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E波段宽带功率合成技术研究

万蓬  
【摘要】:毫米波功率源是诸多应用系统的重要组件。由于固态器件自身的半导体特性以及工艺等诸多方面的限制,单个固态器件在毫米波频段输出功率相对有限,难以满足很多高功率应用系统的要求。将多个固态器件的输出功率进行合成是提高输出功率的有效手段。本文以实现E波段宽带高功率固态源为目标,深入研究了波导十字形耦合槽耦合器和分支波导电桥两种形式的功分/合成网络,并设计了独立的E波段宽带功放模块,分别采用这两种功分/合成网络进行了四路功率合成技术的研究。本文的主要研究内容包括:1、建立了包含隔离端口的波导十字槽耦合槽耦合器的六端口网络的等效电路模型,基于该电路模型,利用ADS(Advanced Design System)对波导十字槽耦合器的S参数进行分析计算,快速获得初步的仿真结果。在此基础上,利用HFSS(High Frequency Structure Simulator)建立十字槽耦合器的三维模型,对其性能进行精确的仿真优化,从而有效提高了分析设计的效率。根据给定的技术要求,对回波损耗、插损、隔离度等指标进行了全面的仿真分析。研制了一款E波段宽带波导十字槽耦合器功率分配/合成网络,并对其功率容量进行了分析。实测结果表明,在71.5-77.5GHz频率范围内,该十字槽耦合器的背靠背插损典型值为1.5dB,实现了宽频带范围内优良的功分/合成性能。2、针对多路高功率合成网络结构布局要求,提出了H面分支波导电桥与E面直角拐角相结合的E波段四路波导功分/合成网络设计方案。首先建立了独立的波导分支电桥和E面拐角的HFSS模型并进行了仿真优化,基于无源网络各支路间的相位关系,建立了由三个波导分支电桥和四个E面拐角构成的四路波导功分/合成网络的完整的仿真模型,并进行一体化全波精确分析。仿真结果表明,在72-77GHz频率范围内,该无源网络的回波损耗优于20dB,各支路间的幅度不平衡度在0.35dB以内。解决了工艺实现问题,加工制作了波导功分/合成网络实验样品。实测结果表明,在72-77GHz频率范围内,该功率分配/合成网络的背靠背插损典型值为1.8dB。3、利用商用MMIC芯片,设计了一种E波段中等功率放大器模块。首先应用商业软件HFSS,针对给定的工作频段,优化设计了宽频带、低损耗的波导-微带过渡结构,以此作为射频输入输出的耦合单元,建立了包含MMIC芯片附近区域腔体结构的HFSS仿真模型,重点考察了包含腔体结构的无源电路的寄生谐振特性,并通过优化腔体尺寸及放置吸波材料等方法,保证了宽频带范围内平坦的传输特性。最后调试完成了该款E波段功率放大器电路模块,实测结果表明,该模块在71-77GHz的频率范围内饱输出功率大于24dBm。4、分别利用波导十字槽耦合器和分支波导电桥这两种功分/合成网络,结合四个独立的E波段中等功率放大器模块,组合装配了两种四路E波段功率合成放大器组件。实测结果表明,在71-77GHz的频率范围内,两种合成功放的饱和输出功率分别在29.5dBm和29.4dBm以上,峰值功率分别达到30.8dBm和31.0dBm,合成效率分别大于53%和64%,最大合成效率分别为80%和79%。


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