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基于波导的微波毫米波空间功率合成技术研究

宋开军  
【摘要】: 近年来,随着军用与民用通信系统的快速发展,对于高效率、宽频带大功率固态功放的需求与日俱增。然而,单个固态器件在微波毫米波频段输出的功率有限,不能满足系统的需求。因此,人们研究了采用多个固态器件进行功率合成的方法来获得高功率输出,这有力地推动了宽带、高效的功分/合成电路的发展,各种功率分配/合成技术相继被提出、验证和应用。传统的混合功率合成电路,如Wilkson功分器、Lange耦合器和分支线耦合器等,在微波毫米波频段由于功率合成效率低、工作带宽窄等一些固有的缺陷已不适用。为了满足上述需求,各种新型功率合成技术不断出现,如准光功率合成以及基于波导的空间功率合成技术等。这些新型功率合成技术与传统技术相比,具有插入损耗低和合成效率高等优势。本文在传统的波导空间功率合成技术的基础上,提出了几种新型的波导功率合成结构,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全面深入的研究。本论文主要的工作成果为: 1.首次提出了一种新型的扩展同轴波导功率分配/合成电路,它采用探针阵列实现低损耗的探针一波导转换,具有同轴探针及微带探针两种形式。这种合成器电路是一种N端口合成结构,能够直接将N只器件的功率一步合成,功率的合成不需要通过几级,具有较低的插入损耗,可获得更高的功率合成效率;另一方面,它将有源放大器件置于同轴波导外,有效地解决了散热问题,容易实现大功率合成。这种功分器/合成器结构采用TEM主模传输,没有截止频率,可用于宽带功率合成电路,在毫米波亚毫米波频段可突破波导尺寸限制,在大功率微波毫米波系统中具有广泛的应用前景。 2.首次成功地运用等效电路法分析了这种新型的扩展同轴波导功率分配/合成电路,并推导出了同轴波导功率分配/合成电路的相关设计公式。通过对这种合成器电路结构进行电磁理论分析和工作模式研究,得出了这种电路结构的简化电磁模型。同时,对标准同轴到扩展同轴波导过渡电路形式进行了研究,得出了两种过渡电路,即:同轴渐变锥体过渡和阶跃阻抗变换,并分别采用小反射理论和等效电路理论分析了这两种过渡电路。仿真与测试结果表明:这种空间功率分配器/合成器具有结构简单、频带宽、损耗低、散热效果好、各端口功率及相位一致性好(差异小)等优点。 3.对径向波导功率分配/合成电路进行了深入的研究,提出了一种更直观、更有效的分析方法。通过对径向波导内电磁场的理论分析,根据径向波导工作主模电磁场的轴向对称分布特性,并采用等效电路法导出了径向波导功率分配/合成电路的简化等效电路模型。在等效电路模型中,整体电路被分成两部分:中心探针区域和外围探针区域,这两部分在一个公共的参考平面上进行阻抗匹配,从而实现整体电路的良好的输入输出匹配。 4.首次提出了几种新型基片集成波导(SIW)多端口功分/合成电路。这类电路不同于其它基片集成波导功率合成电路的一个特点在于它采用电流探针(金属化通孔)实现波导到探针的转换,从而完成功率分配与合成功能。它采用普通的PCB板来实现,具有结构简单、体积小、重量轻、便于集成等优点。电路具有轴对称性,可轻易实现各输出端口的等功率分配并保持相位的一致性。 5.首次运用等效电路法分析了这类紧凑型SIW多端口功率分配器/合成器。给出了小型化功率分配器/合成器结构的简化模型,得出了设计SIW功率分配器/合成器电路的相关公式。这种无源功率分配/合成电路的仿真与测试结果吻合良好。


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