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固态功率合成及高功率放大器技术研究

韩煦  
【摘要】:固态放大器件在雷达、通信系统中应用越来越多,对固态器件输出功率的要求也越来越高,功率合成技术是提高雷达、通信系统输出功率行之有效的手段,具有较高的研究价值。近年来,功率合成技术朝着频率更高、合成支路更多、带宽更宽的方向发展。本文主要对宽带、多合成支路、高功率这三个方向进行了研究。 从微波网络的基本理论出发,本文在前人的基础上进一步分析了N路合成结构中,路径衰减和信号幅相不平衡对功率合成网络的合成效率和功率合成放大器稳定性的影响。 针对宽带Wilkinson功率合成器功率容量小,分支线耦合器和环形电桥工作带宽较窄,Lange耦合器加工复杂的缺点,根据宽边耦合理论,利用缺陷地技术,采用双面印制板工艺,设计了一款6-18GHz高功率宽边耦合功率合成器。该功率合成器隔离电阻一端接地,提高了功率容量,在6-18GHz频率范围内,输入端口间的相位差距离理论值偏差小于2度,幅度差小于1.5dB。 常见径向波导功率合成结构存在两个问题:1.合成端口为同轴线,功率容量小衰减大,在毫米波频段更甚,2.分支端口若为同轴线则不适合工作在毫米波频段数,若为矩形波导则合成支路较多时易产生谐振。针对第一个问题,本文将合成端口改为加粗同轴线转矩形波导,增大功率容量,设计制作一款Ku波段8路径向波导功率合成器。同轴线内导体与腔体壁相连,易于加工和装配,在13.7GHz~19.3GHz范围内,附加路径损耗小于0.9dB。 合成端口采用加粗同轴转矩形波导的方法只解决了径向波导结构的第一个问题。根据圆波导TE01模电场围绕轴心旋转的特性,本文将径向波导功率合成结构的合成端口改为圆波导,工作模式为TE01模;分支端口改为矩形波导窄边围绕轴线阵列,利用减高波导增加合成支路,径向波导半径不变,不易产生谐振,克服了传统径向波导功率合成结构的缺陷。采用这种结构,文中设计了一款Ka波段32路径向波导功率合成器,利用Marie转换器将矩形波导TE10模转成圆波导TE01模。Marie转换器和Ka波段32路径向波导功率合成器级联时,在27.5-37.5GHz频率范围内,附加路径损耗小于0.4dB。 功率合成技术多应用在大功率场合,大功率功放的设计本身就是一个难点。本文选用能购买到的C波段单管输出功率最高的TIM5359-80SLDS功放管,设计制作了一款工作频率5.1-6.1GHz的功率合成放大器,双管功率合成输出脉冲功率达130W,合成效率大于76%。


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