吳小帥

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

毫米波技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)通信、成像、測(cè)量等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。工作頻率的提升對(duì)于成像和測(cè)量系統(tǒng)意味著更好的精度，對(duì)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(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。功率放大器是毫米波系統(tǒng)的重要部件，但是單個(gè)功率器件的輸出能力隨工作頻率升高會(huì)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(shù)是開發(fā)毫米波高端頻段的研究熱點(diǎn)，對(duì)開發(fā)新的系統(tǒng)應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)更好的系統(tǒng)性能有著重要意義。

1 理論分析

針對(duì)毫米波高頻段、太赫茲低頻段的固態(tài)功率源在很多領(lǐng)域的重要價(jià)值和迫切需求，提出大波導(dǎo)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(shí)現(xiàn)性強(qiáng)等特點(diǎn)的新型功率合成技術(shù)。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(shí)，主要涉及到空間對(duì)稱模徑向合成、非全匹配網(wǎng)絡(luò)失配穩(wěn)定性、平衡式模式變換3個(gè)主要的問題，因此對(duì)這3種技術(shù)進(jìn)行研究。

圖1 方案方框圖

1.1 波導(dǎo)對(duì)稱模徑向功率合成方法研究

傳輸模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)、單模帶寬、損耗特性等決定了合成網(wǎng)絡(luò)大部分電氣特性，圓波導(dǎo)模式分布如圖2所示。如圖3所示，TE11模的場(chǎng)沿圓周具有一個(gè)半駐波變化，沿圓周沒有對(duì)稱性，但與其極化簡(jiǎn)并模可合成圓極化TE11模，沿圓周具有時(shí)間對(duì)稱型，適用于任意路數(shù)的等幅度等相差徑向合成，可實(shí)現(xiàn)左旋和右旋兩種情況。當(dāng)TEmn或TMmn模中的m為零時(shí)，在任意時(shí)刻，場(chǎng)沿圓周任意角度都有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，為空間對(duì)稱模，適用于任意路數(shù)的等幅同相徑向合成，典型空間對(duì)稱模有TE01模和TM01模，電場(chǎng)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(luò)拓?fù)?、工作模式以及合成路?shù)等因素確定徑向合成器結(jié)構(gòu)后，需重點(diǎn)研究各工作模式下，支路端口的幅相關(guān)系，這是合成網(wǎng)絡(luò)的核心問題。

圖2 圓波導(dǎo)各階模式分布圖

圖3 TE11模徑向合成器電場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 圓波導(dǎo)TE01高次模徑向合成器電場(chǎng)圖

圖5 圓波導(dǎo)TM01高次模徑向合成器電場(chǎng)圖

1.2 非匹配合成網(wǎng)絡(luò)的失匹配穩(wěn)定型研究

無耗徑向合成網(wǎng)絡(luò)為非全匹配網(wǎng)絡(luò)，研究支路失配或非理想激勵(lì)情況下的端口駐波問題尤為重要。若不解決合成網(wǎng)絡(luò)的(準(zhǔn))全匹配問題，則需要解決潛在失配條件下每一激勵(lì)支路的穩(wěn)定性。解決該關(guān)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(luò)的散射矩陣出發(fā)，信號(hào)從支路輸入時(shí)，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(lì)時(shí)，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(shù)研究高次模徑向合成網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)(準(zhǔn))全匹配網(wǎng)絡(luò)。在合成器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)間對(duì)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(gè)支路潛在不穩(wěn)定問題。假設(shè)某些支路激勵(lì)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(huì)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(duì)負(fù)載的牽引響應(yīng)；(2) 使用隔離器阻斷負(fù)載牽引效應(yīng)；(3) 支路放大器采用平衡結(jié)構(gòu)，負(fù)載變化不影響單個(gè)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(jìn)一步提高穩(wěn)定性。

1.3 平衡式模式變換技術(shù)研究

合路端口不一定是標(biāo)準(zhǔn)的波導(dǎo)，附加模式變換器能實(shí)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(dǎo)空間內(nèi)的結(jié)構(gòu)漸變或耦合諧振實(shí)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(shí)現(xiàn)難度大、轉(zhuǎn)換效率低等問題，導(dǎo)致合成效率惡化嚴(yán)重。波導(dǎo)E/H頭、分支線電橋或魔T等高性能平衡電橋能實(shí)現(xiàn)不同相位的平衡激勵(lì)，如圖6所示。另外，在激勵(lì)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(jì)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(shí)踐成果

圖7 原理樣機(jī)模型

圖8 14路徑向合成仿真模型圖

按照以上技術(shù)途徑，完成3個(gè)主要部分的研究工作之后，搭建原理樣機(jī)模型，如圖7所示，實(shí)現(xiàn)多路、高效率功率合成，完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到本項(xiàng)目的研究目的，為該頻段功率合成技術(shù)提供一種新的實(shí)現(xiàn)方法。研究并設(shè)計(jì)基于圓波導(dǎo)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(huì)增大，因此先選用帶隔離的波導(dǎo)電橋進(jìn)行一次合成，然后再選用14路徑向合成器進(jìn)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(yàn)，實(shí)際制作出的合成器損耗<0.6 dB，加上前面波導(dǎo)電橋合成的0.25 dB損耗，28路合成損耗共計(jì)0.85 dB。經(jīng)過以上研究二進(jìn)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(diǎn)是合成網(wǎng)絡(luò)的損耗隨著合成路數(shù)的增加不會(huì)有明顯升高，適合于任意路數(shù)的合成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合成路數(shù)多、損耗小、功率容量大、維修性強(qiáng)并且工作頻率可以拓展至500 GHz甚至更高。

[1] 顧其諍,項(xiàng)家楨,袁孝康.微波集成電路設(shè)計(jì)[M]. 北京:人民郵電出版社,1979.

[2] 黃玉蘭.ADS射頻電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與典型應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[3] 甘體國(guó).毫米波工程[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,2006.

[4] 李祖華,王霄,陳辰,等.毫米波固態(tài)器件及模塊技術(shù)進(jìn)展[J].真空電子技術(shù),2003(6):35-38.

[5] 江志浩,蔡德榮,王孜.空間功率合成技術(shù)的合成效率問題研究[J].無線電通信技術(shù),2008(2):25-28.

[6] Grebennikor A.射頻與微波功率放大器的設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[7] 楊明濤,詹銘周,徐銳敏.寬帶新型徑向線功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)[C].合肥:全國(guó)微波毫米波會(huì)議,2015.

[8] 劉永旺.Ku波段四路徑向功率合成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技,2013,26(6):22-24.

[9] 邸英杰,章日榮,李渠塘,等.同軸2徑向波導(dǎo)接頭分析與設(shè)計(jì)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),1999, 14(2):129-135.

[10] 謝小強(qiáng).固態(tài)毫米波波導(dǎo)空間功率合技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2009.

[11] 陳會(huì)林.8mm波導(dǎo)空間固態(tài)高功率合成技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2009.

[12] Zhan Mingzhou,Xie Xiaoqiang,Wang Zhigang. Plarization and angle of incidence insensitive THz metamaterial absorber based on spiral resonator pairs[C].Sendai:Asia Pacific Microwave Conference,2014.

[13] Stenger E,Sarantos M,Niehenke E.A miniature MMIC one-watt W-band solid-state transmitter[J].IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest,1997(2):431-434.

[14] Schellenberg J.The evolution of power combining techniques: From the 60s to today[J]. IEEE MTT-S International Microwave Symposium, 2015(1):1 - 4.

[15] Wang Huei,Samoska L,Gaier T. Power-amplifier modules covering 70～113 GHz using MMICs[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2001,49(1):9-16.