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《清华大学》 2016年
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固态器件合成高功率微波技术研究

蒋廷勇  
【摘要】:随着第三代宽禁带半导体材料技术的快速发展,以GaN为代表的固态器件在X波段输出功率密度即将突破30~50W/mm,固态器件单管最大输出功率超过1kW,利用固态器件合成高功率微波在技术上已经成为可能。本论文主要针对固态器件合成高功率微波,开展了高效率、高等效辐射功率合成关键技术研究。论文首先对固态器件合成高功率微波的相关物理问题进行了研究,先后从物理总体、关键分系统和核心器件三个层面,研究了固态器件合成高功率微波物理问题,分析提出了k W级固态器件组件、高效紧凑化功率合成阵面及高精度大阵面波束控制等关键技术问题,并具体完成了系统等效辐射功率和阵面主轴指向精度分析,给出了等效辐射功率和指向精度与单元天线、固态器件组件、合成阵面及移相器等功率合成要素的依赖关系。高效率合成阵面是实现高等效辐射功率合成的关键技术之一,论文通过引入近零介电常数材料,开展了高效率单元天线加载技术研究。具体包括:(1)基于口面电场绕射原理设计了E面扇形喇叭天线,在8.5~10GHz范围天线效率均大于0.9;(2)研究了基于介质镀膜的近零介电常数材料周期结构,建立了材料电磁响应特性的理论分析模型,依据口面相位分布方差最小原则研制了中空形式的天线口面加载结构。实验结果表明,介质镀膜中空板加载后天线口径效率从原有0.4提高至0.6以上,相对工作带宽大于10%。(3)研究了基于双层打孔金属板的近零介电常数材料周期结构,提出了金属板内部电谐振效应是修正天线口面相位和匀化电场的物理机理,采用孔耦合理论建立了双层打孔金属板等效电路模型,基于该模型分析了周期结构的谐振特性,并提出了改善周期结构带宽特性的方法。实验结果表明,双层打孔金属板加载后天线在保持辐射效率不变且轴长仅4cm条件下,口径效率从原有0.4提高至0.9以上,相对工作带宽约5%,在X波段500ns单脉冲条件下功率容量不低于100kW。论文同时基于矩量法并以提高合成阵面主轴增益为目标,研究了天线互耦条件下合成阵面优化布局方法,通过合成阵面小信号连续波和大功率短脉冲测试,验证了功率合成阵面布局合理性,以及近零介电常数材料用于提高合成阵面增益的有效性。同时,利用kW级固态组件和E面扇形喇叭,开展了2×2单元天线合成阵面技术指标有源测试,实测结果表明合成阵面在8.5GHz频率处等效辐射功率达到2.5×10~5W,测试结果验证了固态器件合成产生高功率微波的技术可行性。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN015

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