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Ka频段固态功率合成技术研究

林野  
【摘要】: 在微波应用系统中,发射机系统功率的大小决定了整个系统的作用距离和抗干扰能力,高功率放大器便是发射机系统中必不可少的关键部分。在毫米波频段,直流转换效率较低,单个固态器件的输出功率极为有限,要使固态功率放大器能够达到需要的输出功率电平以部分取代行波管器件,采用功率合成技术就成为了一种有效且必要的方法。 本文在研究了大量国内外功率合成相关技术文章的基础上,立足于国内实际工艺水平,设计制作了基于波导内空间功率合成技术的Ka频段固态功率放大器。主要工作如下: (1)在研究和对比了多种功率合成技术的特点后,选择了波导基内的4路空间功率合成作为固态功率放大器中关键的功率合成放大级的实现方案。 (2)分析了功率分配-合成结构的相关工作原理,设计了Ka频段2×2路双对极鳍线功率分配-合成结构并利用CST Microwave Studio软件进行建模和优化。最后对该结构进行实测,在30~40GHz频带范围内背对背插入损耗小于1.5dB,回波损耗优于10dB。另外设计了Ka频段波导-微带线的对极鳍线过渡结构,用于功率驱动放大级中。 (3)采用了一种全新的导热材料替代常规的可伐材料作为MMIC功率单片的载体。利用有限元分析软件ANSYS进行相应的热仿真和优化,确定载体的物理尺寸,极大的改善了MMIC和铝质腔体之间的热传导性能,基本解决了固态功放散热这一难点问题。 (4)研制了Ka频段固态功率放大器,在设计的33~37GHz工作频带内,获得了最大10.33W(40.14dBm)的饱和输出功率,其中在34~35GHz接近1GHz的带宽范围内,输出功率在10W(40dBm)左右;估算最大合成效率达到85%。 (5)展望了该固态功率放大器良好的工程应用前景,并提出了以此结构作为基础单元进行更大规模功率合成的进一步研究方向。


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