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大功率毫米波准光功率合成技术研究

李孚嘉  
【摘要】:随着科学技术的发展,大功率毫米波在信息传输、工业生产以及军事国防等领域起到了愈加重要的作用,同时各类领域也对大功率毫米波信号源的输出功率提出越来越高的要求。受限于器件原理、物理结构与材料性能等因素,目前在短毫米波到太赫兹频段,单一信号源的输出功率在一些大功率应用场景中难以满足工作需求。因此,功率合成技术成为解决这一问题的重要手段。目前,在大功率与高频率应用场景中,相比于传统的平面类与波导类功率合成器,准光功率合成器具有损耗小、功率容量大以及可合成路数多等优点,其中相位修正镜面型准光功率合成器在系统结构紧凑性与波束赋形能力等方面更有独特优势。本文首先对两种已有相位修正镜面设计算法的工作原理与应用特征进行了探究,其分别适用于单镜面系统和多镜面系统。重点考察了适用于单镜面系统设计的经典Katsenelenbaum–Semenov(KS)算法应用于多镜面系统的局限;在探究经典Gerchberg–Saxton(GS)算法适用于多镜面系统设计内在原因的基础上,结合经典KS算法的优势,提出一种适用于多镜面系统设计的正逆传播算法。为了探究正逆传播算法的设计能力及其计算得到镜面系统的特性,本文通过30 GHz四路功率合成/分配器设计案例,验证了正逆传播算法在准光多镜面功率合成/分配系统设计中的有效性;通过对比正逆传播算法设计的功率合成器的输出结果,以及逆向使用所设计的功率分配器的输出结果,证明了正逆传播算法计算得到的功率合成/分配系统具有互易性;通过94 GHz四/九/十六路功率分配器设计案例,进一步得知正逆传播算法在不同频率条件下保持了良好的镜面系统设计能力,以及随着功率合成/分配路数的增加,系统设计难度增大;通过对比相同设计目标下,不同结构尺寸镜面系统的输出结果,得知器件结构尺寸是影响系统输出场耦合度带宽的主要因素;另外,通过对比正逆传播算法和经典GS算法所设计的镜面系统的输出结果,得知两者具有相近的理论设计能力,同时正逆传播算法得到的系统具有更好的带宽特性与镜面易用性。在上述研究基础上,本文设计了30 GHz大功率准光双镜面四路功分系统,并完成了器件加工与实物测试。仿真结果表明系统的功率传输效率为89.04%,输出场与四路高斯波束束腰截面场的矢量耦合度为93.68%,耦合度大于85%的相对带宽为36.67%,系统功率容量为9.986 MW。测试得到系统输出场与四路高斯波束束腰截面场的标量耦合度为94.38%,整体较好实现了四路功率分配作用,同时验证了本文所提出的多镜面准光功率合成/分配系统设计算法的有效性。


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