（电子科学与技术专业论文）微波功率驱动模块技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o w a v ep o w e rd r i v em o d u l e ，a sak e yc o m p o n e n te l e m e n to fm i c r o w a v ep o w e r m o d u l e ，p l a y sa l li m p o r t a n tr o l e i nt h ef i r s tp l a c e ，d r i v em o d u l ep r o v i d e sh i g hg a i na n d d r i v ep o w e rf o rt h en e x te l e c t r o nt u b e s s e c o n d l y , i th a sa m p l i t u d ee q u a l i z a t i o nf u n c t i o n f o rt h eu n e v e na m p l i t u d e f r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o nt u b e s t h e d e s i g no fm i c r o w a v ep o w e re q u a l i z e r , t h e r e f o r e ，b e c o m e st h e 、，i t a lp a r to fm i c r o w a v e p o w e r d r i v em o d u l ed e s i g n t h et h e s i sa n a l y z e sm i c r o w a v ep o w e rd r i v em o d u l eb a s e do nt h et h e o r yo f c o n s t i t u t i o n i ta n a l y z e st h es t r u c t u r eo fm i c r o w a v ep o w e re q u a l i z e rb a s e do nt h e s y n t h e s i st h e o r yo fr e s o n a n tw a v et r a p ，a n dd e s i g n s4s e t so fb r o a d - b a n dm i c r o w a v e p o w e re q u a l i z e r , i n c l u d i n g ( 4 8 ) g h z ，( 2 6 ) g h z ，( 2 - 6 ) g h z ，( 6 18 ) g h z t h e4s e t s f e a t u r e so fc o m p a c tc o n s t r u c t i o n ，h i l g he q u i l i b r i u mq u a n t i t yo nt h et a r g e tf r e q u n c y , l o w v s w r ，w h i c hs h o w si t sa p p l i c a t i o np r o s p e c ti nm i n i a t u r i z e da n dh i g h - p e r f o r m a n c e c i r c u i t s t h et h e s i sa n a l y z e sm i c r o w a v ep o w e rd r i v em o d u l ea n dd e s i g n sa ( 6 18 ) g h z m o d e l t h em o d u l e ，m a d eu po fb r o a d b a n dm m i ca m p l i f i e r , b r o a d b a n dm i c r o w a v e p o w e re q u a l i z e ra n db r o a d - b a n dm m i cp o w e ra m p l i f i e r t h em o d u l ei n t e g r a t e st h e t h r e ep a r t so i lo n ep c bm o u n t e di nac a v i t ys u p p l y i n gd r i v ep o w e ra n d p o w e re q u a l i n g f o r t h el a t t e rb r o a d - b a n dm i n i a t u r i z e dt r a v e l i n gw a v et u b e t h i sm i c r o w a v ep o w e rd r i v e m o d u l eh a sb e e nt e s t e dt os a t i s f yt h es p e c i f i c a t i o na n dp r o v i d e dt ot h ec l i e n t k e y w o r d s ：m i c r o w a v ep o w e rm o d u l em i c r o w a v ep o w e rd r i v em o d u l em i c r o w a v e p o w e re q u a l i z e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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 获得电子科技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 说明并表示谢意。 签名：缝 日期：2 p 够年 二 月石日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：冤苗导师签名： 魄7 “刖铀 第一章引言 11 微波功率模块简介 第一章引言 当今社会信息化的迅速发展不仅体现在民用领域，更是体现在军事领域。雷 达和相控阵天线等电子战设备中微波功率元件被提出了更高的要求，诸如带宽、 平均功率、峰值功率、噪声系数，光谱纯度等性能参数很大程度上决定着未来战 争的成败。此外，在现代化的系统中功率源的效率、总体重量、外形尺寸和最高 工作温度等因素也是不容忽视的。显然，为满足这些要求，单独依靠传统的微波 固态电路技术或电真空技术是无法实现的【1 圳。 在这种情况下，随着通信技术和微电子技术的高速发展，为适应现代化军事 电子技术的发展需求，被誉为“超级器件”的微波功率模块的概念被提出。在过 去很长一段时间内，雷达在军事领域主要作为一种防御手段，如远距离探测雷达， 可以起到警戒和跟踪的作用，而多目标，高精度和清晰成像现已成为军用探测雷 达的发展趋势。近年来，雷达技术的快速发展使其在战争中的角色悄然发生转变， 具备了诸如制导、炮瞄、引爆、寻的等功能的现代化雷达已成为辅助进攻的重要 手段。今后，具有极高发射功率的雷达可作为摧毁电子装各甚至直接杀伤敌方人 员的辐射武器，使战争继冷兵器时代、黑火药时代、近代兵器时代、现代兵器时 代和热核兵器时代之后，进入电子兵器时代【4 剖。 图1 - 1 微波功率模块实物照片 电子科技大学硕士学位论文 1 2 微波功率模块的特点 微波功率器件总体上可分为两大类：固态功率器件和电真空管功率器件。较 小的体积，较低的噪声系数，较高的可靠性和稳定性，较长的工作寿命和具有瞬 时开关机能力等特点是固态功率器件的主要优点，但是半导体材料本身的一些特 性也导致固态功率器件具有一些不足，如在较高频率下的输出功率只有瓦级，伴 随频率的上升和带宽的加宽，输出功率下降的非常明显但器件的价格却大幅上涨。 例如，在( 6 - 1 8 ) g h z ，单个功率放大器连续波饱和输出功率仅为3 w 左右。显然， 在现代化军事电子技术日益发展的今天这样的输出功率已不能满足需求c 7 。 在单管输出功率这一指标上，电真空管器件远大于固态器件。在目前应用的 所有频段，电真空管都能满足雷达发射功率的要求。同样以( 6 - 1 8 ) g h z 为例，行 波管放大器能够提供百瓦级的连续波输出功率和千瓦级的脉冲输出功率。而在毫 米波宽频带的范围内，电真空管器件也可提供数十瓦的连续波输出功率。同样电 真空管放大器也有自身的缺点，如需外加磁场、电源电压较高、体积和重量较大， 重复性较差，可靠性较低，单个器件成本较高等，这就导致了它的应用范围受到 了一些限制瞵j 。 由上述可知，这两类器件各自的优缺点有一定的互补性。如何把固态功率器 件技术和电真空管技术有机结合，扬长避短，开发出新型微波毫米波功率源已成 为非常热门的研究方向。微波功率模块在此情况下应运而生。 微波功率模块的主要性能优势有： 1 由于采用了电真空管功率放大器，模块的整体效率得到了提高，减小了热负 降 f 可o 2 微波功率模块的可靠性和稳定性由于m m i c 固态放大器的使用而得到了提 高。 3 使用m m i c 固态放大器提供部分增益，可降低模块对真空管放大器增益的 要求，因此可以采用小型化的行波管，不仅降低了对电源的要求而且减小了模块 的体积和重量。 4 由于使用了m m i c 固态放大器，噪声系数大大降低。 5 标准化单元可批量生产，大幅度地降低了成本。 综上所述种种优势，在下一代相控阵雷达和电子战系统中，微波功率模块很 有可能取代m m i ct r 组件现有的位置。同时，由于使用微波功率模块可以使系 2 第一章引言 统结构具有灵活性，因此，国内外普遍认为微波功率模块技术的发展是开发新型 高功率微波、毫米波信号源的重大突破。 表1 1 微波功率模块、固态器件与电真空器件的特性比较。 特性 电真空管功率放大器固态功率放大器微波功率模块 频率 在任何频翠口j 输出大功翠高频输出功率有限高频能输出较高的功率 宽带情况下仍具有输出大功宽带情况下输出功率能宽带情况下能输出较大 带宽率的能力，但幅频特性曲线力有限且幅频特性曲线功率且幅频特性曲线较 不平坦不平坦为平坦 单管可输出高脉冲功率或平单个器件较低的脉冲功较高的脉冲功率或平均 功率 均功率 率或平均功率 功率 效率高效率低效率介于二者之间 噪声高噪声系数低噪声系数介于二者之间 工作电 压 工作电压较高工作电压较低工作电压较低 体积和重 由于一些特殊要求( 如外加由于效率较低而需加入 较小的体积和较轻的重 且 磁场、高电压和热源等) 导 较大体积的散热系统，重 重 量 致体积庞大和高重量量较重 现代化工业生产大幅度模块采用标准化设计， 成本复杂的结构导致造价很高 降低了成本使成本降低 1 3 微波功率模块的发展动态 上世纪8 0 年代末美国就已展开对微波功率模块的探索与研究。1 9 8 8 年，微波 功率模块研究小组在美国国防部器件指导小组的领导下，依据宽带大功率相控阵 天线系统发展的要求而成立，主要职能包括探索微波功率模块的概念以及模块在 下一代武器系统，包括电子战系统，雷达系统以及通信系统中的应用前景。1 9 9 1 年，由美国海军研究室资助的微波功率模块五年研究计划正式启动实施，包括泰 勒戴恩，诺斯罗普，雷声，休斯在内的多家知名公司均积极参与咿d 2 1 。 围绕微波功率模块项目，众多公司推出了不少产品。在固态放大驱动模块方 面，r a y t h e o n 、t r i q u i n t 、h i t t i t e 、a l p h a 、a g i l e n t 、m a c o m 、u m s 、a m l 等众 多公司都推出了相应的m m i c 固态放大器产品，丰富的产品覆盖了2 g h z 到4 5 g h z 的频率范围，一般分为( 2 6 ) g h z 、( 2 8 ) g h z 、( 2 1 8 ) g h z 、( 6 1 8 ) g i - i z 、( 1 7 4 0 ) g h z 、( 2 0 - 4 5 ) g h z 等宽带范围，输出功率在1 5 d b m 到3 3 d b m 不等，增益在2 0 d b 左右【1 3 - 2 0 。而在行波管和微波功率模块方面，n o r t h r o p 、t r i t o n 、c p i 等许多公司 都推出了相应的宽带小型行波管以及微波功率模块成品。如c p i 公司在( 2 6 ) g h z 、 ( 2 - 8 ) g h z 、( 4 5 1 1 ) g h z 、( 6 1 8 ) g h z 等系列上可以提供连续波输出功率达 3 电子科技大学硕士学位论文 ( 5 0 1 0 0 ) w ，脉冲功率达3 5 0 w 的微波功率模块成品，而且该公司还可提供( 2 - 1 8 ) g h z 的小型化螺线行波管；t r i t o n 公司的宽带小型化行波管产品覆盖了2 g h z 到 3 2 5 g h z 的频率范围，连续波输出功率可到到5 0 w 至2 0 0 w ，并在( 2 6 ) g h z 和 ( 6 1 8 ) g h z 两个宽带系列上可提供连续波输出功率从5 0 w 到1 0 0 w 的微波功率 模块成a t 2 1 - 2 6 。 国外近年继微波功率模块之后又研制成功了毫米波功率模块( m i 、口m ) ，即在 毫米波频段内将小型化行波管、前级固态放大器、宽带功率均衡器、调制器和高 压电源都集成在一起。它的体积很小，可以满足相控阵系统的需要，使用也很方 便，接上电源并送入毫米波信号，模块就可以工作。例如诺斯罗普公司研制的一 种m m p m 工作在( 1 8 4 0 ) g h z 频段，输出功率1 0 0 w ，饱和增益5 0 d b ，小信号 增益5 6 d b ，长2 0 0 r a m ，宽9 0 m m ，厚2 0 m m ，重量0 6 k g t 2 7 j 。 由前文所述得知，微波功率模块的概念是基于军事领域的应用而提出的，它 的使用能够使多种军用系统和装备的性能大幅度提高。预计在未来1 5 年里，军用 市场对于微波功率模块的需求量将高达1 0 6 套。更进一步来说，由于其具有良好的 通用性和完善的综合性能，民用r f 功率技术市场也会被深刻影响。例如，近十年 来，由于广播电视和多媒体技术以及规模日益扩大的固定和移动通信网络的需求， 通信卫星技术得到了高速持续发展，卫星发射机的发展趋势不仅包括大功率、超 宽带和高效率，还包括小体积，轻重量和低廉的成本。在民用领域如气象，测绘， 导航，检测和遥控等方面，雷达也被广泛应用。因此微波功率模块的需求量预计 将比同期军用市场需求量高出一个数量级。 在我国，对于微波功率模块的研究起步比较晚。介入微波功率模块项目的中 电集团1 2 所正在研究可以用于微波、毫米波功率模块的宽带小型化行波管，目前 已经有( 8 - 1 8 ) g h z ，( 6 - 1 8 ) g h z 的研制样品问世，连续波输出功率达到5 0 w 。中 电集团1 3 所和中电集团5 5 所大的m m i c 放大器研制工作也已经开展。目前5 5 所 已经研制出( 6 1 8 ) g h z 的功率单片集成电路，输出功率大于1 5 w ，工艺正趋于 成熟。电子科技大学电子工程学院微波工程系军用毫米波重点实验室对微波功率 模块中的微波功率驱动也展开了相应的研究。 1 4 本论文的研究内容 根据前文所述并结合国内外微波功率模块技术发展近况，本论文将主要完成 以下四部分工作： 4 第一章引言 1 根据微波功率模块中宽带小型化行波管对前级微波功率驱动模块的具体要 求，分析微波功率驱动模块的基本结构，确定微波功率驱动模块的关键技术。 2 从陷波器基本原理出发，分析宽带微波功率均衡器的结构，构建宽带微波功 率均衡器仿真基本模型。 3 以构建的基本模型为基础，以电磁场仿真软件m i c r o w a v eo f f i c e ，a d s ，c s t 为辅助工具，完成数套宽带微波功率均衡器的仿真。并根据仿真结果加工实物并 完成测试，为完成微波功率驱动模块的设计积累经验。 4 完成微波功率驱动模块的仿真设计，根据仿真结果加工实物并完成测试。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章微波功率驱动模块基本结构 2 1 微波功率驱动模块的结构分析 如图2 1 所示，微波功率模块主要由三部分组成：集成电源调节器，微波功 率驱动模块和宽带小型化行波管放大器。在实际应用中，宽带小型化行波管放大 器并不需要很高的输出功率，连续波输出功率大约控制在数十瓦n - 百瓦之间。 宽带小型化行波管自身的一些特性，如体积小、功率附加效率高、噪声系数低以 及工作电压低等，决定了行波管不会具有较高的增益，般在3 0 d b 左右。近年来， 除微波功率模块外，宽带小型化行波管放大器还在很多方面得到了广泛应用。 0 u t 图2 1 微波功率模块结构 由图2 1 可知，在微波功率模块中，微波功率驱动模块被用作宽带小型化行 波管的驱动器件，两者构成了微波功率模块的射频信号通路。集成电源调节器为 两者提供工作电压。由此可知，微波功率驱动模块必须要满足一些特殊的要求： 1 - 宽带小型化行波管相对于固态功率器件的主要性能优势在于高频率和超宽 带，因此微波功率驱动模块也必须能在高频率和超宽带的情况下工作。 2 为满足微波功率模块整体的增益要求，微波功率驱动模块必须具有较高的 增益以弥补宽带小型化行波管增益不够高的缺陷。 3 就目前宽带小型化行波管发展水平而言，不平坦的幅频响应特性是不容回 避的。因此为提高宽带小型化行波管在工作时的稳定性和可靠性，减少信号在微 波功率模块中的失真程度，微波功率驱动模块还需在很宽的频带范围内具有功率 6 第二章微波功率驱动模块 均衡的能力。一般情况下，微波功率驱动模块需达到的均衡量大约在( 1 0 - 2 0 ) d b 左右。 4 由实际用途和自身优势所决定，微波功率模块必须具有较小的体积和较轻 的重量，所以作为微波功率模块的重要组成部分，微波功率驱动模块也必须具有 较小的体积和较轻的重量。 5 由于微波功率驱动模块中的固态放大器的效率比较低，因此模块必须具有 良好的散热能力，以提高工作时的稳定性和可靠性。 6 较低的噪声系数。 7 较强的抑制微波信号谐波和交调能力，减小信号的非线性失真。 针对以上几点要求，在实际应用中的解决办法如下： 1 使用m m i c 放大器作为微波功率驱动模块的功率器件。目前国内外m m i c 放 大器技术发展已比较成熟，可选用产品非常广泛，不仅可以满足输出功率、增益 和噪声系数等电特性指标要求，还可以有效地减小模块的体积和重量。 2 使用专门针对宽带小型化行波管幅频特性曲线设计的宽带微波功率均衡 器，使模块具有功率均衡的功能 2 8 】。 2 2 微波功率驱动模块的结构 综上所述，本文把微波功率驱动模块的结构分为以下两种情况分别加以讨论。 1 输出功率和增益较低的情况： 对于要求输出功率较低( 小于2 7 d b m ) 和增益较低( 小于1 5 d b ) 的情况，微 波功率驱动模块可采用单级m m i c 放大器加宽带微波功率均衡器的混合集成电路方 式构成，其结构示意图如图2 - 2 所示。 f i m m i c 放大器 7 微波功率均衡器 r f o u t 图2 - 2 输出功率和增益较低微波功率驱动模块结构图 2 输出功率和增益较高的情况： 对于要求输出功率较高( 大于2 7 d b m ) 和增益较高( 大于1 5 d b ) 的情况，微 波功率驱动模块需采用两级m m i c 放大器加一级宽带微波功率均衡器的的混合集 7 电子科技大学硕士学位论文 成电路方式构成，其结构示意图如图2 - 3 所示。 r fi n m m i c 放大器h 微波功率均衡器 图2 - 3 输出功率和增益较高微波功率驱动模块结构图 在图2 - 3 中，采用了两级m m i c 放大器，其中第一级m m i c 放大器为宽带低 噪声放大器l n a ，第二级m m i c 放大器为宽带功率放大器p a 。其中第一级使用 l n a 是为了使微波功率驱动模块具有较低的噪声系数。而第二级使用p a 是为了 使微波功率驱动模块的输出功率能够满足行波管放大器的要求，所以第二级p a 的 输出功率l d b 压缩点要大于行波管要求的最小驱动功率。l n a 和p a 之间插入微 波功率均衡器，为无源衰减网络，一方面对行波管的增益频率特性进行均衡，另 一方面降低l n a 和p a 之间的互耦，改善级间驻波，减少模块发生自激的可能， 提高微波功率驱动模块的稳定性和可靠性。 设l n a 的增益特性为q 朋( 动，微波功率均衡器的衰减特性为( 动，p a 的 增益特性为g p 。( 妫，由图2 3 容易得到整个微波功率驱动模块的增益为： g ( c o ) = ( 动+ 如( 动+ 瓯( 妫( 抬) ( 2 1 ) 根据噪声系数的级联公式，还可以得到整个微波功率驱动模块的噪声系数为： f ：+ 垒兰+ 鱼! 垒二! ! 但2 )f = e 删+ 窆+ 2 坠型 但) 一4 q 删g 工砌 在式( 2 2 ) 中，为第一级l n a 的噪声系数，q m 为第一级l n a 的增益， 彳m 为微波功率均衡器的插损，e 。为第二级p a 的噪声系数。 上述的两种结构的共同特点是m m i c 放大器和宽带微波功率均衡器以混合集 成的方式被放置在一个腔体内，因此对于各级电路的输入输出驻波特性和相位特 性以及各级电路之间的匹配问题必须加以重视。否则可能会出现的情况包括噪声 系数恶化，增益下降，甚至产生自激，使微波功率驱动模块不能正常工作。 8 第三章宽带微波功率均衡器 第三章宽带微波功率均衡器理论分析 如前文所述，性能优越的微波功率驱动模块既要为为后级的宽带小型化行波 管提供驱动功率，还要具有一定的增益均衡能力。对于前者，适当的选择功率器 件即可实现，而对于后者，必须通过加入宽带微波功率均衡器才能实现。由此可 见，宽带微波功率均衡器的设计是整个微波功率驱动模块设计中的核心部分。此 外，宽带微波功率均衡器还可使用在普通的功率放大器模块中，发挥均衡作用， 达到改善增益平坦度的目的。因此，本章从宽带功率均衡器的概念入手，对功率 均衡器的结构进行分析，构建宽带微波功率均衡器的基本模型并归纳总结计算机 辅助优化设计的步骤。 3 1 功率均衡器的概念和意义 3 1 1 功率均衡器的概念 功率均衡器实现的功能是：对射频信号传输过程中可能会出现的幅度或相位 的畸变大小加以控制以保证信号的传输质量。在实际应用中经常采用在信号通路 插入均衡网络上来进行校正。通常所说的功率均衡器是指对幅度的畸变进行校正 的均衡器，也被称为增益均衡器、幅度均衡器或衰减均衡器。还有一种是相位均 衡器，它是对相位的畸变进行校正的均衡器。如果没有特别说明，均衡器一般就 是指的幅度均衡器。功率均衡器与行波管放大器的配套使用越来越受到关注。 一 一一 一 皇! ：一二一一一一一一一二二! 、 一一一一一一一一一一y 、卟蜘扣伊畸9 时， - 行祓警均帮懿增盏 - 行被管均镯霞增盏 守一麓衡器襄硪特性 粮率 图3 - 1 功率均衡器原理图 9 电子科技大学硕士学位论文 功率均衡网络的工作原理，如图3 1 所示。在输入信号的幅度或相位产生畸变 之前或之后插入一个网络，使得输入信号通过该网络后能够“抵消 掉信号幅度 或相位的畸变，该网络即为功率均衡网络。它是一个无源有耗网络，具有与输入 信号产生畸变的特性曲线正好相反的传输特性。 在实际情况中，由于存在诸多因素的影响，功率均衡网络不可能完全消除这 种信号产生的畸变，肯定是存在有一定的均衡偏差。所以实际使用的功率均衡器 并不能完全消除信号产生的畸变，而是只能在一定的频率范围内对信号畸变具有 适当的均衡效果。 为了保证在插入传输网络后功率均衡器仍然能够正常工作，功率均衡器除了 具有校正幅度畸变的作用，通常必须满足以下两点技术要求： 1 在工作频率范围内，功率均衡器的均衡目标曲线就是幅频特性满足预期要 求的幅度频率特性，如图3 2 所示。 2 输入输出驻波系数尽量小。 筮 、- 挺 邂 递 频率 图3 - 2 均衡目标曲线 驻波系数是反映反射回端口的能量的一个参数，驻波系数大则端口反射能量 大，驻波系数小则端口反射能量小。而端口驻波系数太大会对前、后级的m m i c 单片的工作状态产生恶劣的影响，甚至会由于反射能量过大而烧毁器件。 功率均衡器是一个无源网络，它是在特定的频率上产生一定的损耗使其具有 衰减特性。一般情况下，功率均衡器主要的实现方法有两个：一是在均衡器两端 插入隔离器，使用隔离器来吸收均衡器两端的反射能量；二是通过适当的设计来 得到有耗的功率均衡器，使其同时满足上述两点要求。 1 0 第三章宽带微波功率均衡器 采用第一种方法来实现均衡网络，在一定程度上可以使设计过程得到简化， 且由于此时的均衡网络是无耗的网络，在采用网络综合法实现最佳电路时也更为 快捷，同时所引入的隔离器的驻波系数即为均衡器量端的驻波特性，所以设计指 标要求得到容易满足。不过，由于两端插入了隔离器，不仅引入了损耗，同时也 使电路体积增大，电路集成较为困难，最重要的很难实现宽带的隔离器，使得这 种方法设计出来的均衡器的宽带特性较差。 采用第二种方法设计出的功率均衡器能够实现较小的体积，并且系统便于集 成，相比带隔离器的均衡网络而言，除了驻波特性较差外，还存在设计困难和不 易寻找最优网络的缺点。 3 。1 2 功率均衡器的意义 随着科技发展以及系统设计方法的不断成熟，雷达、干扰机等电子战设备已 经广泛应用于现代化高科技战争中，作为这些电子战装备的核心技术一大功率行 波管等电真空器件，它的技术水平在某种情况下决定了这些装备的战术性能。但 是，在较宽的工作频带内，行波管的增益波动往往较大，使得它不能直接应用于 系统当中。例如在相邻脉冲之间大功率发射机的射频输出信号一旦存在幅度不稳 定的情况，会使动目标显示雷达( m t i ) 中的固定目标的反射信号不能完全得到消 除，这就使得相干m t i 系统的性能指标受到很大的限制，而解决这种由幅度不稳 定所产生的问题的一种有效方案就是加入功率均衡器来均衡行波管的增益波动。 采用功率均衡器能够使行波管获得比较平坦功率输出，如图3 3 所示为某一频 率时典型的行波管的输入输出功率对应特性。 p 暑吐 g l t 图3 3 行波管在某一频率的输入输出特性曲线 p i n 电子科技大学硕士学位论文 可以看出： 1 、当输入功率较小时，行波管具有小信号增益特性，输出功率的增益与输入 功率呈现线性关系。此时行波管工作在线性状态，行波管的输出功率远没达到它 本身的输出功率最大值。 2 、当继续增大输入功率达到一定的值时，行波管具有大信号增益特性，输出 功率开始呈现出非线性特性，与输入功率之间的关系曲线也不是线性状态。此时 输出功率的增加随输入功率增加的速度变慢，行波管工作在饱和状态，输出功率 逐渐达到最大，相比线性状态下的增益而言，饱和状态下的增益一般较低。 3 、当输入功率再增大时，行波管的输出功率不会继续增加，而会有略微减小， 此时行波管工作在过饱和状态。 随着不同的应用场合，使行波管的设计过程中，需要它工作在不同的状态下。 当实际应用要求行波管输出功率最大时，如电子对抗中的干扰机，需要在设计时 使其工作在饱和状态；当实际应用要求行波管增益较大时，如星载雷达中数据传 输的应用，则需要使其工作在线性状态。 3 2 功率均衡器的分类 很多参考文献中都涉及到功率均衡器的分类问题，提出了多种分类方式【2 9 】。 例如，按照工作频率来划分，可分为微波功率均衡器和毫米波功率均衡器两类； 按照频带范围来划分可分为窄带功率均衡器，宽带功率均衡器和超宽带功率均衡 器三类。在本文中，以传输介质来划分，将功率均衡器分为三类：分别是波导功 率均衡器，同轴传输线功率均衡器和微带功率均衡器。 波导功率均衡器和同轴传输线功率均衡器在结构上比较相似，都是由主传输 线和若干个连接在主传输线上谐振吸收腔组成，谐振吸收腔带有调节功能，可以 是波导腔也可以是同轴腔。它的工作原理是：当主传输线上传输的能量经过某个 谐振吸收腔时，该腔对应的谐振频率及其附近频率的一部分能量将被耦合入腔内， 可以通过调整腔体内的吸收棒或吸收片的方式以改变谐振吸收腔的q 值。因此， 采用简单的机械调节方式，就可以使得谐振吸收腔的谐振频率、耦合度以及吸收 量发生改变，从而达到调整谐振吸收腔损耗曲线的目的。 图3 4 为同轴传输线功率均衡器的结构示意图。同轴谐振腔连接在主传输线 上，通过改变谐振吸收腔的滑动短路活塞的位置就可以调节谐振吸收腔的谐振频 率；耦合探针的插入位置不同则决定了谐振吸收腔的吸收量。 1 2 第三章宽带微波功率均衡器 主传输线 i 主传输线内导体 1 支撑环一 一耦合探针 卜同轴谐振腔 图3 _ 4 同轴式微波功率均衡器结构 波导功率均衡器和同轴传输线功率均衡器具有可灵活调节，较大的功率容量 等特点，一般用于大功率行波管的功率均衡。不过，这种结构的功率均衡器也有 以下缺点 3 0 】： 1 由于体积庞大和机械稳定性差导致了不便于系统的集成。 2 由于结构复杂，而目前尚无精确的工程设计公式，所以只能依赖与计算机仿 真设计。 3 由于结构复杂，加工精度直接影响着功率均衡器的电特性。 在实际应用中波导功率均衡器和同轴传输线功率均衡通常被设计成一个可调 节的通用器件，使用时则针对每个行波管的幅频特性曲线调节出需要的均衡曲线。 微带功率均衡器是以微带传输线上构建均衡电路，具有体积小、重量轻、易 与固态电路集成等优点，因而得到广泛应用【3 1 】。此外，这种形式的功率均衡器可 以利用微波电路仿真软件进行快速、精确的仿真，有利于电路的一次成型，机械 稳定性也优于同轴式和波导式。图3 5 是两个典型的微带功率均衡器结构： | 匹配铰节 i li w 振枝繁 厂 i l 墩氆 i | 图3 - 5 典型的微带功率均衡器 微带功率均衡器的工作原理与波导功率均衡器和同轴传输线功率均衡类似， 由主传输线和谐振器组成。它们的区别在于，微带功率均衡器的谐振器由微带谐 1 3 电子科技大学硕士学位论文 振枝节构成，而且由于微带可以作为元件的载体，可以灵活地形成电路。这允许 使用更复杂的均衡电路拓扑结构，以得到更精确的均衡响应，还可以形成输入输 出匹配电路，以降低回波损耗 3 2 1 。 3 3 微带功率均衡器的理论分析 综合前文所述，本文将主要对微带功率均衡展开研究。首先分析确定微带功 率均衡器的结构，建立宽带微波功率均衡器的基本模型。 3 3 1 陷波器结构的理论分析 一般情况下，行波管或者固态功率放大器所需均衡网络的幅频特性曲线形状 与陷波器类似，称之为“倒钟形”响应【3 3 】。因此，本文从陷波器工作原理为出发 点，讨论以陷波器为基本结构实现宽带微波功率均衡器的可行性。 图3 - 6 是由r ，l 和c 组成的一种简单的接地串联回路。 图3 - 6 的$ 2 1 为： l r 图3 - 6 接地串联谐振电路的模型 蹦动= 意幕鬻蒜 - ) 图3 7 接地串联谐振电路的响应曲线 1 4 第三章宽带微波功率均衡器 从图3 7 可以看出，该电路实际上是一个陷波器，调节l 和c 可以调节其谐 振频率，调节r 可以调整谐振回路的q 值，从而调整它的最大衰减以及波形的宽 窄。而且，我们还可以把该电路作为基本结构，级联起来，形成多级谐振回路， 如图3 8 所示。 d 掣删 二i 亨i 手 垂重亟重垂薹一 图3 - 8 级联陷波器网络模型 图3 8 所示级联网络的t 矩阵为： 然后由t 矩阵和s 矩阵的关系： s 】= 【丁】= n 吲； i = 1 乏耻警 1 互1 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 就可以得到级联网络的s 矩阵。 如果每一级陷波器的输入输出都是完全匹配的，可以证明级联网络的$ 2 1 可 以写成： 写成插入衰减的形式为： 岛，( 动= n ，( 动 ( 3 4 ) i = i l ( 0 9 ) - - z 厶( 动( 扭) i = 1 ( 3 5 ) 式( 3 2 3 ) 可以看成是以陷波器响应作为基函数的某个响应波形的级数展开。 根据级数展开理论，用无穷多的陷波器响应总可以合成任意的响应波形。 电子科技大学硕士学位论文 因此，可以设想以对地串联谐振陷波器单元作为基本的电路形式，适当地选 择各陷波单元的谐振频率、q 值以及级联数目，就可以逼近实际所需要的均衡响 应。如图3 - 9 所示。 岛 q 0 4 图3 - 9 用多级陷波器单元实现均衡器 3 3 2 陷波器响应的实现 上述的讨论是利用集总参数的串联谐振回路实现一个陷波器，也就是从理论 上证明了采用基本陷波器单元实现功率均衡器的可行性。对于微波功率模块中使 用的功率均衡器，需要采用分布参数电路来实现这种陷波器单元，并通过适当的 级联最终实现微波功率均衡器。 如图3 1 0 所示，是一段终端短路或者开路的无耗传输线，它们的输入阻抗和 输入导纳为： z b m c = j z 亭gl | b l ( 3 - 6 、) z 警= 一j z t g | b l ( 3 i 、) 磊声吒= oiz 工o _ - _ _ - - _ _ _ l - - _ - l _ _ _ - _ _ _ _ h - - _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ - _ _ _ 。_ j 五 一 。、 3 a 丑 一 石、 4 z 0 。声 吒毛= i j 五 0 久 一 五 叭：墨八 4 、；2 4 l 毒静旷l ”睁旷r 旷3 + 图3 1 0 传输线等效为谐振回路 1 6 生 磊 o 第三章宽带微波功率均衡器 由式( 3 6 ) 和式( 3 7 ) 可以看出，一段无耗短截线的输入阻抗为纯虚数，随 着长度的变化，短截线可以表现为感性、并联谐振、容性和串联谐振等特性，如 图3 1 0 所示 肾一甲 辱口 一 童。 图3 1 1 无耗短截线的l c 等效电路 以图3 1 1 所示结构构成的微带谐振回路，损耗很小，可以看做是无耗的，仿 真结果如图3 1 2 所示。 $ p m - ；m - , e w rh e n 叫eb i 击 、， ，一 厅 聿咐q - t 图3 1 2 单枝节陷波器仿真结果 陷波器响应要求其中要有一个电阻r 调节谐振回路的q 值，从而调节衰减量 和输入输出驻波。当在图3 1 1 所示的传输线网络中加上适当的损耗电阻时，就可 以在中心频率附近得到陷波器的响应。按终端短路或者开路，加载电阻后的微带 电路两种谐振枝节结构和响应波形 图3 1 3 九2 短路短截线及响应波形 1 7 下 一 电子科技大学硕士学位论文 f r e q u s n c y ( g h z ) 图3 1 47 4 4 开路短截线及其响应波形 本文以开路短截线为例，通过a d s 仿真来定性分析该模型的所涉及的一些参 数对陷波器特性的影响。图3 1 5 为在a d s 中建立的仿真模型。 图3 1 5 开路短截线在a d s 中仿真模型 由上图可知，影响陷波器特性的参数主要有3 个：开路短截线的长度l 、宽度 w 和串联电阻r 。首先分析电阻r 产生的影响。在模型中，固定开路短截线的长 度与宽度，改变电阻值，利用a d s 软件仿真可得到结果如图3 1 6 所示。 图3 1 6 开路短截线串联电阻值对陷波器影响 1 8 ， t p ：_：il：爱： 第三章宽带微波功率均衡器 在上图中足 足 尼，如图所示，串联电阻越小，则均衡量越大。所以可以 通过改变串联电阻来控制均衡量。 其次分析开路短截线长度l 产生的影响。在模型中，固定开路短截线的宽度与 串联电阻阻值，改变开路短截线的长度，利用a d s 软件仿真可得到结果如图3 1 7 所示。 0 5 ，一10 _ n 8 15 勺2 0 2 5 3 0 l l l 2 l 3 0510152 02 5 f re q u e n cy ( 6 h z ) 图3 1 7 开路短截线长度对陷波器影响 在上图中厶 厶 厶，如图所示，开路短截线长度越小，则谐振频率越高。所 以可以通过改变开路短截线长度来控制开路短截线的谐振频率。 最后分析开路短截线宽度w 产生的影响。在模型中，固定开路短截线的长度 与串联电阻阻值，改变开路短截线的宽度，利用a d s 软件仿真可得到结果如图3 1 8 所示。 0 5 ，、 h 鹄1 o 、_ 一， 勺15 2 0 0 i 万 j 专多肜 霉 l 年 厂 畦l 心夕 ”磺7 d51015 2 02 5 f r e q u e n c y ( g h z ) 图3 1 8 开路短截线宽度对陷波器影响 1 9 电子科技大学硕士学位论文 在上图中彬 磁，如图所示，开路短截线的宽度越宽，则单个陷波器覆盖 频率范围越宽。所以可以通过改变开路短截线的宽度来控制单个陷波器覆盖频率 范围。通过以上分析，可以总结得到表3 1 。 表3 1 调节谐振单元各变量对各项指标的影响 爹数 枝节长度枝节宽度 电阻阻值 捂稼长短宽 窄 大小 谐振频率低向 频率覆盖范围宽 窄 均衡量小 大 综合前文所述，利用电阻加载微带短路或开路短截线，可以实现基本的陷波 器单元，并且通过改变短截线的长度和宽度以及加载电阻r 的大小就可以改变陷 波器单元的谐振频率和衰减量大小。因此，可以将这样的微带陷波器单元通过适 当的级联来实现“倒钟形”响应的功率均衡器。 3 3 3 微波功率均衡器电路的基本模型 前面从微带陷波器出发，讨论了用微带陷波器构成功率均衡器的可能性。从 理论上讲，采用增加或者减少微带陷波器单元、更改元器件参数值等方法，可以 获得任意的响应曲线。但是，在具体实现时，由于各种损耗的存在，使得陷波器 的q 值不可能做到很大；为了电路小型化和便于系统集成，电路的物理尺寸总是 有限的而不可能做到任意多级的陷波器单元，实际上可以采用的陷波器单元非常 有限，通常为2 6 个，更多的是使用4 个以下瞰1 ；工艺上微带线的宽度也不可能 做到任意尺寸。考虑以上种种因素，因此在实际实现功率均衡器的电路模板中， 陷波器单元的数量以及形式会受到一些限制。 图3 1 9 用于优化设计的功率均衡器基本模型 上述讨论只涉及到了功率均衡器的传输函数，而没有涉及到功率均衡器的另 第三章宽带微波功率均衡器 外一个重要指标回波损耗s l l 和$ 2 2 。为了使功率均衡器在系统中能正常、稳 定的工作，必须使得均衡器的回波损耗尽可能的小，所以在功率均衡器的输入、 输出端还应引入匹配电路。在微带电路中，比较适用的匹配电路为阶梯阻抗匹配 电路和枝节阻抗匹配电路，在微带功率均衡器的设计中，可以综合使用这两种匹 配方式，以获得良好的匹配效果。 综上所述，得到了用于优化设计的微带功率均衡器的基本模型如图3 1 9 所示。 如图3 1 9 所示，电路模板分为4 个组成部分：输入匹配电路、陷波器单元、 级间匹配电路和输出匹配电路。输入输出采用阶梯阻抗匹配网络，采用3 级匹配 阶梯，也可以根据实际的要求，调整匹配枝节的数目。陷波器单元的数目可以根 据具体情况决定，如图假设为3 个，其中枝节电阻冠、r 、足为每个谐振枝节提 供衰减量调节并充当耦合电阻。 以图3 1 9 所示电路模板，适当的增减元件，以行波管对功率均衡器的要求为 目标曲线，利用计算机优化方法优化元件参数即可实现预期的均衡响应。假设总 共有m 段微带线，需要优化的参变量包括每一段微带线的宽度和长度，以及加载 电阻的阻值： x = ( 属，r ，忍，厶，厶) 2 ( 3 8 ) 最多可能有2 m + 3 个变量。于是电路的响应就可以通过它的s 参数描述出来， 它的每一个元素都是变量x 的函数： s = 驾嚣) p 9 ， 由于该电路本身具有互易性，所以式( 3 9 ) 中最，= 墨：。 虽然公式非常繁杂，但利用计算机求解仍是比较简单的事情。然后利用优化 技术控制式( 3 8 ) 的变量x ，优化墨。、岛。、墨：即可得到预期的均衡响应。为了 更好的估计实际微带不均匀性的影响，电路仿真计算时还应该使用不均匀性元件， 如微带阶梯、微带t 型头、微带中短开路枝节线和微带十字结( 由于连续性较差， 不常采用) 等【3 5 】。 3 3 4 计算机优化设计微波功率均衡器的步骤 本章针对微波宽带功率均衡器的实际工程应用，讨论了功率均衡器的基本原 理以及设计方法，激励了一种微带功率均衡器的基本模型。借助目前强大的微波 2 1 电子科技大学硕士学位论文 电路和三维电磁场仿真软件对其进行优化设计，最终能够实现满足要求的微带功 率均衡器。设计流程如图3 2 0 所示。 图3 2 0 利用计算机辅助优化设计微带功率均衡器流程图 第四章宽带微波功率均衡器仿真及测试结果 第四章宽带微波功率均衡器仿真及测试结果 本文前面章节中分析讨论了多种宽带微波功率均衡器的设计方法。通过对比， 可以看出，计算机优化设计方法是最为行之有效的方法。在本章，将从前面章节 分析得出的宽带微波功率均衡器优化设计基本模型出发，按照如图3 2 7 所示流程， 完成( 4 8 ) g h z 、( 2 6 ) g h z1 号和( 2 6 ) g h z2 号共计3 套宽带微波功率均衡 器的设计仿真。 4 1 ( 4 - 8 ) g h z 宽带微波功率均衡器仿真及测试结果 4 1 1 ( 4 - 8 ) g h z 宽带微波功率均衡器仿