基于波導(dǎo)的微波毫米波空間功率合成技術(shù)研究.pdf

1、近年來，隨著軍用與民用通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，對于高效率、寬頻帶大功率固態(tài)功放的需求與日俱增。然而，單個(gè)固態(tài)器件在微波毫米波頻段輸出的功率有限，不能滿足系統(tǒng)的需求。因此，人們研究了采用多個(gè)固態(tài)器件進(jìn)行功率合成的方法來獲得高功率輸出，這有力地推動(dòng)了寬帶、高效的功分/合成電路的發(fā)展，各種功率分配/合成技術(shù)相繼被提出、驗(yàn)證和應(yīng)用。傳統(tǒng)的混合功率合成電路，如Wilkson功分器、Lange耦合器和分支線耦合器等，在微波毫米波頻段由于功率合成效率低、

2、工作帶寬窄等一些固有的缺陷已不適用。為了滿足上述需求，各種新型功率合成技術(shù)不斷出現(xiàn)，如準(zhǔn)光功率合成以及基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)等。這些新型功率合成技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，具有插入損耗低和合成效率高等優(yōu)勢。本文在傳統(tǒng)的波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了幾種新型的波導(dǎo)功率合成結(jié)構(gòu)，從理論分析、電路設(shè)計(jì)、電磁仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等幾個(gè)方面對其進(jìn)行了全面深入的研究。本論文主要的工作成果為： 1．首次提出了一種新型的擴(kuò)展同軸波導(dǎo)功率分配/合成電

3、路，它采用探針陣列實(shí)現(xiàn)低損耗的探針．波導(dǎo)轉(zhuǎn)換，具有同軸探針及微帶探針兩種形式。這種合成器電路是一種N端口合成結(jié)構(gòu)，能夠直接將N只器件的功率一步合成，功率的合成不需要通過幾級，具有較低的插入損耗，可獲得更高的功率合成效率；另一方面，它將有源放大器件置于同軸波導(dǎo)外，有效地解決了散熱問題，容易實(shí)現(xiàn)大功率合成。這種功分器/合成器結(jié)構(gòu)采用TEM主模傳輸，沒有截止頻率，可用于寬帶功率合成電路，在毫米波亞毫米波頻段可突破波導(dǎo)尺寸限制，在大功率微波毫米

4、波系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。 2．首次成功地運(yùn)用等效電路法分析了這種新型的擴(kuò)展同軸波導(dǎo)功率分配/合成電路，并推導(dǎo)出了同軸波導(dǎo)功率分配/合成電路的相關(guān)設(shè)計(jì)公式。通過對這種合成器電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁理論分析和工作模式研究，得出了這種電路結(jié)構(gòu)的簡化電磁模型。同時(shí)，對標(biāo)準(zhǔn)同軸到擴(kuò)展同軸波導(dǎo)過渡電路形式進(jìn)行了研究，得出了兩種過渡電路，即：同軸漸變錐體過渡和階躍阻抗變換，并分別采用小反射理論和等效電路理論分析了這兩種過渡電路。仿真與測試結(jié)果表明

5、：這種空間功率分配器/合成器具有結(jié)構(gòu)簡單、頻帶寬、損耗低、散熱效果好、各端口功率及相位一致性好(差異小)等優(yōu)點(diǎn)。 3．對徑向波導(dǎo)功率分配/合成電路進(jìn)行了深入的研究，提出了一種更直觀、更有效的分析方法。通過對徑向波導(dǎo)內(nèi)電磁場的理論分析，根據(jù)徑向波導(dǎo)工作主模電磁場的軸向?qū)ΨQ分布特性，并采用等效電路法導(dǎo)出了徑向波導(dǎo)功率分配/合成電路的簡化等效電路模型。在等效電路模型中，整體電路被分成兩部分：中心探針區(qū)域和外圍探針區(qū)域，這兩部分在一個(gè)公

6、共的參考平面上進(jìn)行阻抗匹配，從而實(shí)現(xiàn)整體電路的良好的輸入輸出匹配。 4．首次提出了幾種新型基片集成波導(dǎo)(SIW)多端口功分/合成電路。這類電路不同于其它基片集成波導(dǎo)功率合成電路的一個(gè)特點(diǎn)在于它采用電流探針(金屬化通孔)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)到探針的轉(zhuǎn)換，從而完成功率分配與合成功能。它采用普通的PCB板來實(shí)現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。電路具有軸對稱性，可輕易實(shí)現(xiàn)各輸出端口的等功率分配并保持相位的一致性。 5．首次運(yùn)