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平面空间功率合成技术研究

严君美  
【摘要】: 宽带、高效、大功率的放大器是无线通信系统中一个非常关键的组成部分,然而单个固态器件的输出功率有限,不能满足系统的要求。为此,人们采用功率合成的方法来获得高功率输出。在各种合成方案中,准光功率合成以及基于波导的空间功率合成技术近来发展迅速。准光功率合成以及基于波导的空间功率合成技术具有插入损耗低和合成效率高等优势,其合成效率基本不受合成数目的影响。但是,大多数的空间功率合成器涉及到三维结构,结构复杂,机械加工要求高,电性能设计难度大,所以三维空间功率合成器的平面化研究一直是功率合成技术研究领域中的一个重要方面。本论文在前人已做工作的基础上提出了几种新型的平面功率合成结构,并从理论分析、电路设计、电磁仿真及实验验证等几个方面对其进行了研究。本论文的主要工作成果为 1,对功率分配-放大-合成网络进行了参数化分析,能够求出各个支路上传输的信号,从而对功率分配-放大-合成效率进行失效性分析、合成效率分析等。以此为基础,对两种对称功率分配网络的失效性能进行了比较,对包含两条支路的链式功率分配-放大-合成网络进行了分析,对单层链式功率合成放大器的失效性能进行了分析,并与实测结果进行了比较,对其失效性能具有大致的预测作用。 2,提出了一种双层平面空间功率合成器,该结构通过引入平行双线到两个具有公共接地平面微带线的转化电路,集成了两个单层的平面空间功率合成器,在几乎相等的电路体积上使合成器的支路数增加了一倍,可以集成更多的放大器单元,得到更大的功率输出。并且,使用双层结构,使得该平面空间功率合成器中用到的微带线渐变阻抗变换器的阻抗变换比减小了一半,使电路匹配得更好。这种功率分配/合成器采用TEM模式传输,没有截止频率,可用于宽带功率合成电路。 3,提出了一种平面链式功率合成器,它通过在各输出微带线上引入直角微带转换头将放置放大器芯片的位置引导到电路的侧边,这样各支路之间的距离就可以根据单元放大器芯片的实际尺寸来设计。由微带线构建的不同功分比例的功分器作为链式功率分配网路中的各级功分器,功分比例通过微带线的特性阻抗大小来进行调节。在此基础上,提出了几种改进的平面链式功率合成结构,这些结构具有更小的路径损耗、更好的散热性能和更好的功率分配幅度一致性。 4,对上述两种结构的设计方法进行了介绍,设计方法基于电路的传输线等效模型,结合电磁仿真软件,对各支路的功率分配的幅度优化和相位调节方法进行了介绍。并在此基础上设计、制作、测试了单层、双层的功率分配/合成结构和由这些结构构建的合成放大器,测试结果充分证明了提出的结构合成功率的有效性和设计方法的正确性。 5,提出了两种结构更为简单的波导空间功率合成器。一种是基于鳍线转化结构的矩形波导空间功率合成器,与传统的托盘结构的矩形波导空间功率合成器相比,腔体结构更加简单,易于加工,合成单元放大器的数目更大。且放大器放置在波导腔体之外,具有良好的散热性能。给出了矩形波导到平行双线转换结构的设计方法。对整个结构进行了仿真。给出了仿真结果。另一种是基于探针耦合的矩形波导空间功率合成器,将探针耦合转换电路的输出微带线设计成25欧姆,然后在其后面接个一分二的功分器,使得功率分配/合成的支路数增加了一倍,又不会引起整个结构体积明显增大。对这种合成结构进行了仿真,给出了仿真结果。


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