毫米波固态功率放大器研究与设计

摘要

近些年来，毫米波技术发展日新月异，而固态功率放大器作为毫米波系统的核心，对其功率水平、带宽也提出了更高的要求。通常，毫米波系统要求的输出功率在数十瓦到数百瓦。但由于受限于现有工艺技术，单个固态器件在毫米波频段通常还不具备产生这样功率水平的能力。因此，需要将数个甚至数百个固态器件的输出功率进行合成以达到所需的功率水平。这极大地推动了功率合成技术的发展。基于波导的功率合成技术具有损耗低、频带宽、散热性能好等优点，被广泛应用于大功率毫米波系统。 本文主要针对 N-路轴对称功率合成电路和多级功率合成电路进行研究，提出了几种结构新颖的波导功率合成电路结构，并从电路理论、简化模型、电磁仿真、实验测试等角度对提出的电路结构进行了细致的分析与验证。此外，结合实际项目需求，采用提出的功率合成电路设计一款W波段宽带固态功率合成放大器。本文的主要工作如下： （1）提出了两种宽带同轴-径向波导渐变过渡结构，利用了等效电路对同轴-径向波导过渡结构设计原理进行了详细分析，并给出了相关设计步骤。上述过渡结构拥有光滑的外形轮廓，具有功率容量高的优点。此外，这种过渡结构可以方便地控制、优化它的阻抗特性。仿真结果证实了上述过渡结构可以实现同轴波导到径向波导之间的宽带匹配。 （2）基于同轴-径向波导渐变过渡，提出了一种脊探针耦合径向波导功率分配/合成器。它采用脊探针耦合阵列，实现了低损耗脊探针-波导过渡结构和高效功率合成。探针耦合有利于实现宽带匹配。该功率分配/合成器为全波导结构，欧姆损耗低、功率容量高、便于加工，在毫米波大功率系统中具有巨大应用潜力。 （3）结合阻抗可控型同轴-径向波导渐变过渡结构，提出了一种径向波导功率分配/合成器。该结构为N路功率合成电路，功率合成通过一级完成，可以获得很高的合成效率。其设计的重点在于利用径向阶梯匹配网络实现宽带阻抗匹配。最后，加工测试了 Q 波段二十路功率分配/合成器，实验结果均表明该功率分配/合成器12dB反射系数带宽约为15GHz（33GHz到48GHz），插入损耗小于0.87dB，输出端口幅度不一致性全频带内小于±0.5dB，相位不一致性小于±4o。 （4）提出了一种W波段基于过模E面T型功分的功率合成网络。该结构采用过模波导结构，突破了传统E面T型功率分配器在毫米波高端结构尺寸小，难以加工的问题。不同口径的波导之间利用渐变阻抗变换段匹配连接，减小寄生模式耦合。仿真和实验结果表明该新型功率分配/合成网络在宽带范围内具有损耗低、合成效率高的优点。

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