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基于波导的紧凑型功率合成技术研究

周翼鸿  
【摘要】:近年来,随着无线通信技术的迅速发展,对功率放大器的带宽、效率以及输出功率的要求也与日俱增。然而固态功率器件受自身半导体物理特性的影响以及加工工艺、散热、阻抗匹配等问题的限制,其输出功率非常有限,而且工作频率越高,单芯片输出功率水平越低。因此,人们采用多个固态功率器件进行功率合成,有效提高功率放大系统的输出功率。本论文在传统的准光功率合成技术和波导基空间功率合成技术的基础上,提出了几种新型的基于波导(包括基片集成波导)的紧凑型功率合成方案,并进行了理论分析、全电磁仿真以及实验测试。本论文的主要工作成果如下: 1.提出了新型的探针式鳍线-微带线耦合单元,基于该耦合单元提出了结构紧凑的单层和双层鳍线功率合成方案。该方案利用PCB工艺把鳍线、微带耦合探针以及微带线集成在同一块基片上,使整个合成器的结构非常简单,而且合成效率高,适合批量生产。 2.结合微带探针和鳍线电容窗结构,提出了宽带鳍线行波耦合单元,并在此基础上提出了宽带鳍线行波功率合成方案,其设计重点在于利用附加蛇形微带线进行支路的相位调整,仿真和测试结果表明,在较宽频带内能够进行行波功率合成,而且获得了较高的合成效率。 3.提出了一种新型的基于线性渐变对极鳍线的波导-基片集成波导(SIW)转换器。该转换器利用简单的线性渐变对极鳍线把电场方向扭转90°,实现波导与SIW之间的转换,并利用此转换器设计了四路紧凑型SIW功率合成器,仿真和测试结果表明在很宽的频带内都能获得较高的合成效率。 4.提出了横向开槽波导功率合成方案。该方案把介质基片的底层铜箔直接作为波导的宽边,利用PCB(Printed Circuit Board)工艺把波导宽边、波导横向开槽以及耦合微带线集成在同一块介质基片上,解决了传统纵向开槽波导功率合成器需要复杂加工和精确装配的问题。另外为了解决标准波导与基片铜箔构成的波导之间的连接问题,提出了新型的波导宽边连接器,利用在基片上直接构成的扼流槽实现两者之间良好的电接触。 5.提出了新型的SIW-双微带线转换器,并结合渐变波导功分结构,提出了新型宽带四路和八路功率合成方案。该功率合成方案利用渐变波导功分结构实现输入功率的多路分配,再利用双微带线转换器倍增合成支路的数量,整个功率合成器结构紧凑,散热性能好,合成效率高。 6.提出了新型的双脊波导-微带转换器,利用此转换器提出了单面双脊波导功率合成方案和结构更紧凑的双面双脊波导功率合成方案,并进行了仿真和测试,在较宽的频带内获得了较高的合成效率。 7.利用波导横向开槽,提出了结构紧凑的双面开槽波导功率合成方案。该方案用两层基片铜箔构成波导的两个宽边,在每层铜箔上开一条槽,分别与两条微带线发生耦合,最终实现四路功率合成,整个合成器的结构紧凑,加工和装配简单,合成效率高。 8.提出了基于SIW的全平面四路和八路功率合成方案,仿真和测试结果表明其带宽较宽、合成效率较高,适合批量生产。 9.提出了基于双探针波导-微带转换器的功率合成方案,该方案具有合成效率高、散热性能好的特点。


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