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)，分別研究了多級功率合成和N-路功率合成中，合成效率與各

2、支路信號幅度和相位不平衡程度、合成網(wǎng)絡(luò)損耗、以及合成級數(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)對稱性實現(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，實測損耗為0.2

5、dB左右；在采用該網(wǎng)絡(luò)實現(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道達到。 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，并明確了各級耦合單元網(wǎng)絡(luò)特性。在此基礎(chǔ)上，對微帶探針耦合結(jié)構(gòu)的毫米波波導(dǎo)空間四級-四路寬帶鏈?zhǔn)焦β屎铣蛇M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的帶寬限制實現(xiàn)了突破。仿真實驗表明，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．首次提出在單級耦合單元內(nèi)包含多耦合支路的鏈?zhǔn)焦β屎铣伤枷?，突破了傳統(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到高效率合成目的。同時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稱耦合特性，實現(xiàn)了在同一級耦合單元內(nèi)包含多個耦合支路的目的，且滿足鏈?zhǔn)胶铣煞?、相位條件，達到了合成支路數(shù)目數(shù)倍于合成級數(shù)的毫米波波導(dǎo)空間高效率鏈?zhǔn)焦β屎铣赡康摹轵炞C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-八路和四級-十六路鏈?zhǔn)焦β史峙?合成網(wǎng)絡(luò)。電磁場仿真和測試結(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)分別實現(xiàn)固態(tài)毫米波波導(dǎo)空間鏈?zhǔn)焦β屎铣蓵r，在不計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)域中尚屬首次實現(xiàn)?？梢灶A(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