基于毫米波高次模的徑向合成技術研究

吳小帥

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

毫米波技術經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)通信、成像、測量等領域得到了廣泛應用。工作頻率的提升對于成像和測量系統(tǒng)意味著更好的精度，對通信系統(tǒng)則意味著更大的數(shù)據(jù)帶寬和更快的傳輸速率，開發(fā)高端頻段成為目前毫米波技術領域的熱點。功率放大器是毫米波系統(tǒng)的重要部件，但是單個功率器件的輸出能力隨工作頻率升高會迅速降低。為滿足系統(tǒng)要求，需成倍提升功率輸出能力。因此，功率合成技術是開發(fā)毫米波高端頻段的研究熱點，對開發(fā)新的系統(tǒng)應用、實現(xiàn)更好的系統(tǒng)性能有著重要意義。

1 理論分析

針對毫米波高頻段、太赫茲低頻段的固態(tài)功率源在很多領域的重要價值和迫切需求，提出大波導高次模的極化合成思路，開發(fā)具有頻帶寬、路數(shù)多、合成效率高、功率容量高、結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)性強等特點的新型功率合成技術。開展毫米波高頻段高次模徑向功率合成方案原理框圖如圖1所示。在徑向合成時，主要涉及到空間對稱模徑向合成、非全匹配網(wǎng)絡失配穩(wěn)定性、平衡式模式變換3個主要的問題，因此對這3種技術進行研究。

圖1 方案方框圖

1.1 波導對稱模徑向功率合成方法研究

傳輸模的場結(jié)構(gòu)、單模帶寬、損耗特性等決定了合成網(wǎng)絡大部分電氣特性，圓波導模式分布如圖2所示。如圖3所示，TE11模的場沿圓周具有一個半駐波變化，沿圓周沒有對稱性，但與其極化簡并?？珊铣蓤A極化TE11模，沿圓周具有時間對稱型，適用于任意路數(shù)的等幅度等相差徑向合成，可實現(xiàn)左旋和右旋兩種情況。當TEmn或TMmn模中的m為零時，在任意時刻，場沿圓周任意角度都有旋轉(zhuǎn)對稱，為空間對稱模，適用于任意路數(shù)的等幅同相徑向合成，典型空間對稱模有TE01模和TM01模，電場結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示。根據(jù)傳輸線結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡拓撲、工作模式以及合成路數(shù)等因素確定徑向合成器結(jié)構(gòu)后，需重點研究各工作模式下，支路端口的幅相關系，這是合成網(wǎng)絡的核心問題。

圖2 圓波導各階模式分布圖

圖3 TE11模徑向合成器電場結(jié)構(gòu)圖

圖4 圓波導TE01高次模徑向合成器電場圖

圖5 圓波導TM01高次模徑向合成器電場圖

1.2 非匹配合成網(wǎng)絡的失匹配穩(wěn)定型研究

無耗徑向合成網(wǎng)絡為非全匹配網(wǎng)絡，研究支路失配或非理想激勵情況下的端口駐波問題尤為重要。若不解決合成網(wǎng)絡的(準)全匹配問題，則需要解決潛在失配條件下每一激勵支路的穩(wěn)定性。解決該關鍵問題主要有以下兩條途徑：

第一種為從非全匹配等幅分配網(wǎng)絡的散射矩陣出發(fā)，信號從支路輸入時，其余各支路端等幅輸出，那么支路反射系數(shù)模值為(N-1)/N，這意味著非平衡激勵時，合成路數(shù)越多支路端口駐波越差。擬采用多模散射矩陣技術研究高次模徑向合成網(wǎng)絡特性，通過插入有耗元件或增加端口數(shù)量解決支路的穩(wěn)定性問題，實現(xiàn)(準)全匹配網(wǎng)絡。在合成器結(jié)構(gòu)設計方面，可以在TE01模和TM01模的支路之間增加電阻吸收膜片或增加輔助端口來匹配干擾模，提高支路電路的失配穩(wěn)定。

第二種為圓極化TE11模是時間對稱模，增加吸收端口較為困難。從另一角度出發(fā)，在非全匹配合成條件下，解決單個支路潛在不穩(wěn)定問題。假設某些支路激勵失配，未失效支路的反射系數(shù)最差為Sii<(N-1)/N，必須保證在次情況下，大功率器件不會損壞。研究思路為：(1) 通過合理的阻抗匹配，降低支路放大器對負載的牽引響應；(2) 使用隔離器阻斷負載牽引效應；(3) 支路放大器采用平衡結(jié)構(gòu)，負載變化不影響單個器件的性能。工作在TE01和TM01模的合成器也可以采用該方法進一步提高穩(wěn)定性。

1.3 平衡式模式變換技術研究

合路端口不一定是標準的波導，附加模式變換器能實現(xiàn)傳輸線過渡和傳輸模轉(zhuǎn)換。常用模式轉(zhuǎn)換器有漸變、差分移相、介質(zhì)加載，金屬膜片、花瓣槽、環(huán)繞式、梅爾變換等通過波導空間內(nèi)的結(jié)構(gòu)漸變或耦合諧振實現(xiàn)模式變換，頻率越高尺寸越小且越敏感，尤其在毫米波高端頻段存在實現(xiàn)難度大、轉(zhuǎn)換效率低等問題，導致合成效率惡化嚴重。波導E/H頭、分支線電橋或魔T等高性能平衡電橋能實現(xiàn)不同相位的平衡激勵，如圖6所示。另外，在激勵口位置不但要研究工作模的阻抗匹配，還要考慮干擾模的影響，計算出干擾模的抑制度。

圖6 平衡式模式變換結(jié)構(gòu)三維示意圖

2 實踐成果

圖7 原理樣機模型

圖8 14路徑向合成仿真模型圖

按照以上技術途徑，完成3個主要部分的研究工作之后，搭建原理樣機模型，如圖7所示，實現(xiàn)多路、高效率功率合成，完成實驗驗證，達到本項目的研究目的，為該頻段功率合成技術提供一種新的實現(xiàn)方法。研究并設計基于圓波導TE01模的多路徑向合成放大器，由于徑向合成路數(shù)多加工難度較大，而且體積也會增大，因此先選用帶隔離的波導電橋進行一次合成，然后再選用14路徑向合成器進行合成。根據(jù)以上理論建立三維立體模型，如圖8所示。14路功分的理論損耗為11.46 dB，在93～95 GHz頻段仿真結(jié)果插損<11.8 dB，理論損耗<0.4 dB，根據(jù)經(jīng)驗，實際制作出的合成器損耗<0.6 dB，加上前面波導電橋合成的0.25 dB損耗，28路合成損耗共計0.85 dB。經(jīng)過以上研究二進制合成方案最高合成效率為74.99%，徑向合成的合成效率為82%，因此選用徑向合成為最佳選擇。

3 結(jié)束語

徑向合成屬于多路合成，其優(yōu)點是合成網(wǎng)絡的損耗隨著合成路數(shù)的增加不會有明顯升高，適合于任意路數(shù)的合成，結(jié)構(gòu)簡單、合成路數(shù)多、損耗小、功率容量大、維修性強并且工作頻率可以拓展至500 GHz甚至更高。

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