效率典型值5％。為了進(jìn)一步提高輸出功率，提出了一種分立式功率合成方案。優(yōu)化設(shè)計(jì)了Ka波段基波輸入分支波導(dǎo)定向耦合器、V波段二次諧波輸出波導(dǎo)E-T合

11、成網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合單路二倍頻器模塊，研制了功率合成二倍頻組件。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在500mW的驅(qū)動(dòng)功率下，在50～70GHz頻段內(nèi)，輸出功率大于20mW，峰值功率32mW，在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，合成效率典型值85％。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在毫米波頻段，通過功率合成倍頻的方式來增加倍頻器的輸出功率是一條有效的技術(shù)途徑。
　　6.為了進(jìn)一步減小體積，展寬頻帶，提出了集成化功率合成二倍頻器的設(shè)計(jì)方案。該方案在單基片上集成寬帶基波功分-倍頻-諧波合成電路。

12、建立了功率合成倍頻器的一體化電磁模型，對(duì)整個(gè)倍頻器電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?；诨旌霞杉夹g(shù)，解決了短毫米波功率合成倍頻器中多個(gè)微型二級(jí)管、合成支路微組裝的一致性問題，研制了小型化、高輸出功率的V波段全頻帶功率合成二倍頻器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在50～75GHz頻率范圍內(nèi)，500mW的驅(qū)動(dòng)功率下，該二倍頻器輸出功率大于20mW，在57GHz處測(cè)得最大輸出功率40mW，合成倍頻效率大于4％，最大8％。其性能優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品水平，結(jié)合Ka波段全頻帶功率合