固態(tài)毫米波波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)研究.pdf

1、近來，基于MMICPA(MonolithicMicrowaveIntegratedCircuitPowerAmplifier)的毫米波波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)是固態(tài)毫米波高功率電子領(lǐng)域熱門研究方向。在這類研究中，在較多合成支路情況下保持較高的合成效率和較寬的工作帶寬是實(shí)現(xiàn)固態(tài)毫米波寬帶高功率合成的關(guān)鍵技術(shù)難題，也是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。本文主要成果有： 1．從電路網(wǎng)絡(luò)基本理論出發(fā)，分別研究了多級(jí)功率合成和N-路功率合成中，合成效率與各

2、支路信號(hào)幅度和相位不平衡程度、合成網(wǎng)絡(luò)損耗、以及合成級(jí)數(shù)之間的關(guān)系，為多路高效率功率合成奠定理論基礎(chǔ)。 2．提出一種基于波導(dǎo)同相位面多微帶探針耦合的固態(tài)毫米波超寬帶高效率空間功率合成電路。在該類電路中，利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)了毫米波超寬帶合成，并避免了額外的波導(dǎo)立體傳輸線與集成傳輸線間的過渡轉(zhuǎn)換損耗，突破了傳統(tǒng)毫米波集成電橋在損耗和帶寬方面的限制。以此為基礎(chǔ)，分別對(duì)毫米波波導(dǎo)空間超寬帶低損耗180°、0°3dB電橋及其在固態(tài)毫米波高

3、功率合成應(yīng)用進(jìn)行了研究。其中，采用180°3dB電橋?qū)崿F(xiàn)的固態(tài)毫米波兩路高功率合成放大器在器件工作帶寬范圍內(nèi)得到了80％左右的合成效率，并在31～35GHz范圍內(nèi)得到大于36dBm連續(xù)波合成功率，最高合成功率為37.5dBm(32GHz)。采用0°3dB電橋，與傳統(tǒng)波導(dǎo)電橋組合，實(shí)現(xiàn)了固態(tài)毫米波四路高功率放大合成，在32～37GHz范圍內(nèi)得到大于40dBm的脈沖功率(占空比10％)，并在32GHz獲得42dBm(15.8W)的最高輸出；

4、合成效率在32～38GHz范圍內(nèi)大于77％，在34～35GHz內(nèi)大于85％。 3．提出一種新型的毫米波超寬帶低損耗波導(dǎo)空間四路功率合成/分配網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)利用波導(dǎo)同相位面多微帶探針耦合思想，實(shí)現(xiàn)了具有固定相位關(guān)系的多路超寬帶低損耗等功率分配/合成，且便于集成固態(tài)大功率器件，適合于更高功率需求的固態(tài)毫米波超寬帶功率合成應(yīng)用。電磁仿真和測(cè)試表明：在Ka全頻段內(nèi)，該四路網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)了良好的等功率分配/合成特性和固定相位關(guān)系，實(shí)測(cè)損耗為0.2

5、dB左右；在采用該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的固態(tài)毫米波四路功率合成放大器中，在Ka全頻段得到70～80％的合成效率。以上波導(dǎo)空間內(nèi)四路功率合成/分配網(wǎng)絡(luò)在毫米波頻段全波導(dǎo)帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)的多路低損耗等功率分配/合成性能以及相應(yīng)的超寬帶高效率功率合成性能均尚未見有報(bào)道達(dá)到。 4．首次推導(dǎo)了鏈?zhǔn)焦β屎铣删W(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足的幅度和相位條件，并明確了各級(jí)耦合單元網(wǎng)絡(luò)特性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)微帶探針耦合結(jié)構(gòu)的毫米波波導(dǎo)空間四級(jí)-四路寬帶鏈?zhǔn)焦β屎铣蛇M(jìn)行了研究。在該多路鏈?zhǔn)?/p>

6、功率合成技術(shù)中，利用波導(dǎo)E面探針耦合具有的寬帶低損耗性能，對(duì)當(dāng)前毫米波波導(dǎo)空間多路鏈?zhǔn)焦β屎铣芍兴媾R的帶寬限制實(shí)現(xiàn)了突破。仿真實(shí)驗(yàn)表明，在Ka頻段大于23.5％帶寬范圍內(nèi)，由合成網(wǎng)絡(luò)支路不平衡性引起的合成效率大于97％。 5．首次提出在單級(jí)耦合單元內(nèi)包含多耦合支路的鏈?zhǔn)焦β屎铣伤枷耄黄屏藗鹘y(tǒng)鏈?zhǔn)焦β屎铣删W(wǎng)絡(luò)中損耗隨合成支路數(shù)增加而劇烈增大的限制，在較多合成支路條件下達(dá)到高效率合成目的。同時(shí)提出了一種新型的毫米波波導(dǎo)空間寬帶低

7、損耗多路鏈?zhǔn)焦β屎铣呻娐方Y(jié)構(gòu)。該電路結(jié)構(gòu)利用波導(dǎo)同相位面多微帶探針寬帶對(duì)稱耦合特性，實(shí)現(xiàn)了在同一級(jí)耦合單元內(nèi)包含多個(gè)耦合支路的目的，且滿足鏈?zhǔn)胶铣煞?、相位條件，達(dá)到了合成支路數(shù)目數(shù)倍于合成級(jí)數(shù)的毫米波波導(dǎo)空間高效率鏈?zhǔn)焦β屎铣赡康?。為?yàn)證以上合成思路和方法，分別提出了新型的毫米波寬帶低損耗四級(jí)-八路和四級(jí)-十六路鏈?zhǔn)焦β史峙?合成網(wǎng)絡(luò)。電磁場(chǎng)仿真和測(cè)試結(jié)果表明，在Ka頻段大于20％帶寬范圍內(nèi)，該兩種多路鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)損耗均低于0.3dB；由

8、這兩種網(wǎng)絡(luò)分別實(shí)現(xiàn)固態(tài)毫米波波導(dǎo)空間鏈?zhǔn)焦β屎铣蓵r(shí)，在不計(jì)入放大器件一致性影響條件下，合成效率均保持在較高水平，分別為91.8％和86％。這種結(jié)構(gòu)緊湊、加工制作容易、便于多個(gè)固態(tài)大功率器件集成的毫米波鏈?zhǔn)焦β史钟霞?合成網(wǎng)絡(luò)所具有的多路寬帶低損耗性能以及體現(xiàn)出的多路寬帶高效率性能，在當(dāng)前固態(tài)毫米波波導(dǎo)空間功率合成研究領(lǐng)域中尚屬首次實(shí)現(xiàn)。可以預(yù)見，采用這種毫米波波導(dǎo)空間多路鏈?zhǔn)焦β屎铣杉夹g(shù)，以同一批次大功率MMICPA為放大單元，可得到更