（电磁场与微波技术专业论文）毫米波空间功率合成技术的研究.pdf

幽珊唧2 蜊删啪瑚删f 册 y 1 7 5 4 j i 岩苔 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：丝塑鱼日期： h 沁3 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。 研究生签名：琶蛆塑导师签名：期：型! ：2 ：2 摘要 毫米波空间功率合成技术的研究 陈明勇窦文斌 东南大学毫米波国家重点实验室 摘要 毫米波固态功率放大器是毫米波系统中最关键的部件之一，它的输出功率直 接决定了发射机的作用半径，抗干扰能力以及系统的通信质量与性能。单个固态 功放的输出功率有限，而毫米波空间功率合成的方法具有可合成器件量大，合成 效率高和输出功率大等一系列的优点，采用毫米波空间功率合成的方法可以极大 地提高输出功率。因此，对毫米波空间功率合成的研究有着重要的现实意义。 本文的主要目的在于设计频带宽，插损小，可扩展性强的空间功率合成网络。 分别设计基于径向波导的空间功率合成网络和基于波导透镜的准光功率合成网 络。主要内容如下： 一、基于径向波导的空间功率合成网络 ( a ) 设计一种矩形波导径向波导适配器，该结构作为径向波导功分器的 馈源； ( b ) 采用径向波导进行功分器的设计，分别设计k a 波段和w 波段六路 和十二路同轴探针形式的径向波导功分器结构； ( c ) 为功率合成器有源电路结构的安置设计了微带电路部分，实现多通 道同轴一微带过渡，为功率合成网络的一体化打下基础； ( d ) 将上述各个组件组合形成径向波导功率合成网络，并对整体网络进 行性能测试。 二、基于波导透镜的准光功率合成网络 ( a ) 设计w 波段e 面扇形喇叭，将其作为波导透镜的馈源； ( b ) 设计由四个矩形波导阵列构成的波导透镜； ( c ) 将喇叭馈源和波导透镜组合构成功率合成网络。 关键词：毫米波，空间功率合成，径向波导，波导透镜 a b s 仃a c t r e s e a r c h e so nm i l l i m e t e rw r a v es p a t i a l p o w e rc o m b i n i n gt e ：c h n 0 1 0g y -，-， m y c h e nw ：bd o u s t a t ek e yl a b o fm i l l i m e t e rw r a v e s ，s o u t h e a s tu n i v e r s i 锣 a b s t r a c t m i l l i m e t e 卜w 孙，es o l i ds t a t ep o w e r 锄p l i f i e ri so n eo ft t l em o s tc r i t i c a l c o m p o n e n t si nam i l l i i n e t e r - w a v es y s t e m ，锄di t so u q ) u tp 0 1 w e rd i r e c t l yd e t e n m n et l l e r a d i u so ft l l et r a _ r l s m i t t e r ，距t q a m m i n gc a p a b i l i t i e sa i l dt l l eq u a l i 够a n dp e r f o n n 锄c eo f c o m m u i l i c a t i o ns y g t e m t h eo u t p u tp o 、e ro fas i n g l es o l i d s t a t ep o w e ra m p l i f i e ri s l i m i t e d ，w m l em ei i l i u i i i l e t e r - w a v es p a t i a lp o w e rc o m b i i l i i 培l l a sl a r g eq 啪t i 够o f c o m b i n i i l gd e v i c e s ，1 1 i 曲e 蚯c i e n c yo fc o m b i n i i l g ，1 1 i 曲o m p u tp o w e ra i l das 耐e so f a d v a n t a g e s m i l l i m e t e r w a v es p a t i a lp o w e rc o m b i i l i n gc a ng r e a t l yi m p r 0 v et l l eo u t p u t p o w e r t h e r e f o r e ，m em i l l i m e t e r - w a v es p a t i a lp o w e rc o m b i i l i r 培h a si m p o r t 觚t p r a c t i c a ls i 9 1 1 i f i c a n c e t h em a i np u 耳 0 s eo fm i sp a p e ri st od e s i g nt l l es p a t i a jp o w e rc o m b i n e rw i t hw i d e 丘e q u e n c yb a i l d w i d t h ，l o wi l l s e r t i o n1 0 s s ，a i l dg o o de x p a n s i b i l i t ) ，as p a t i a lp o w e r c o m b i n e r b a s e d0 nr a d i a lw a v e g u i d ea 1 1 daq u a s i - o p t i c a lp o 、v e rc o m b i n e rb a s e do n 也e 、硼【v e g u i d el e i l sa r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y t t l em a i l lc o m e n t sa r e 硒f o l l o 、s ： 1 s p a t i a lp o w e rc o m b i n e r b a s e do nr a d i a lw l v e g u i d e ( a ) ak a - b a n da n dw b a n dr e 酏m g u l a r - r a d i a lw a v e 嘶d ea d a p t e r si sd e s i 髓e d ，u s i n g t h es n c t u r e 懿t l l ef e e do far a d i a lw a v e g u i d ep o w e rd i v i d e r ； ( b ) u s i n gm d i a lw a v e g u i d et od e s i 驴p o w e rd i v i d e r ，k a b a i l d 觚dw b a l l ds i x - w a y t 、e l v e - w a yc o a ) 【i a lp r o b e sf o 珊o ft h er a d i a lw a v e g u i d ep o 、e rd i v i d e r sa r ed e s i 盟e d ； ( c ) am i c r o s 仃i pc 硫u i ti su s e da st 1 1 ea c t i v ea r c l l i t e c n j 】_ eo ft h ep o w e rd i v i d e r ，a 1 1 d a c m e v e sm u l t i - c h 锄e lc o a x i a l m i c r o 矧p 觚i t i o n 也a ti sf o rt l l ef o u i l d a t i o no f 也e i n t e 掣a _ t i o no ft 1 1 ec o m b i n i n gn e t w o r k ； ( d ) l l s i n gm ec o m p o n e n t sd b o v et 0c o n s 仃u c tr a d i a l 眦l v e g u i d ep o w e rc o m b i n e r ， t e s t i n gt h eo v e r a un e t 、) m r kp e r f o n 】n c e 2 q u a s i - o p t i c a lp o w e rc o m b i n e rb a s e do n t 1 1 ew a v e 觚d el e n s ( a ) aw - b 锄dep l a i l ef i mh o m a st h ef e e do ft h ew a v e g u i d el e n si sd e s i 趴e d ； ( b ) f o u rr e c ：t a i l g u l a rw a v e g u i d e sa n 芍c o i l s i s t i n go f r a v e g u i d el e i l si sd e s i 印e d ； ( c ) u s i n gh o ma i l d 啪v e g u i d el e i l st 0c 0 枷tq u 嬲i o p t i c 2 l lp o w e rc o m b i n e r k e yw r 0 i d s ：m i l 积，a v e ，s 叫a l 旧c 0 m br a d i a l ，a v e 鲥d e ，w 打e g u i d e h 目录 第一章绪论 目录 i 1 1 课题背景l 1 2 毫米波空间功率合成技术综述2 1 3 本文的工作内容6 第二章功率分配合成技术的理论基础。8 2 1 功率分配器的网络分析8 2 2 功率分配器的合成效率分析9 2 2 1 幅度、相位不一致性对合成效率的影响1 0 2 2 2 电路损耗对合成效率的影响1 3 第三章基于径向波导的空间功率合成网络 1 5 3 1 径向波导的理论基础。1 5 3 1 1 径向波导中的传播模式1 7 3 1 2 径向波导中的两个常用传播模式。1 9 3 2 径向波导馈源结构的设计一2 2 3 2 1 径向波导的馈源形式。2 2 3 2 2 径向波导馈源结构的设计2 3 3 3 径向波导功分器的设计。2 6 3 4 同轴一微带过渡结构的设计2 9 3 5 过渡结构测试系统的设计。3 l 3 6 基于径向波导的空间功率合成系统的设计。3 2 3 7 功率合成网络的性能分析。3 5 3 7 1 幅度、相位不一致。3 5 3 7 2 电路损耗不一致4 0 3 8 十二路径向波导功分器。4 5 第四章基于波导透镜的准光功率合成网络4 7 4 1 馈源喇叭天线的基本原理。4 7 4 2 波导透镜的基本原理一4 9 4 2 1 平行板金属透镜4 9 4 2 2 波导透镜5 0 4 3 基于波导透镜的准光功率合成网络的设计。5l 第五章结论 攻读硕士学位期间发表的论文 5 4 5 5 重参：考文南炙。5 6 致谢 m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 近几十年来，毫米波技术的发展日新月异，这不仅表现在各种新型毫米波 元器件的开发和研究，而且毫米波技术在通讯、遥感、制导和射电天文等许多 方面得到了广泛应用。毫米波由于其抗干扰能力强、分辨率高、穿透性好而被 广泛地应用于通讯、雷达、导航等领域，在军事电子及现代化武器系统中占有 重要的地位。 在毫米波系统中，毫米波固态功率放大器是其中最关键的部件之一，它的 输出功率直接决定了发射机的作用半径，抗干扰能力以及系统的通信质量与性 能。而随着半导体器件的工作频率升高到毫米波频段，器件的尺寸和输出功率 都在减小。电真空器件虽然可以产生比固态器件高的功率，但要求有很高电压 的电源，且体积庞大，在很多环境如航天航空飞行器中不好应用。固态器件的 电源虽然比真空器件简单，体积小，但由于毫米波固态器件受自身半导体物理 特性的影响以及加工工艺等诸方面的限制，单个固态器件要获得较大的输出功 率还难以实现。为了让固态器件在毫米波频段产生较大的功率，固态器件须合 成来产生较高的功率。 目前，在功率合成技术领域国内外应用最多的是电路合成方式和空间功率 合成方式。在毫米波频段，电路合成由于传输线损耗以及电路面积随器件数量 增加成非线性增长，从而其合成效率和能够合成的固态器件数目受到限制，不 能满足毫米波发射机的发射功率要求。而空间功率合成采用大直径波束或波导 模式与有源器件直接耦合，可实现多单元器件功率直接合成，其最大优点是合 成效率基本与固态器件数量无关，所以更适合毫米波频段多器件的大功率输出。 基于空间功率合成在毫米波频段的诸多优点，本课题采用空间功率合成方 式来研制k a 波段和w 波段固态器件的功率合成网络，主要目标在于设计具有 合成效率高和扩展性强的功率合成网络，以满足k a 波段和w 波段发射机所需 要的大功率要求。 东南大学硕士学位论文 1 2 毫米波空间功率合成技术综述 自上世纪六十年代以来，微波毫米波功率合成技术在国际上就引起了广泛 的关注，经过四十多年的发展，目前通常划分为以下三类：芯片级功率合成， 电路级功率合成，空间级功率合成。 空间功率合成是二十世纪八十年代提出的一种毫米波功率合成方法，它的 基本思想是采用大直径波束或波导模式与有源器件直接耦合，实现多单元器件 功率直接合成。它的主要特点是可合成器件数量多，合成效率高以及输出功率 大。空间功率合成一般可分为波导空间功率合成、准光功率合成以及波导内空 间功率合成这三种主要方式。 波导功率合成的原理是在波导上面开口，然后利用多路微带探针或同轴探 针等结构将能量从波导内耦合出来在波导外进行功率的放大，最后经波导合路 器实现功率的叠加，其中所有的合成单元都处于并联工作状态。常见的波导功 率合成结构如图1 1 所示。 娜融i gi u 一啦：。 图1 1 常见的波导外功率合成结构图 前人已经在波导功率合成方面做了许多工作，分析设计并且制作了多种波 导功率合成结构。 1 9 8 4 年，t i n g mh s u 和m a r i od s i m o n 眦i 提出了一种v 波段1 6 路径向波 导功率合成网络，在5 5 6 7 g h z 频率范围内的最大插入损耗为1 d b ，回波损耗 优于1 2 d b 幢1 。 1 9 9 0 年，l 湎c l l a n g 等人提出了一种x 波段4 路径向波导功率合成网络， 该功分器在2 5 g h z 频率处的插入损耗小于o 5 d b ，集成4 个g u l l l l 振荡器后合 成网络的合成效率大于7 0 b 1 。 1 9 9 9 年，r i z w a nb a s l l i m l l a h 和a m i rm o n az a _ 丽设计了一种波导缝隙耦合的 2 第一章绪论 波导功率合成电路，该电路的有源器件由8 个m e s f e t 构成，在l o g h z 频率 处的功率输出为1 4 w ，放大器的增益为6 7 d b ，合成效率为8 8 ，3 d b 工作带 宽为5 4 3 【羽。 2 0 0 4 年，x i nj i a n g 等人设计了一种勋波段行波法级联缝隙波导的波导功 率合成网络，该结构在3 2 2 g h z 频率处的输出功率为3 3 d b m ，合成效率为8 0 ， 在3 4 g h z 频率处信号增益为1 9 4d b ，3 d b 带宽为3 2g h z 6 】。 2 0 0 6 年，k 面u i ls o n g 等人提出了一种4 路径向波导功率合成网络，该结构 在1 2 1 6 g h z 频率范围内的插入损耗小于0 5 d b ，回波损耗大于1 5 d b 口3 。2 0 0 7 年，他们又提出了一种8 路功率合成网络，在8 g h z 频率处的插入损耗小于l d b ， 回波损耗大于1 0 d b 随1 。 准光功率合成的原理是利用多个功率辐射单元，按照正确的相位关系，在空 间实现功率的叠加。由于输入信号由有源器件耦合为大直径的导波波束，因此 允许采用的合成单元数更多。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，这使得准光功率合成在合成单元数目很多( 大于3 2 ) 时 具有十分明显的优势阳3 。在高频段，短波长要求设备具有高集成度，如果结合 m m i c 技术的优点，准光功率合成系统将可以构成更多的阵列单元，以获得更 高的功率需求。常见的准光功率合成结构如图1 2 所示。 k 叫酮 图1 2 常见的准光功率合成结构图 前人已经在准光功率合成方面做了许多工作，分析设计并且制作了多种准 光功率合成结构n 们。 1 9 8 3 年，w l o t h a r 等人提出了一种准光功率合成方法一注入式准光功率 合成，它将两路或多路彼此独立的振荡器的输出通过介质天线注入到准光腔中 进行功率合成，在6 0 g h z 频率处获得了5 4 的合成效率n 1 1 。 1 9 8 8 年，z b p o p o v i c 等人提出了一种集成阵列式准光功率合成方法，该方 3 东南大学硕士学位论文 法采用二维栅格阵列进行固态振荡器的功率合成，实测显示2 5 个m e s f e t 栅 格阵列在9 7 g h z 处获得3 7 w 的有效辐射功率n 羽。1 9 9 1 年，他们又使用l o o 个 m e s f e t 栅格阵列在5 g h z 频率附近获得了2 1 w 的有效辐射功率n 引。 1 9 8 8 年，p g f r a y n e 等人提出了一种微带天线激励式准光功率合成方法， 在该实验中，他们将3 只g 啪器件安置在准光腔的反射面上，通过各器件的 微带天线在准光腔中产生激励进行功率合成，在3 4 g h z 频率附近获得了8 0 m w 的合成输出功率，合成效率为6 0 n 钔。 1 9 8 9 年，谢文楷等人提出了一种多反射面式准光功率合成方法，该实验采 用了一种特殊的三反射镜准光谐振腔，在原理上可分为多振荡器的合成结构和 多器件振荡的合成结构。整个系统工作于3 6 g h z 频率附近，2 只和4 只g u 衄 器件的合成输出功率分别为3 1 m w 和4 5 5 m w n 习。 1 9 9 3 年，m o o i l i l 鼬m 等人设计了一种1 0 0 个单元的栅格阵列放大器，其中 的每个单元由h b t 微分对构成，该结构的最大输出功率为4 5 0 m w ，最小噪声 系数为7 d b ，在1 0 g h z 频率处的峰值增益为1 0 d b n 阳。 1 9 9 6 年，m i c h a e lp - d el i s i o 等人设计了一种1 0 0 个单元的p h e m t 栅格阵 列放大器，栅格中的有源器件由p h e m t 微分对构成，该结构的最大输出功率 为3 7 w ，最小噪声系数为3 d b ，峰值功率附加效率为1 2 ，在1 0 g 频率处 的峰值增益为1 0 d b n 钉。 1 9 9 8 年，c e s a a v e d r a 等人设计了一种新颖的毫米波准光放大器阵列，它 由位于平行板波导的喇叭天线堆栈而成形成阵列，该结构在4 3 2 5 g h z 处的最 大增益为7 2 5 d b ，带宽为5 7 5 g h z n 羽。 1 9 9 9 年，j o l l i lh u b e n 等人提出了一种k a 波段上的准光功率合成放大器， 该结构由喇叭馈源1 3 个单元的双向有源阵列，连续波功率输出功率达到4 w ， 大信号增益达到1 6 d b n 引。 2 0 0 0 年，b 1 y t l l ed e c k m 趾等人提出了一种k a 波段上的单片集成栅格放大 器阵列，该结构在3 7 2 g h z 频率处的小信号增益为8 d b ，输出功率为5 w ，功 率附加效率为1 5 嘲1 。 2 0 0 0 年，s e a i lo n i z 等人设计了一种i o 波段上准光放大器阵列，该结构用 喇叭馈源4 5 个有源阵列时得到2 5 w 的功率输出，当单元格增加到9 8 个时得到 5 0 w 的功率输出口。 4 第一章绪论 2 0 0 4 年，1 1 1 0 r em a g a t l l 等人设计了一种准光放大器阵列，该结构集成了4 4 i m p a t t 振荡器阵列，在6 5 g h z 频率处获得了1 3w 的连续波功率输出，合成 效率达到了7 0 1 。 波导内功率合成的原理是直接在波导中插入有源放大阵列，通过波导控制 电磁场及波导内场的模式，所有的阵列合成单元都处于并联工作状态。常见的 波导内功率合成结构如图1 3 所示。 嘲 图1 3 常见的波导内功率合成结构图 1 9 9 7 年，a a l e x a i l i a n 和r a y o r k 设计了一种x 波段基于规则矩形波导2 x 2m m i c 功放阵列的波导内功率合成网络，实现了2 4 w 的连续波功率输出， 合成效率达6 8 。 1 9 9 9 年，n a i - s h u oc h e n g 和a a l e x a l l i a i l 等人设计了一种采用8 个g a a s m m i c 功放的波导内功率合成网络，该结构集成了2 4 锥形鳍线阵列，在 8 1 l g h z 频率范围内实现了4 0 w 的连续波功率输出，合成效率接近7 3 乜钔。 2 0 0 0 年，j i n h 0j e o n g 等人设计了一种波导内功率合成网络，当该结构集成 1 2m m i c 模块时，在2 4g h z 频率处的输出功率为1 6 w ，合成效率为8 3 ； 当集成l 2m m i c 模块时，在2 4g h z 频率处的输出功率为3 3 w ，合成效率为 8 3 2 钉。 2 0 0 1 年，m e k l 【ib e l a i d 和k ew u 提出了一种集成鳍线和微带传输阵列的波 导内功率合成网络，当该结构采用了1 2 个2 0 m w 的m m i c 功放，在1 4 5 g h z 频率处的输出功率为2 1 0 8 d b m ，合成效率为8 9 嘲。 2 0 0 3 年，p e n g c h e n gj i a 等人设计了一种采用过模同轴波导的波导内功率合 成网络，该结构所有有源放大单元沿同轴波导径向排列，在6 1 4 g h z 频率范围 5 东南大学硕士学位论文 内的输出功率为4 4 w ，合成效率为7 5 。 2 0 0 4 年，m e k 虹b e l a i d 等人设计了一种采用模式转换技术的波导内功率合 成网络，该结构在k u 波段采用四路进行功率合成，得到的输出功率为3 l d b m ， 合成效率为8 0 。 近几十年来空间功率合成技术的蓬勃发展显示了这种功率合成方式的重要 性，它已经成为功率合成领域中国内外学者的一个研究热点。 1 3 本文的工作内容 电路级功率合成一般采用多级功分合成来获得大功率。但在毫米波频段， 特别是随着工作频率的升高，过多的路数会带来过量的电路损耗而使功率合成的 合成效率和输出功率降低。此时，电路级功率合成已经无法满足大功率合成的设 计要求。而空间级功率合成凭借其可合成器件量大，合成效率高和输出功率大 的优点，成为近年来毫米波频段功率合成研究领域中的一大热点。 空间功率合成一般可分为波导空间功率合成、准光功率合成以及波导内空 间功率合成这三种主要方式。本文设计了采用两种不同方式的功率合成网络： 基于径向波导的空间功率合成网络波导空间功率合成方式，基于波导透镜 的准光功率合成网络准光功率合成方式。 主要工作集中在以下几个方面： 一、基于径向波导的空间功率合成网络 ( a ) 设计一种矩形波导径向波导适配器，该结构具有频带宽，插损小， 功率容量大等优点，它可在径向波导中有效激励起m 模，适用 于作为径向波导功分器的馈源； ( b ) 采用径向波导进行功分器的设计，分别设计了六路和十二路同轴探 针形式的径向波导功分器结构，该结构具有频带宽，插损小，可扩 展性强的优点； ( c ) 为功分器有源结构的安置设计了微带电路部分，实现了同轴微带过 渡，为功率合成网络的一体化打下基础； ( d ) 将上述各个组件组合形成径向波导功率合成网络，并对整体网络进 行性能测试，预测加工误差等因素对整体性能的影响。 二、基于波导透镜的准光功率合成网络 ( a ) 设计w 波段e 面扇形喇叭，将其作为波导透镜的馈源； 6 第一章绪论 ( b ) 采用四个矩形波导阵列构成波导透镜，该结构具有良好的扩展性， 能进行更多路数的功率分配与合成； ( c ) 将喇叭馈源和波导透镜组合形成功率合成网络，仿真结果表明这种 功率合成结构具有频带宽，插损小的优点； 本文采用全波仿真软件h f s s 设计仿真基于径向波导的空间功率合成网络，采 用全波仿真软件c s t 设计仿真基于波导透镜的准光功率合成网络。 7 东南大学硕士学位论文 第二章功率分配合成技术的理论基础 功率分配器简称为功分器，在被用于功率分配时，一路输入信号被分成两路 ( 或多路) 较小的功率信号，如图2 1 所示。功率合成器与功率分配器属于互易 结构，利用功率分配器与功率合成器可以进行功率合成。功分器在相控阵雷达， 大功率器件等微波射频电路中有着广泛的应用。 功率放大器 剖 爿 功 与 爿 功 率 合 分 剖 书 成 配 器 器 图2 1 功率合成放大器原理图 2 1 功率分配器的网络分析 散射矩阵可以对n 端口的网络提供完整的网络描述。互易网络的【s 矩阵是 对称的，即 跚= s r ；端口匹配网络的 s 】矩阵主对角线上与端口所对应的元 素为零，即最= o ；无耗网络的【s 】矩阵是幺阵，即【剐【s 】= 】。 为简化分析，我们以三端口功分器的进行网络分析。功分器最简单的类型t 型结，它是有一个输入和两个输出的三端口网络。任意三端口网络的散射矩阵 有九个独立的矩阵元： 墨。墨2s ， 岛。如是， 岛l岛2岛3 若所有端口是匹配的，且网络是互易的，则散射矩阵式( 2 1 ) 可简化为： 8 ( 2 1 ) 第二章功率分配合成技术的理论基础 【s = o 墨2墨3 s 2 o 岛3 s 3是3 o ( 2 2 ) 若此网络也是无耗的，则【s 】矩阵为幺阵，可导出下列条件： i & ：i2 + is ，l2 =1 ( 2 3 a ) l s 2l2 + i 昆l 2=1 ( 2 3 b ) l 墨3 2 + 1 是3l2 =1 ( 2 3 c ) s ；黾= o ( 2 3 d ) 炙墨：= o ( 2 3 e ) s ：墨，= o ( 2 3 f ) 式( 2 3 d 2 3 f ) 表明( s ：，s 3 ，曼，) 这三个参量中至少两个必须为零。但该条件 总是和式( 2 3 a 2 3 c ) 中的一个相矛盾，表明该三端口网络不能同时是无耗的、 互易的和全部端口匹配的。假如这三个条件中的任意一个条件放宽了，则这种 器件在实际上是可以实现的。 因为主要应用于功率分配器和合成器的网络分析，所以网络要满足互易特 性。当只要求两个端口匹配时，这种结构可看作一个匹配的两端口传输线和一 个完全失配的一端口网络的组合。因此假定三端口网络有损耗，网络是互易的， 且全部端口是匹配的，这是电阻性功分器的情形。有耗三端口网络能做到在输 出端口间是隔离的( 例如是，= s ：= o ) 。 多端口功分器的网络分析类似以上所述，首先根据端口数确定散射矩阵的 矩阵元数，然后再根据所要求的无耗、匹配、互易等条件确定具体的散射矩阵 形式。 2 2 功率分配器的合成效率分析 功率合成效率一方面受功率分酉己合成网络中各路信号的幅度和相位的不一 致性的影响，另一方面，也受功率合成网络中电路损耗的影响。如何最大限度 地提高合成效率是设计研制功率合成网络的重点和难点。 9 东南大学硕士学位论文 2 2 1 幅度、相位不一致性对合成效率的影响 功率合成是矢量合成，遵循矢量运算法则。功分器输出的多路信号在进行 并联合成时，各路信号的幅度和相位不一致必将会影响其合成效率，所以对功 率合成网络进行幅度、相位不一致性的定性分析是非常重要的。 早在1 9 6 9 年，j r - n e v a r e z 和g j h e r s k o 谢t z 就已经定性地分析过八路合成 器在幅度和相位不一致情况下的合成效率啪3 。他们推导出的输出功率岛的计算 公式为： 8 1l 尼= 2 3 ( 只) j ( 弓) jc o s ( q 一嘭) ( 2 4 ) f = l - l 合成网络的合成损耗l ( 用d b 表示) 为： d = 一1 0 l o g l o l( 2 5 ) 式中只，e 分别是i 、j 路输出的功率；b ，巳分别是i 、j 路的相位。 为简化分析，我们以两路功分器为例来分析功分器的幅度、相位不一致性 对合成效率和合成损耗的影响口。在两路合成的情况下，合成器的输出功率为： 尸= 2 d ( 只) j ( c ) jc o s ( q 一口，) ( 2 6 ) - 一 、。、 j 、 j 、 f = l ，= l 相应的合成损耗为： 三= 一l o l o g l o 一 ( 2 7 ) 设# 和b 、q 和b 分别为第一路和第二路功分器的输出功率和相位，7 7 为合 成效率。对两路信号进行并联合成，当相位一致时，幅度不一致对合成效率的 。影响非常小，几乎可以忽略不计，所以我们主要考虑以下两种情况： ( 1 ) 幅度一致，而相位不一致 当墨= 时，由( 2 6 ) 可以得到总的合成效率为： 尸= 丑【1 + c o s ( 如一q ) 】( 2 8 ) 相应的合成效率为： ，7 ：害；：昙【l + c 。s ( 吼一q ) 】 ( 2 9 )，7 2 西。尹1 s 【吃一q ) 】 ( 2 9 ) 1 0 o51 01 52 5 媳t 。e ) f a e g f e e 图2 2 合成效率与相位偏差之间的关系 o o 2 5 蚴 耄o 1 5 o 1 0 o 0 5 o j o51 01 5 加嚣 鸭日t 阳e g r e e 图2 3 合成损耗与相位偏差之间的关系 由图2 2 和图2 3 可以看到，两路信号相位的偏差对合成效率的影响是相当 大的。由两路功放参数的离散及电路加工的误差等因素，导致两路信号相位偏 东南大学硕士学位论文 差十几度甚至几十度都是常见的。 ( 2 ) 幅度和相位均不一致 当两路信号的幅度和相位均不一致时，总的输出功率为： p = 去 丘+ 罡+ 2 墨最c o s ( 如一q ) 】 ( 2 1 1 ) 相应的合成效率为： 叼= 彘= 丢+ 器州州， 7 7 2 雨2 互+ 耩咖( 吼一q ) ( 2 _ 2 ) 根据以上所推导出的公式，我们给出几组典型的数据并将其绘制成曲线。 图2 4 表示合成效率与幅度、相位之间的偏差关系；图2 5 表示合成损耗与幅度、 相位偏差之间的关系。 1 051 01 52 0 2 5 ( 岛。e ，) d e g 糟e 图2 4 合成效率与幅度、相位之间的偏差关系 o 3 5 o 3 0 o 2 5 o 2 0 窀 _ o 1 5 o 1 0 o o ( e 2 e 。m 拈口糟e 图2 5 合成损耗与幅度、相位偏差之间的关系 1 2 l d b 范围内，合称效率主要受相位偏差的影响，其合成损耗也随着相位差的增 大而增大。在设计制作功率合成网络时，保持信号相位一致性尤为重要。 2 2 2 电路损耗对合成效率的影响 当采用合成器进行多路信号功率合成时，合成器每个单元的电路损耗将对 功率合成网络的合成效率产生一定的影响。文献 3 0 还给出了电路损耗对合成 效率的影响。 假设合成时各路幅度与相位是一致的，对两路信号进行合成，设单路输出 功率为，单级合成引入的电路损耗为l ，单级合成后的净输出功率为： 易l = 2 易s f l( 2 1 3 ) 对n 级功率合成，共有2 n 路合成单元，净输出为： = 2 f ( 2 1 4 ) 合成效率为： d 叩= 舞= f ( 2 1 5 )叩2 者2 l ” ( 2 1 5 ) 。1 四 由( 2 1 5 ) 式可以得到电路损耗与合成效率之间的关系曲线如图2 6 所示。 0 1o - 2o 3 0 4o 5o 6o 7o 8 厶，d 8 图2 6 电路损耗与合成效率之间的关系 东南大学硕士学位论文 从图2 6 中可以看出，随着电路损耗的增加，合成效率下降很快，而且电 路的合成级数越多，这种现象越明显。更重要的是，即使单级损耗很小，合成 级数越多，效率也会越低。因此，在功率合成电路中，为了达到所要求的合成 效率，除了保证两路合成信号具有很好的幅度、相位平衡外，设计低损耗的功 率合成网络、减小功率合成电路的级数，对合成效率的提高也是非常关键的。 由本章2 2 1 和2 2 2 小节分析可知，要提高功率合成放大器合成效率及输 出功率的关键是设计低损耗，幅度相位一致的功率分配合成网络。 1 4 第三章基于径向波导的空间功率合成网络 第三章基于径向波导的空间功率合成网络 空间功率合成采用大直径波束或波导模式与有源器件直接耦合，可实现多单元器件 功率直接合成。由于所有单元器件并行工作，系统损耗只取决于传输模式与有源器件的 耦合性能，与单元器件个数无关，从而有效的解决了电路合成效率随单元个数增加而下 降的问题口羽。基于空间功率合成的以上优点，本章设计了径向波导空间功率合成网络。 径向波导由于其物理结构以及场结构的径向对称，有利于保证功率分配时的等幅同相， 所以适用于作为单级多路功分器，并且具有良好的扩展性，可以满足更大功率的需求。 本章首先介绍径向波导的基本理论，然后分别设计了径向波导馈源、径向波导功分 器、同轴一微带过渡结构以及过渡结构测试系统，从而完成基于径向波导的空间功率合 成网络的整体设计。 3 1 径向波导的理论基础 径向波导的电磁波沿着矢径方向传播，且具有圆柱形的等相位面( p = 常数) 。我们 称能够传播径向波的波导为径向波导或径向( 传输) 线，包括平行板径向波导、劈形径 向波导以及扇形喇叭径向波导等，如图3 1 所示。 a 口 - - 卜 口口 ( a ) 平行板径向波导( b ) 劈形径向波导 ( c ) 扇形喇叭径向波导 图3 1 径向波导的种类 图3 2 平行板径向波导结构图 1 5 东南大学硕士学位论文 平行板径向波导由相距为b 的两块平行的金属板构成，如图3 2 所示。假设径向波导 壁为无限大理想导体，波导内为无源空间，并充有介电常数为g 、磁导率为j l f 的线性各 向同性介质，对于时谐场，矢量磁位a 和矢量电位f 满足齐次觑砌办d 舷方程： v 2 a + 七2 a = 0 ( 3 1 ) v 2 f + 七2 f = o ( 3 2 ) 其中j i 2 = 国2 肛，设a 和f 的波函数为l f ，代入式( 3 1 ) 得到齐次标量胁砌乃。舷方程： v 2 y + 七2 y = o( 3 3 ) 将式( 3 3 ) 用柱坐标展开： 吉考+ 害+ 吉害+ 軎“2 y - o 4 ， p8 p a p zp za 矿8 2 1 t、+ 使用分离变量法，设y 的形式为： y = 彳( p ) ( 妒) z ( z ) ( 3 5 ) 将式( 3 5 ) 代入式( 3 4 ) 得到： 吉器+ 三雾+ 去雾t 害埘= o q 6 ， p a8 p a 8 p 1p 2 固8 矿 z8 2 2 v 。、j 上式第四项和p ，9 无关，仅和z 有关，因此，可以设： 三害一碍 ( 3 7 ) 其中，屯为常数。将式( 3 7 ) 代入式( 3 6 ) 得： 号要+ 等等+ 去等m ：一咖z ：o ( 3 8 ) 4a p4 劫2a 回2 、 。1 “。v 7 式( 3 8 ) 的第三项和p ，z 无关，仅和缈有关，因此，设： 1a 2 菜i 了2 一所 ( 3 9 ) a 舻2 r 一7 其中，埘为常数。式( 3 6 ) 可以写成： 等+ 去要m ：一砖彳) 彳：o ( 3 1 0 ) o p po p 、 1 6 第三章基于径向波导的空间功率合成网络 设七2 一砖= 砖。妒，z 满足谐波方程，可以取成谐函数。式( 3 1 0 ) 是m 阶& 鼬p ，方程， 其解是召哪p ，函数吃( j d ) 。吃( j d ) 通常取下面几种形式： 吃( 知p ) 厶( p ) ，虬( 心j c i ) ，研( p ) ，砰( p ) 其中厶( p ) 是第一类& 嬲可函数，。( 七p p ) 是第二类晚鼯p ，函数，硼( k j d ) 是第 一类胁刀彪，函数，砰( 吒p ) 是第二类胁玎眈，函数。 根据式( 3 5 ) 写出标量胁砌乃d 舷方程的解为： y = 吃( p ) 办( 聊) 乃( 吒z ) ( 3 11 ) 3 1 1 径向波导中的传播模式 在平行板径向波导中t e 模与t m 模都可单独满足边界条件。 一、肼模 设a = u ：l f ，得到电磁场表达式为： fe ：一掣a + 士v ( v a ) 1 ，s ( 3 1 2 ) i h = v a 以= 吉器 以一等 见= o 髟= 去急 乓= 击舄 b 功 e = 去睁七2 卜 这里考虑波沿径向传播的情况，波有圆柱形等相位面( p = 常数) ，所以沿p 方向取 b 哪p ，函数中的月锄勋，函数，卅( p ) 代表向内的行波( 向z 轴) ，砰( p ) 代表向外 的行波。沿9 方向是圆对称结构，这样取它的波函数形式为： y = 嚣器 焉s 访 b 东南大学硕士学位论文 在z = 0 和z = 6 ，满足的边界条件： = & = o 得到聊波波函数表达式为： y = 出嚣 嬲叫予 式中，肌= o ，l ，2 ，；刀= o ，1 ，2 ，；吒= 二、陋模 设f = u ：l 】f ，得到电磁场表达式为： f e = v f 1 h ：一士f + 士v ( v f ) j m j m p 在柱坐标系下展开，得到各个场分量表达式为： 砟= 击老 一= 南意 皿= 击侈七2 卜 j l 、晓。) t = 0 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 同掰波相同的情况，陋波的波函数也可以写成式( 3 1 4 ) 的形式，在这里将它重新 写在下面： y = 嚣器船s 嘶 在z = 0 和z = 6 ，也满足的边界条件： e p = e p = o 得到殂 肭波的波函数表达式为： y ： 黧烈舞s 砸争 炉1 砖) ( 砟p ) t s i n ( 唧) 洲了 ( 3 1 9 ) 式中，聊= o ，1 ，2 ，；刀= l ，2 ，；= 1 8 y 一缈 a a ，一p y p j p业印