固態(tài)毫米波波導空間功率合成技術研究.pdf

1、近來，基于MMICPA(MonolithicMicrowaveIntegratedCircuitPowerAmplifier)的毫米波波導空間功率合成技術是固態(tài)毫米波高功率電子領域熱門研究方向。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鍵技術難題，也是本文研究的重點內容。本文主要成果有： 1．從電路網(wǎng)絡基本理論出發(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)絡損耗、以及合成級數(shù)之間的關系，為多路高效率功率合成奠定理論基礎。 2．提出一種基于波導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)絡對稱性實現(xiàn)了毫米波超寬帶合成，并避免了額外的波導立體傳輸線與集成傳輸線間的過渡轉換損耗，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，分別對毫米波波導空間超寬帶低損耗180°、0°3dB電橋及其在固態(tài)毫米波高

3、功率合成應用進行了研究。其中，采用180°3dB電橋實現(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得到了80％左右的合成效率，并在31～35GHz范圍內得到大于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范圍內大于77％，在34～35GHz內大于85％。 3．提出一種新型的毫米波超寬帶低損耗波導空間四路功率合成/分配網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡利用波導同相位面多微帶探針耦合思想，實現(xiàn)了具有固定相位關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用。電磁仿真和測試表明：在Ka全頻段內，該四路網(wǎng)絡體現(xiàn)了良好的等功率分配/合成特性和固定相位關系，實測損耗為0.2

5、dB左右；在采用該網(wǎng)絡實現(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。以上波導空間內四路功率合成/分配網(wǎng)絡在毫米波頻段全波導帶寬內實現(xiàn)的多路低損耗等功率分配/合成性能以及相應的超寬帶高效率功率合成性能均尚未見有報道達到。 4．首次推導了鏈式功率合成網(wǎng)絡應滿足的幅度和相位條件，并明確了各級耦合單元網(wǎng)絡特性。在此基礎上，對微帶探針耦合結構的毫米波波導空間四級-四路寬帶鏈式功率合成進行了研究。在該多路鏈式

6、功率合成技術中，利用波導E面探針耦合具有的寬帶低損耗性能，對當前毫米波波導空間多路鏈式功率合成中所面臨的帶寬限制實現(xiàn)了突破。仿真實驗表明，在Ka頻段大于23.5％帶寬范圍內，由合成網(wǎng)絡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包含多耦合支路的鏈式功率合成思想，突破了傳統(tǒng)鏈式功率合成網(wǎng)絡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空間寬帶低

7、損耗多路鏈式功率合成電路結構。該電路結構利用波導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包含多個耦合支路的目的，且滿足鏈式合成幅度、相位條件，達到了合成支路數(shù)目數(shù)倍于合成級數(shù)的毫米波波導空間高效率鏈式功率合成目的。為驗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-八路和四級-十六路鏈式功率分配/合成網(wǎng)絡。電磁場仿真和測試結果表明，在Ka頻段大于20％帶寬范圍內，該兩種多路鏈式網(wǎng)絡損耗均低于0.3dB；由

8、這兩種網(wǎng)絡分別實現(xiàn)固態(tài)毫米波波導空間鏈式功率合成時，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％。這種結構緊湊、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式功率分酉己/合成網(wǎng)絡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，在當前固態(tài)毫米波波導空間功率合成研究領域中尚屬首次實現(xiàn)?？梢灶A見，采用這種毫米波波導空間多路鏈式功率合成技術，以同一批次大功率MMICPA為放大單元，可得到更