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摘要 k a 波段高效率功率合成器的设计 陆飞钱澄 东南大学 摘要 微波功率合成技术在雷达和卫星地面发射机应用中特别重要。对雷达与通信系统而言， 系统功率的提高就意味着具有更大的作用半径、更强的抗干扰能力、更好的通信质量等优点 由于毫米波矧态功率器件的输出功率有限，在单个功率器件输出功率受限的情况下，要提 高其输出功率，采用功率合成技术是一种有效的方法席0 作毫米波低损耗功率分配合成网络 是关键，这关系到功率合成的效率。 本文设计了两种功率合成器：隔膜波导功率合成器为与四路径向腔功率合成器，第一种 为三端口器件，采用二进制式合成，第二种结构为四路合成，由四个波导端口和一个同轴端 口组成。由于采用了波导结构，两种合成器都具有极低的插入损耗。仿真结果显示，在第一 个设计中，结构插入损耗低予0 0 1 3 d b ，在第二个设计中，结构插入损耗低于0 2 d b ，实现了高效 率的功率合成。 最后，对功率合成器的实现提出布局上的方案，包括了微带波导转换设计。 关键词：k a 波段功率合成波导微带转换隔膜径向腔 a b s t r a d d e s i g no f k a b a n dh i g h e f f i c i e n c yp o w e r c o m b i n e r l uf e i q i a nc h e n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t i ti si m p o r t a n tf o rt h ea p p l i c a t i o no fp o w e rc o m b i n i n gt e c h n i q u ei nt h er a d a ra n dv s a tf i e l d f o rt h er a d a ra n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h eh i g h e rp o w e ro fs y s t e mi m p l i e st h el a r g e rr a d i u so f e f f e c t i v ea r e a ，t h eg r e a t e ra b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g ，t h eb e t t e rq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o n t h el i m i t e do u t p u tp o w e ro fs o l i dp o w e rd e v i c e si st h eb o t t l e n e c ko fm i l l i m e t e rw a v es y s t e m s ， w h i c hc a l lb eo v e r c o m eb ya ne f f e c t i v em e t h o d ：t h ep o w e rc o m b i n i n gt e c h n i q u e d e s i g n i n gal o w l o s sp o w e rd i s t r i b u t i o n c o m b i n a t i o nn e t w o r ki st h ek e yp o i n to ft h ep r o j e c t ，w h i c hd e c i d e st h e e f f i c i e n c yo fs y s t e m i nt h i st h e s i s ，t w ok i n d so fp o w e rc o m b i n i n gs t r u c t u r ea r ed e s i g n e d ：s e p t u mw a v e g u i d e p o w e rc o m b i n e ra n d4 - w a yr a d i a lc a v i t yp o w e rc o m b i n e r t h ef i r s ts t r u c t u r ei si m p l e m e n t e di nt h e f o r mo ft h r e ep o r t s ，b i n a r yc o m b i n i n gi su s e df o rs s p aa p p l i c a t i o n t h es e c o n d4 - w a ys t r u c t u r ei s i m p l e m e n t e di nt h ef o r mo ff o u rw a v e g u i d ep o r t sa n dac o a x i a lp o r t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ei n s e r t i o nl o s si sl e s st h a n0 013 d ba n d0 2 d bi nt h e s et w os t r u c t u r e sr e s p e c t i v e l y a tl a s t ，af u r t h e rd i s c u s s i o ni sm a d ef o rt h el a y - o u ts c h e m eo ft h ep o w e rc o m b i n e r , i n v o l v i n g t h em i c r o s t r i pt ow a v e g u i d et r a n s i t i o n k e yw o r d s ：k a - b a n dp o w e rc o m b i n i n gw a v e g u i d e m i e r o s t r i pt r a n s i t i o ns e p t u m r a d i a lc a v i t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：。睦垦 日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 141 研究生签名： 圭璧导师签名： 礅陉日期：趟：c ) 1 1 概述 第1 章绪论 第1 章绪论 微波功率合成技术在雷达和卫星地面发射机应用中特别重要。对雷达与通信系统而言， 系统功率的提高就意味着具有更大的作用半径、更强的抗干扰能力、更好的通信质量等优点。 这就对功率放大器提出了较高的要求：输出功率大( 要有足够的功率容量并严防漏辐射，要 有足够的功率冗余量来克服雨衰) ：良好的线性工作特性( 多载波工作时，功放的非线性将 引起互调干扰：单载波工作时，功放的非线性将使己调波的频谱展宽，增加带外辐射。为此 要正确选择管子和工作点，包括直流偏置和射频功率输入、输出补偿) ：模块化和系列化( 满 足商用要提高通用性) 。目前可供作为毫米波中、高功率放大器的功率管为行波管( m ) ：作 为中、小功率放大器的功率管则为半导体器件，如h e m t ，h b t 等。 行波管是一种微波电真空器件，行波管放大的本质是利用电子注从直流电源获得能量然 后转换给高频场，实现高频信号( 以电磁波的形式存在于行波管中) 的放大。行波管放大器的 功率转移特性( 即a m a m 变换) 和相位特性( a m p m 变换) 存在非线性，输出功率与带宽相互制 约，耦合腔等慢波结构的采用限制了其带宽性能，效率不甚高，此外还存在寿命和可靠性的 问题。m e l a n yr ，h r j o n a 和w e sl a w s o n 在1 9 9 8 年设计了一个k a 频段的高效、宽带、二次谐波 的2 5 0 k w 放大器，使用了肿和回旋振荡管，适用于工作在3 4 g l t z 大气窗口附近的雷达系统， 瞬时带宽5 ，大信号增益2 6 d b u 3 。 过去5 0 年里，为了得到高功率的r f 输出电平，几乎只有使用行波管放大器( t w t a ) 。近年 来，固态器件技术的发展使得微波频段可以用| 笱态功率放大器( s s p a ) 来代替行波管放大器。 在毫米波频段，尽管行波管放大器仍然有其优势，但是由于其存在制作困难且结构复杂、可 靠性低等缺点，固态功率放大器的竞争优势开始变得明显。在很多方面，商用固态功率放大 器件的综合性能已经超过了行波管放大器，比如可靠性高、交调性能好、维护费用低、体积 小、重量轻、功耗低、直流电压低、对人员更安全等：同时，固态功率放大器件的性能下降 也能可靠工作( 称为“故障弱化”) 乜1 。故障弱化指的是输出功率下降，但不是完全丧失。 例如，假如在平衡结构中一个放大器出现故障，其输出功率降低到原来输出功率的1 4 或者比 原来输出功率低6 d b 。单管固态功率放人器主要使用功率p h e m t ( 在典型的h e m t 基础上制作出 来的) 和功率h b t ( 双极晶体管分为同质结犁和异质结型两种，多使用异质结型。即t t b t ) 。 近年来微波放大器的输出功率虽然显示出不断提高的趋向，但单个放大器的输出功率总 是有限的。在一些应用领域内，尚不能满足整机使用要求。为了获得比单个放大器出能力更 大的功率，迫切需要研究一种由较小功率组合成更人输出功率的方法，这种方法称为功率合 成技术。而应用功率合成技术完成功率分配合成功能的器件就是功率分配合成器。微波功 率分配合成器在雷达和卫星地面发射机应用中特别重要，利用它可以将许多功率源合成， 东南大学硕士学位论文 获得高功率的固态功率源。首先，因为特别是在微波频段，由单个功率源不可能获得大量的 功率。其次，为了经济的原因，经常希望用合成n 个小功率源来获得规定数量的微波功率， 而不用大功率源。再次，在本文所涉及到的k a 频段，往往高功率输出的m m i c 从国外难以购买。 在目前迅速发展的无线通讯领域，由于功率合成技术可以提高放大器的动态范围，微波 功率分配合成器也有广泛的应用空间。 1 2 各种功率合成技术介绍 自上世纪六十年代以来，毫米波功率合成技术就引起了国际上的广泛关注，经过多年的 发展，大致可以划分为四类：芯片级合成、电路合成、空间合成、以及多级合成的方法口1 ，下 面将一一介绍。 1 2 1 芯片级合成 图i - i 毫米波功率合成分类 在同一个固态器件内，将多个独立的有源芯片直接连接( 并联、串联) 起来，实现多芯片 结构，以在稳定的振荡或放大过程中获取更高的输出功率。其实，最先提出芯片级功率合成 概念的是j o s e n h a n s h l ，他将3 个i m p a t t - - 极管芯安装在同一块金刚石上，使它们在电性能上 串连、在热传输路径上并联，这种连接方式提高了输入阻抗，降低了热阻，在1 3g h z 输出4 5 w ， 从而最早实现芯片级功率合成。后来，在上世纪七十年代末，r u c k e r 先是在x 波段实现了多 芯片合成，后来扩展到在4 0 g h z 。1 9 9 9 年，k o h j im a t s u n a g a ，i k u om i u r a 和n a o t a k a1 w a t a 晦1 2 第1 章绪论 用 l l b l i c 多芯片合成技术，通过4 个独立的m m i c 设计制作了k a 频段的功放芯片，在2 6 5 g h z 到 2 8 5 6 h z 连续波工作，最高输出功率3 w 。 芯片级合成有如下限制。由于芯片合成的特殊性，在同一个芯片上将多个管芯直接并联 或串联，若合成数量增多，势必引起阻抗匹配的难度，而且芯片绝大部分面积用于无源匹配 和合成传输线的制作，传输损耗相对较高，合成效率受影响。随着频率升高，各芯之间的距 离相对于工作波长而言，已不再可以忽略了，合成芯片数目增大，信号到达每个芯时。将不 在认为具有相同的电磁场环境，也会降低合成效率。对功率器件而言，散热一直是首要考虑 的问题。由于各芯片间距离很小，工作时相互的热作用是不可避免的，每个芯片实际散热面 积很小，若合成芯数目过多，加大了器件散热难度，在毫米波频段中，尤是如此。总之，即 使工艺水平如何发展，仅靠芯片合成提高功率输出能力是十分有限的。 1 2 2 电路合成 为了进一步提高系统的输出功率，在仅仅依靠芯片级功率合成无法达到所需功率的基础 上，电路合成是一种行之有效的功率合成方式，也是目前比较常用的功率合成方式之一。电 路合成技术是通过功率合成网络把两个或多个功率放大单元组合在一起，从而给出较大的输 出功率。它的优点是各功率合成单元之间的相互影响较小，调整方便，匹配性能良好。电路 合成不受合成单元必须放在小于波长区域内的限制，根据合成方式所采用的电路形式不同， 可分为谐振式功率合成和非谐振式功率合成两种合成方式。电路合成可以一步就把n 路信号 合成为一路输出，称为n 口合成器，也可以通过几步把n 路信号合成为一路输出。 1 ) 谐振式功率合成 谐振式功率合成是将多个单独固态器件的输出功率通过耦合的方式耦合到合成腔内以 提高整个电路的输出功率。谐振式功率合成在二极管，特别是振荡合成方面的应用已经十分 成熟，主要是用于毫米波高端。其优点主要在于：由于器件功率直接耦合到谐振腔内合成 并输出，因此基本上没有路径损耗，合成效率较高：工作频率高，可用于直蛰 3 0 0 g h z 的多 管功率合成：结构简单，可作为多级混合功率合成的基础组件：器件之间的隔离较好。其 缺点主要在于：合成电路q 值高，工作频带窄( 一般小于百分之几) ，而且可用于合成的器件 数目受腔体模式问题的限制而不能太多。后者是因为随着合成器件的增多、频率的升高，腔 体空间会越来越小，各种不连续边界所产生的模式将变得越来越复杂，从而严重影响合成器 工作的稳定性、合成效率以及最终的输出功率。过去几十年的发展已经显示谐振腔式功率合 成技术能够成功应用在2 2 0 ( ；l l z 窄带场合。 按照谐振式功率合成所采用谐振腔体的不同，主要有以下两种合成方式：矩形波导腔体 谐振合成和圆柱腔体谐振合成。矩形波导腔体谐振合成在毫米波频段的应用十分成功。这是 因为：首先，矩形波导腔体输出口与标准波导转换容易，只需要阻抗匹配即可：而圆柱形腔体 3 东南大学硕士学位论文 的输入、输出是通过在腔体中央插入同轴探针来实现，这样不仅增加了在毫米波频段的制作 难度，还进一步限制了工作带宽和合成效率。其次，在腔体模式受限问题上，圆柱形腔体更 加严重，这是因为圆柱形腔体是靠增大腔体直径来增加合成器件的数目的，随着腔体直径的 增加工作模式也迅速增加，合成效率迅速降低，而矩形波导腔体则可以仅仅依靠增大腔体的 长度来增加合成器件的数目，腔体的高度和宽度则可保持不变，这样，腔体内的工作模式相 对增加得较为缓慢。早在1 9 8 1 年，k c h a n g 等人分别采用两个3 w 的i m p a t t - - 极管在1 4 2 2 g h z 合成输出5 2 w 的功率，采用四个管子得到9 2 w 的输出b 引。 图卜2 显示的是是k u r o k a w a 和m a g a l h a e s l 9 7 1 年研制出的波导结构的谐振合成器。用这 种方法实现1 2 个i m p a t t 的功率合成。每个二极管装在己经固定的同轴线的末端，在波导腔侧 面进行磁场的耦合。为耦合完全，同轴电路必须位于腔内磁场最大的地方，此外图1 - 2 所示 二极管对需沿波导每隔入z 放置。k u r o k a v a 和m a g a l h a e s 所描述的合成器工作在9 1g h z 可产 生1 0 5 w 的连续波输出。其工作效率为6 2 ，具有很好的稳定性且没有寄生输出。 蹙换善 营 图1 - 2k u r o k a w a 波导谐振合成器 至于在二极管谐振腔合成技术中可能最成功，也最广泛应用的方案是h a r p 和s t o v e r 在 1 9 7 3 年提出的阳1 。这种方案是采用沿谐振在锄厶l o 模的圆柱谐振腔圆周放置二极管的同轴模 块，其结构如图1 3 所示。在这种结构中，谐振腔壁上磁场最大，并与同轴模块中心导体相 耦合。中心导体连同入4 变换器提供对谐振腔的阻抗匹配，每个谐振腔都端接一吸收材料。 谐振腔的同轴中心导体用来对i m p a t t 管偏置。合成器的功率输出通过整个结构中心轴上的探 针获得，探针所处位置电场最大 4 第1 章绪论 i b l a s 图1 3 单腔i m p a t t 功率合成放大器 同 块 采用这种圆柱形谐振腔的一个重要原因是它的场是方位对称的，器件位置不受空间限 制，而且器件的数目由二极管体积决定。封装后的x 频段i m p a t t 管的最小间距可以小于0 2 英寸。因此可以合成的器件数目可以很大。 这种圆柱谐振合成技术从产生后发展得很快，采用t m o 。o ，办o ，锄4 0 4 0 等各种腔体， 及硅c w 单漂管、硅c w 双漂管、硅脉冲双漂管、砷化镓c wi m p a t 管的各种合成器都已进行过 试验，目前己可应用于c ，x ，k u 和k a 波段的振荡器、注锁振荡器和放大器，所得的合成效率 也很高。这种结构的高合成效率是由谐振腔的高q 值决定的，而且合成效率与器件数目n 无关 下面我们进行一个简单的分析。设腔体和输出同轴线引入的损耗是l 1 ，每个同轴模块引入的 损耗是l 2 ，由此每个同轴模块的输出是只半1 0 0 。u 2 ，这里p 是二极管产生的功率。那么所有 模块的总输出是肥宰1 0 0 u 2 ，因为是所有二极管产生的功率，因此合成效率e 是 匠= 1 0 协1 肿 ( o 1 ) 独立于合成的器件数目n ，当然这个简单的模型不包括当n 变化时招致的各种动态影响( 例如 腔体负载的变化等) 。当作为一个放大器时，谐振腔的高q 值固然能带来高合成效率的优点， 但也有负面影响。一个实例是一个专门为宽带设计的使用t m 。o 模圆柱谐振腔的8 管功率合 成器，但在1 0 g h z 频段时，其3 d b 带宽也仅只为9 ，这是被圆柱谐振腔的q 值所限，大的腔q 值 则意味着窄的带宽。而一个直径固定的腔体的q 值可以通过降低腔体高度来降低，上面的实例 就已经使用了这种方法。 2 ) 非谐振式结构 非谐振式电路合成是将多个合成单元利用一定的功率分配一合成网络连接以获得较高 功率输出的一种电路合成形式。其中，有效的分配一合成网络的设计和加工制作是关键。非 5 东南大学硕士学位论文 谐振合成方式的优点在于：它能够得到较宽的工作带宽( 一般大于谐振式合成的工作带宽) ： 各合成单元间的隔离度较好：合成效率主要是与分配一合成网络的设计和加工有关。只要分 配一合成网络的设计合理，合成效率一般比较理想。按照电路合成的方式不同，非谐振式功 率合成方式主要有以下几种： 3 d b 电桥( 分支，二进制结构) 由网络理论可知，凡是满足互易原理的功率分配器都可以反过来作为多路合成器使用。 3 一d b 电桥用于两路放大合成时的原理框图如图1 - 4 所示。 实用的3 - d b 电桥有：两路w i l k i n s o n 电桥、3 - d b 环形电桥、魔t 等。随着半导体技术发展， 以两路w i l k i n s o n 电桥合成为基本单元的多层二进$ f l w i l k i n s o n 电桥合成近年来在毫米波低 端g a a s 删i c 功率器件上取得了很好的结果。在同一块芯片上，通过二进制w i l k i n s o n 电桥， 直接将多个晶体管的输出以并联的方式连接起来。 图1 - 43 d b 电桥功率放大合成原理框图 此类合成结构的优点主要在于：电路结构设计简单，工作频带宽，端口之间的隔离度较 好( 一般大于2 0 d b ) 。以3 d b 分支线耦合器为例，其工作原理及其简单示意图如图卜5 左图所示： 当功率从端口1 输入时，则平均分配到端h 2 和端口3 ，端口4 被隔离。如果端口2 和3 接匹配放 大器，则信号在端l 3 2 和3 被放火后输出，如果端口2 ，3 与外接放大器不完全匹配时，在端口 2 ，3 将有信号被反射回来，反射波在端口4 上被隔离电阻吸收，而在端口1 上由于相位相反而 被抵消。 6 输入 l 隔离 4 输出 第1 章绪论 2 工e 1 叫工 3 - d b 分支线耦合器 输出 输入 输出 3 传统的t i l k i n s o n 电桥环形耦合器 图1 5 常见3 d b 电桥 利用3 一d b 电桥电路基本单元，可以以二进制结构来实现多路合成，如图卜6 所示，使用的合 成单元数目是 图1 6n 级二进制合成框架图 2 的倍数2 “。合成单元的损耗是限制二进制合成结构合成效率的重要因素，合成单元损耗 越大，合成效率越低，合成路数越多，合成效率越低而且实现的难度越大。二进制结构使用 的耦合器不一定要求采用完全一样的电路，而且它对每一级耦合器的要求苛刻程度也不相 同。如果把图i - 6 所示结构的输入和输出颠倒过来用作功率分配器，和图i - 6 的合成器构成一 个功率合成阵，那么合成阵对最外边的耦合器( 总的输入和输出耦合器) 的要求是最高的，对 内层的耦合器的要求逐渐降低，对最里边( 数量最多的) 一列耦合器的要求最低。在二进制合 成结构中，合成路数越多，合成阵对放大器失效就越不敏感。这种合成结构有一个缺点就是 扩充起来比较麻烦。如果要提高己经做好的二进制合成阵的输出功率，不论要求的输出功率 是否增加一倍，都必须按照二进制对称性的要求增加一系列的放大器和耦合器。在要求增加 的功率不多时，付出的代价比较高，很不经济。当然也可以考虑不改结构，而换用输出能力 更大一些的放大器。 7 链式合成器 东南大学硕士学位论文 下图卜7 示1 了链式结构合成器的示意图阻1 ，它也称为串行合成器或非二进制合成器其 中，n 路合成器中顺次排列的各级都使得传送到输出端的功率增) j d l n 正如图中表明的， 级的编号确定了该级所需的耦合系数。理想情况下第n 级的耦合度为1 0 1 9 n d b 。原则上可以将 耦合效率3 d b4 7 8 d b6 d b10 1 0 9 nd b 图1 7 链式合成结构 耦合度为l o l g ( n 十1 ) d b 的第n + 1 级级联在第n 级之后，以得到符合要求的输出功率。其优点在 于较灵活，具有较高的效率和良好的隔离度。缺点在于：耦合器的损耗会降低合成效率，使 得合成器带宽变窄：而且，级联的级数越多，耦合越弱，且设计精度难以达到，在毫米波频 段更是如此。 多路合成 己报道的多路合成分别采用的合成电路有：多路w il k i n s o n 电桥、径向线( r a d i a lli n e ) r u k e r 电路、以及锥形波导电路结构等。合成电路中采用了阻性材料提高各合成单元之间的 隔离度，并抑制了高次模的激励。由于电路结构的限制。工作频率很难达 ! l j 6 0 g h z 以上。 前人已经提出过许多非谐振合成方法，因为这种方法可以使放大器的带宽更宽。这种结 构最早的也是最著名的就是w i l k i n s o nn 口合成器n 叭，如图1 - 8 所示。输入阻抗z o 反馈n n 个 入4 输出线，阻抗为x n z o ，n e l 之间的隔离是通过连接它们之间的电阻来完成的。这种电 路的优点是频带宽，缺点是存在跳模和需要端口问的隔离问题，当n 2 时，工作在高频情况 下很难连接足够大的隔离阻抗。除两口合成器外，在平面电路中也不能连接隔离电阻。目前， 以上合成技术应用还不广泛，尚未应用于毫米波频段上。 8 l ；入4 第1 章绪论 图1 名w i l k i n s o nn 路功率分配，合成器 公共点 除了w i l k i n s o nn i ：i 合成器之外，还有其它多口非谐振合成方法。有一种被证明成功的 合成方法是m r u c k e r n 提出的五口合成器，能在7 g h z 和9 g h z 频率分别得到4 w 和3 w 以上的连续 波合成功率。圆锥合成器可作为一种宽带合成器，工作在x 频段时其l d b 带宽为1 5 ，增益为 6 d b 。近来己经研究并使用的辐射状合成器是工作在x 频段的1 2 口晶体管合成器，它工作在 8 5 g h z 时合成效率为8 7 4 ，l d b 带宽为2 0 a t s u s h is a n a d a 提出了一种新的波导型的多口 行波微波功率合成分配器结构n 2 1 ( 如图1 9 ) ，通过在分配级内部抵消反射，实现行波工作方 式。分配器由各级无反射分配单元组成，每个分配单元包括一对同轴支路和一个短的窄波导 部分。它有插入损耗低，带宽宽和分支数量选择范围大等优点。但是其不足的是端口对之间 隔离较弱，合成时在输入端应接相应的移向器。 一穗舞”舛( 镰入 1 2 3 空间合成技术 图1 9 行波分配器a ) 立体图b ) 分配单元 空间功率合成技术n 那是2 0 世纪8 0 年代初提出的一种毫米波功率合成方法，直到上世纪八 十年代后期和九十年代初才开始被人们重视并加以研究。这类功率合成方式主要是利用多个 功率辐射单元，以正确的相位关系来实现功率的叠加。合成后的功率可以通过天线接收，也 可以将合成功率在空间位置上直接定位于高功率需求处。在电路合成中，功率由有源器件直 9 东南大学硕士学位论文 接通过合成电路耦合到平面传输线上：而空间功率合成中，功率由有源器件耦合为大直径的 导波波束，再通过波束聚焦到空间功率需求点或转换为波导模式输出。大直径的波束横截面 允许采用的合成单元数目更多，从而可以提供更大的输出功率，而所有的合成单元都处于并 联工作状态，损耗基本上与合成单元数量无关，这使得空间功率合成在合成单元数目较多 ( 3 2 ) 时具有十分明显的优势，可以满足高功率的需求。能量的分配与合成是通过低损耗的 波导或g a u s s i a n 波束完成，合成系统中的欧姆损耗很小。合成损耗主要由有源器件耦合输出 为传播波束以及传播波束耦合到功率接收端口时引起，而这类损耗可以通过优化设计做到很 小。空间功率合成技术主要分为两类，即：由w l o t h a r 等人提出的准光腔功率合成技术u 4 1 以及由k c h a n g ，t i t o n 等人提出的自由空间波功率合成技术引。前者利用了准光腔( 又称为 开放腔) 的基本特性，将毫米波器件通过不同的结构形式安置于准光腔内进行功率合成：后者 则利用了天线的辐射和互耦合特性，将各个毫米波器件的辐射功率在自由空间进行功率合 成。 在可靠性方面，由于空间功率合成的各合成单元为并联关系，相互问的影响很小。据文 献引报道，当部分单元失效时系统仍能正常可靠的工作，而不会出现毁灭性的结果。可以说， 空间合成是进一步提高输出功率的最有效的方法，也是当前最热门的功率合成技术。 图1 - 1 0 是波导接口准光合成的示意图。 输入波导 混合合成多级合成 有源阵列 图1 1 0 波导接口准光合成 输出波导 为了得到足够高的输出功率，实际的功率合成常常采用多级合成，即将以上几种合成方 式综合利用，根据实际情况充分利用不同合成方式的优点，做到性能互补，以最小的代价做 到最实惠的功率合成。通常情况下，第一级采用芯片级合成，第二级采用电路级合成，如果 输出功率仍然不能满足实际要求的话，采用空间功率合成作为第三级功率合成，从而充分利 用各不同合成方法的优点，做到性能互补。 其他合成方式 除了上面讲到的合成方式以外，还有介质波导、推挽电路、阵列合成、等其他合成方式。 1 0 第2 章k a 波段隔膜波导功率合成器的设计 第2 章k a 波段隔膜波导功率合成器的设计 二进制和链式合成技术，被广泛用来合成相对数量较少的器件。 在微波平面电路中，耦合器比如同相w i l k i n s o n 和正交电桥被用来作为两路合成元件， 或者说加法器，二进制合成器仅需要设计一个加法器单元，而链式合成器需要耦合器的耦合 值在每个结点都在改变，本章我们重点考虑二进制合成器，并提出一个新型的结构。 2 1 1 隔膜波导功率合成器的原理 分配合成器是一个简单的三端口网络，能用做功率分配或功率组合。图2 - l 给出了一些 常用的波导型的t 型结。此处显示的结，是不存在传输线损耗的无耗结。 图2 - 1t 型功率分配器 f ，墨，s 2s 3 、 s 】= i ， & 2是3 l ( 2 ，) l 墨。墨2墨3 1 1 = 雕台s 1 3 东南大学硕士学位论文 ( 2 2 ) 现在，若网络也是无耗的，则根据能量守恒要求散射矩阵是酉正的，这会导出下列条件： 墨：1 2 + 酬2 = 1 墨：1 2 + 阮1 2 = l 墨，1 2 + 刚2 = l 墨。+ = 0 岛，+ 墨：= 0 s , s , 3 = 0 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 上式( 2 6 ) ( 2 8 ) 表明( s ，s ，& ，) 这三个参量中，至少有两个必须为o ，但条件总是 和上式( 2 3 ) ( 2 5 ) 矛盾，表明该三端口网络不能是无耗的，互易的和全部端口匹配的。假如 这三个条件中任意一个条件放宽了，则这种器件在实际上是可以实现的。 无耗t 型结分配合成器有不能在全端口匹配的缺点，另外是在输出端口之间没有任何的 隔离。电阻性分配器在全部端口匹配，但不是无耗的，而且仍然达不到隔离然而，从前面的讨 论中，我们知道，有耗三端口网络能制成全部端口匹配，并在输出端口之间有隔离。 w i l k i n s o n 功率分配合成器是这样一种网络。当输出端口都匹配时，它仍具有无耗的有 用特性，它只是耗散了反射功率。我们可制成任意功率分配比的w i l k i n s o n 功率分配器，这种 分配器常制成微带或带状线形式。目前常用的功率合成技术采用微带合成，比如正交混合 网络，w i l k i n s o n 电桥，混合环等电路结构，这种合成方式具有制作简单，电路可靠等优点。 但是在k a 波段，采用微带电路有一个很大的局限，那就是损耗，在高频波段，微带电路 的介质损耗，导体损耗都相应增加，同时当工作频率提高，微带线上不仅仅为单一的t e m 波， 还存在高次模，表面波形的影响，这将影响微带电路的工作。即使在高次模截止的情况下， 当工作频率提高时，微带线将呈现出非t e m 波的特性，色散现象会变得严重，这些都将导致 微带电路的插入损耗增加，从而降低了功率合成的效率，因此考虑采用波导结构米设计功率 合成器。 第2 章k a 波段隔膜波导功率合成器的设计 一个看上去很有前途的方法就是如图所示的分支隔膜波导设计，在图2 2 中，一个面向h 面的金属隔膜，将波导切分为两个半高波导此结构为宽带的且紧凑的，同时仅有极低的损 耗。尽管如此，对于金属隔膜，此网络是无耗的，任何无耗三端口网络，都不可能获得很好的 端口匹配和隔离。 图2 2 分支波导结构 为了改善端口匹配和隔离度，在相关文献中，采用阻性卡片n6 1 ，或者在开槽隔膜中载入一 个离散电阻引。在第一个方法中，在更高频率处，当阻性卡片的厚度大于趋肤深度时，插入损 耗就会快速增加。第二个方法减轻了插入损耗的问题，但由于在k a 波段，波导尺寸较小，并不 能于此波段被制造出来。 类似于平面电路中的w i l k i n s o n 功分器，本论文展示了一种新型的二进制阻性隔膜合成 器，在前面的基础上极大的改进了性能，隔膜添加阻性成分，从而系统由无耗网络变为有耗网 络。此设计在k a 波段相较较易实现同时可以扩展到更高的频率。跟前面不同的是，隔膜的阻 性成分使用薄膜电阻技术来实现，此技术广泛应用于制造混合微波电路中。隔膜的阻性部分 由一个低损耗的介电衬底均匀地涂上一层氮化钽阻性材料。在此方法中，t a n 薄膜的厚度应制 作小于在毫米波频段的趋肤深度。 如图2 - 3 所示的原型展示了薄膜阻性隔膜功率合成器的结构，在这里全高波导使用阶 梯阻抗变换器匹配到分支机构半高波导。为了布局的方便，e 面弯头也被包括在此设计中。同 时，我们致力于保持中心平面两边的对称性来保证适当的幅度和相位平衡。隔膜衬底由堆砌 两个0 1 3 m m 厚的铝薄膜来实现。设计衬底外侧一面涂上方阻为1 2 8 欧姆的t a n 薄膜。安装时背 靠背安装。 1 3 千f 十芦 东南 学碗十学位论a 图2 - 3 二进制阻性隔膜波导功率台成器原型 2 2 隔膜波导功率合成器的设计 在隔膜波导功率合成器的设计中，着重要考虑几个细口的设计，包括阶梯阻抗变换波导 弯头，这对丁该结构的输入输出匹配非常重要。 2 2 1 阻抗变换 我们可以从幽2 3 中可以看到，当波导分支为两个半高波导与标准波导口相连时。不得不 考虑两个端口的匹配问题。 我们知道，微带传输线中电磁场分布类似 - t e m 波，称为准t e m 波，其传输特性可以由 行波电压与行波电流的比值一特性阻抗z n 描述。而波导横截面电磁场分布不再类似于这种情 况，其传播特性只能由横向电场与横向磁场的比值渡阻抗米描述，当波导与微带相联接时 可以用等效特性阻抗的概念米描述波导的传输特性。对于矩形波导主模t e i o 模式，通常可以 采用以f 三种定义等效特性阻抗： z r u , 1 ) = 嚣b 而丽q 。， 弛p ) 出：b 丽i 列胆瓮b 而焉 ( 2 1 0 ) 第2 章k a 波段隔膜波导功率合成器的设计 其中，7 ，旯，a ，b 分别为自由空间波阻抗，自由空间波长，矩形波导宽边与窄边的长。 可见三种定义得到的等效阻抗具有不同的系数。这说明等效电压和电流定义的非唯一性： 但他们与波导横截面尺寸有关的部分相同。实践证明，用上述任一种等效阻抗式计算的两段 不同尺寸矩形波导的连接，只要其等效阻抗相等，连接处的反射即最小。这说明上述等效阻抗 可用于计算碣。模矩形波导的反射和匹配问题，并具有t 跚传输线特性阻抗的功能。但应注 意，在工程计算时，同一问题的计算应该始终采用同一种定义式，并且应该说明采用的是哪一 种定义式。 在这里，我们在k a 波段采用标准矩形波导w r 2 8 ，使用电压，功率定义的等效特性阻抗式，由 比例关系，假定半高波导的等效特性阻抗为z 口f ，则全高波导的等效特性阻抗为2z 厶矿。 当负载阻抗和传输线的特性阻抗不相等，或是连接两段特性阻抗不同的传输线时，可以 在其间接入阻抗变换器，以获得良好的匹配，常用的变换器有两类：一类时由四分之一波长传 输线段组成的阶梯阻抗变换器：另一类时渐变线阻抗变换器，后者加工更为复杂，且指数线不 易保证，所以这里采用阶梯过渡。 单节九4 阻抗变换器 若主传输线的特性阻抗为z o ，终端接一个纯电阻性负载z = 吃，但z t z o ，则可以通 过在传输线与负载之间接入一段特性阻性z l ，长度为，四分之一的线段来实现匹配，如图2 - 4 所示，此四分之一波长线段称为入4 阻抗变换器。现确定其特性阻抗z l ，对于如图2 4 所示 的电路。，= 屯o 4 时，输入阻抗z - 为 t o： ： 呻1 ； z l l 互 ：- j 图2 - 4 1 5 7 7 - - z i 。, 。+ j - - i0 1 8 堕4 弘五蕊 z l + j zl l g p z i = 止互 故，要实现z 伽= z 0 ，则要求 z l = 压互 东南大学硕士学位论文 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 对于单一频率，这种简单的变换段就是一个理想的匹配器，但只能匹配纯电阻负载，其工 作带宽较窄，而多节四分之一波长阻抗变换器能有效的展宽工作频段。 为什么多节入4 阶梯阻抗变换器能使工作频带展宽呢? 现以图2 - 5 所示的两节入4 阶梯 阻抗变换器为例进行分析。令交换器两端所接传输线的特性阻抗分别为纯电阻z o 和乙，图 中乙 乙每一节具有相同的长度，= 以。4 ，在中心频率石，电长度 秒= = 万2 ，t o ，五，乏为各阶梯处的参考面，r o ，r lkr 2 分别为对应参考面上的局部 电压发射系数，设两节x 4 传输线段的特性阻抗分别为z i ，z 2 ，且乙 z 2 z i z o ，则局 部电压反射系数分别为： r o 一焉 = 焉 = 缓 ( 2 1 5 ) 假定这些局部电压反射系数的模都很小，因此可以认为各参考面上入射波电压的幅值相 等，作为一级近似，t 。参考面上，总的电压反射波只取各参考面一次电压反射波的总和，即 q = r ou f + r lu fe - 2 口+ r 2u fe 一7 4 口 兀面上总的电压反射系数为 r ：竽：+ r i e - j 2 0 + o 卅一 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 式中e 一 ，e 一4 口为互，互参考面上电压反射波经过不同距离而弓l 入的相位滞后现邸 1 6 芏乙 i i 第2 章k a 波段隔膜波导功率合成器的设计 r or 。 r2 ； 葛一- 1 | r 。u 。l u x e je i； 一一_ 一一一 r 。u l 一2 日 l 兀v 1 日i _ 卜一：一一一l 一一一! r 2u l 8 r 2u l 扩8 图2 5 由上式来说明为什么多节阶梯变换器能够增宽频带。单节变换器只有两个阶梯突变面， 口 反射系数r 的表达式中只有上式前两项，若取r l = f 。，在中心频率处0 = ，这两项的和为 2 零，即两突变面处的反射波在输入端相互抵消，从而获得匹配，但偏离中心频率时，因 0 万2 ，则两个反射波不能完全抵消。然而在多节阶梯的情况下，由于阶梯突变数增多，参 与抵消作用的反射波数量也增多，这样有可能在多个频率点上使总反射系数r = 0 ，从而在相 同的反射系数阈值下，使工作频带增宽。 如果变换器有n 节，阶梯突变面为r o ，五，互瓦共( n + 1 ) 个若对称选择各局部电压 反射系数：f o = f ，f ，= f | 一i ，取一次近似，这时上式扩展为 f = f 。+ i i p 一，2 口+ r 2 p 一，4 p + + r 月p 一，2 彬+ + r p 一，2 一 = ( r o + r o e 一7 2 口) + ( r l e 一7 2 口+ r 一l e 一7 2 一1 妒) + = e - j u o r o ( e 护+ p 一 旧) + r i ( p 7 一2 妒+ p 一7 一2 口) + 】 上式括号中最后一项为 1 7 ( 2 1 8 ) f r 一( + e 一归) l f 1 r 【i 故有 东南大学硕士学位论文 当n 为奇数 当n 为偶数 上式为余弦函数的多项式，其模为 i f = 2f 。c o s n 0 + f lc o s ( n - 2 ) 0 + i ( 2 1 9 ) 当n 为奇数 当n 为偶数 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 有多个口值满足l r l = 0 ，只要适当选取各局部电压反射系数，也就是适当选取各阶梯段 传输线的特性阻抗，就可以得到各种带通特性。 在本文的阻抗变换设计中，我们选择反射系数模值按切比雪夫多项式变化，而获得通带 内反射系数模值呈等波纹变化的特性，在这里，就不再赘述所推导的详细公式。 在本文所设计的k a 波段高效率功率合成器，我们所关心的频段是2 8 - 3 2 g h z ，半高波导的 等效阻抗为乙。f ，可以算出，两节四分之波长波导的等效阻抗分别为： 互= 1 1 8 z 4 矿，z 2 = 1 6 3 5 即b l = 0 5 9 b ，b 2 = 0 8 1 7 5 b ，b = 1 4 0 r a i l ， b l ，1 , 2 分别为阶梯阻抗变换段的窄边长 导波相波长： 以= 衫正丽函了 ( 2 忽) 得： 以。i 。= 以l 用2 0 m = 1 2 4 6 8 m m ( 2 2 3 ) 以瑚。= 以i ，- 2 。a m = 1 6 2 8 3 m m t。=瓦2彳grainlgmax-14122m垅 则四分之一相波长，换算为英制为1 3 9 m i l ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 秒soo 】 孚n j r 一2 + + + + 秒 9 2 2 一 一 义 义 r r + + 移 秒 m 肭 s s o 0 l r 口 p 胛 胛 2 2 = = r r 第2 章k a 波段醋膜波导功率合成器的设计 必须注意，在上述讨论中均假定乏和z a 是实数，且与频率无关。对于删渡传输线来说 这个近似是容许的。但对波导来说，其等效阻抗是随频宰改变的，此外，在不同特性( 或婷效) 阻抗的两段传输线连接处，由于横截面尺寸的突变，激励起电抗性的场其效应可等效为一并 联阶梯电容，这也会改变变换器的性能，在前面的讨论中忽略了这些影响因此，导出的计算 公式对于实际的变换器。只能做定性的分析我们可以通过仿真软件c s t 。h p s s 来优化设计 圈2 删r 2 8 全高波导到半高波导二节阻抗变换示意图 一 一、 v 图2 7 阻抗变换艋s