W波段功率合成技術(shù)研究

劉 輝 習遠望 楊 軍 姚志健

(1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.中國兵器科學研究院 北京 100089)

1 引言

毫米波系統(tǒng)的成功應用在很大程度上決定于系統(tǒng)的功率大小[1]，提高毫米波電路輸出功率對導彈精確制導、雷達、保密通信、電子對抗等方面的系統(tǒng)性能至關(guān)重要，因為毫米波發(fā)射機輸出功率增大意味著具有更遠的作用距離、更好的通信質(zhì)量、更強的抗干擾能力[2]。由于單個器件輸出的功率難以滿足系統(tǒng)的需要，因此，采用功率合成技術(shù)，合成多個固態(tài)器件產(chǎn)生的功率，以滿足系統(tǒng)的功率需求就成為一種非常有效的解決方法[3]。隨著毫米波技術(shù)的發(fā)展，在獲得更高功率的同時，對于更寬頻帶高功率固態(tài)發(fā)射機的需求越來越大。

功率分配/合成網(wǎng)絡的端口隔離度是實現(xiàn)寬帶功率合成的關(guān)鍵。由于任何無損互易的三端口網(wǎng)絡無法同時實現(xiàn)三個端口的匹配，而在毫米波電路中，尤其在W波段，有耗匹配的Wilkinson功分器的隔離電阻元件實現(xiàn)十分困難，雖然通過去掉隔離電阻實現(xiàn)了Ka波段功率合成，并且取得了較好的合成效果，但是去掉隔離電阻后，端口間的隔離問題和高次模的激勵問題使得這類方法較難應用到更高的頻率。文獻[3]提出采用H面波導T型結(jié)作為3dB功分器，但由于其隔離度有限，所研制的W波段功率合成器工作帶寬僅有60MHz(相對工作帶寬有0.064%)[3]，這樣并不能發(fā)揮出W波段帶寬大的優(yōu)勢。

本文采用對稱性好，結(jié)構(gòu)簡單的H面波導裂縫電橋作為毫米波功率分配/合成網(wǎng)絡，以環(huán)行器連接的注鎖功率放大器作為基本放大單元，利用波導裂縫電橋各輸入、輸出端口之間信號的特殊相位關(guān)系，以及各端口之間的高隔離度實現(xiàn)了W波段寬帶、高效相參信號功率合成。

2 毫米波功率合成原理

功率合成是兩個復矢量幅度的疊加，其合成后輸出功率為:

輸出相角為:

這里D是輸入源功率差的dB數(shù)，θ是與兩個功率源進行最優(yōu)功率合成所要求的相位關(guān)系之間的相位偏差。實際的系統(tǒng)中，幅度差和相位差產(chǎn)生于功率源的不同特性以及功分與合成網(wǎng)絡的非理想特性。圖1、2分別給出了合成輸出功率和相位角與輸入功率偏差、輸入相位偏差的函數(shù)關(guān)系[4]。

功率合成效率由公式(3)給出:

由公式(3)可以看出:兩路的幅度、相位偏差決定了最終的合成效率[4]。功率合成效率曲線見圖3。

圖3 功率合成效率曲線

可以看出相位差比幅度不平衡對于提高功率合成效率的影響更為明顯。理想狀態(tài)下，當相位差控制在30°的范圍內(nèi)時在寬的幅度變化范圍內(nèi)均能獲得高于90%的功率合成效率[4]。

而功率合成的頻帶寬度則主要受到用于功率合成的3dB功分器端口間隔離度的影響。當隔離度小于20dB時將導致用于功率合成的兩路IMPATT放大鏈互相影響，產(chǎn)生交叉調(diào)制[3]。影響功率合成效率，進而影響有效功率合成的頻帶寬度。

3 實現(xiàn)方法及性能測試

3.1 H面波導裂縫電橋仿真及測試結(jié)果

圖4 H面波導裂縫電橋結(jié)構(gòu)

為了解決通道間的隔離問題，經(jīng)過對比研究選擇3dB波導裂縫電橋作為功分器和合路器，根據(jù)文獻[4]報道，H面波導裂縫電橋端口間的隔離度可以在5%的相對帶寬內(nèi)做到大于20dB[4]。H面波導裂縫電橋的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。在主副兩個矩形波導的公共窄壁上切去一段，作為耦合縫隙。合理地選取耦合縫隙的長度，就可以使由主波導端口①輸入功率的一半耦合到副波導中的端口③，這種裂縫電橋稱為3dB電橋。在端口③處電場的相位滯后于端口②處電場的相位90°;副波導的端口④無輸出。該器件在端口② 、③ 之間能夠獲得大于20dB的隔離度[5]，這和W波段鐵氧體隔離器的隔離度相當。加上注鎖放大器所使用環(huán)行器的隔離作用就能夠獲得較高端口隔離度。

為了研究該器件性能，我們采用Ansoft公司的高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS對上述功分器進行了仿真和性能優(yōu)化[5]。圖5、6為該尺寸下兩個主要參數(shù)的仿真曲線。

使用矢量網(wǎng)絡分析儀對功分器的帶內(nèi)各端口駐波、插損、輸出口隔離度、輸出相位差等指標進行了測試。實測結(jié)果的端口駐波略優(yōu)于仿真結(jié)果，附加插損約0.5dB，相位誤差均小于10°，兩路隔離度在2GHz的頻帶范圍內(nèi)優(yōu)于 20dB[5]。

3.2 功率合成實驗

W波段注入鎖定功率放大器功率合成原理圖如圖7所示。它是將毫米波小功率信號經(jīng)過功率分配網(wǎng)絡實現(xiàn)功率分配，功分以后的兩路毫米波小功率信號分別通過環(huán)行器注入輸出功率的較大毫米波振蕩源對其進行鎖定。鎖定以后的較大功率毫米波信號分別經(jīng)各自的環(huán)行器輸出，然后再由毫米波功率合成網(wǎng)絡進行功率合成，從而得到所需要的合成功率信號。

圖7 功率合成原理圖

W波段注入鎖定功率放大器功率合成實物如圖8所示。

圖8 功率合成實物圖

基于H面波導裂縫電橋的W波段注鎖放大器寬頻帶功率合成器的實測結(jié)果如下表1所示。

表1 實測結(jié)果總結(jié)表

4 結(jié)論

本文論述了W波段注鎖功率放大器和H面波導裂縫電橋功率分配/合成網(wǎng)絡的基本原理，以及利用它們實現(xiàn)功率合成的方法。實驗結(jié)果分析表明在1GHz帶寬下功率合成效率優(yōu)于81%。

[1]梁榮江，曹衛(wèi)平.一種新穎的毫米波開槽波導空間功率合成網(wǎng)絡[J].桂林電子科技大學學報，2008，(4):290 ～293.

[2]程鴻，王璐.一種新型的毫米波平面空間功率分配/合成網(wǎng)絡[J].桂林電子科技大學學報，2009，(2):105 ～107.

[3]吳濤，唐小宏.W波段雙路相參功率合成技術(shù)的研究[J].微波學報，2008，24(4):60 ～63.

[4]Kai Chang，Cheng Sun，Millimeter-Wave Power-Combining Techniques[J].IEEE Transactions on Microwave Theory And Techniques，1983，(2):91 ～107.

[5]楊軍，劉輝，張鏑，習遠望.用H面波導裂縫電橋?qū)崿F(xiàn) 3mm功分器[J].火控雷達技術(shù)，2009，(3):64 ～67.