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1、摘要摘要在微波通信和雷达发射系统中，单个固态源所能提供的功率受限于工艺水平而无法输出大功率。目前有效的方法是采用功率合成方案以实现大功率输出。深空测控通信中，上、下行的数据传输是不对称的，上行主要用于遥控，故误码率较低，一般选用S 和X 频段，这是为了确保遥控信号的高可靠性和低衰减性。因此，有必要对该频段功率合成技术进行研究，为发射机提供良好的功率合成器件。本论文对多种功率合成方法进行调研，综述国内外常见的功率合成技术，从芯片级功率合成、电路级功率合成到空间功率合成，阐明大功率合成技术的研究意义和发展趋势。以固态电路为主要研究对象，对功率合成器件及合成系统进行了探索性的研究，提出了具有一定创新
2、性的新思路。文章的内容主要包括：1 、讨论了影响功率合成效率的因素，包括：合成网络插损，合成信号的幅度、相位差异对合成效率的影响，并给出了定量分析结果；2 、采用奇偶模方法设计出一种8 路微带合成器，通过A D S 微波设计软件仿真表明：频带内传输系数达到9 d B ，反射系数达到2 0 d B ，隔离度达到2 5 d B ；通过仿真优化给出具体设计参数，在此基础上加工出实物。实测表明：频带内驻波比V S w R 2 0 d B ；3 T h ec o m b i n i n gt e c h n i q u eo fm u l t i - p r o b e sh a sb e e ni n
3、 v e s t i g a t e d , a nd u a lc o a x i a lw a v e g u i d ec o m b i n e rh a sb e e np r o p o s e d T h r o u g hs i m u l a t i o no fH F S S ，r e s u l ti n d i c a t e s ：V S W R 5 时，顶盖对微带特性阻抗的影响就可以不予考虑。2 2 微带合成理论2 2 1W i l k i n s o n 功分合成器理论W i l k i n s o n 功率分配合成器是这样一种网络：当输出端口匹配时，它仍具有无耗
4、的有用特性，它只是耗散了反射功率。如图2 - 2 所示，在典型的W i l k i n s o n 合成结构t 7 1 t 9 ，只要满足以下条件，就n - - I 以实现输入输出之间的良好匹配。条件要求微带线的两臂特性阻抗z = - Z 0 ，其中，Z 0 是传输线的特性阻抗；臂长度1 2 鲁，其中，力是工作波长，两臂隔离电阻R = 2 Z o 。2 2 2 奇偶模理论图2 - 2W i l k i n s o n 功分器示意图23图2 2 的W i l k i n s o n 电路可以化为两个比较简单的电路来分析，这就是偶一奇模分析理论【删偶模分析：对于偶模激励，圪= 圪，隔离电阻R 没有
5、电流通过，因此端口1 的两个传输线输入之间短路。则偶模等效电路如图2 3 ( a ) 所示：电子科技大学硕士学位论文从端口向里看阻抗为：乙=了a2(2-16)因此传输线可以看作一个四分之一波长阻抗变换器。这样，若：Z = x 2 Z o ，则对于偶模激励端口2 是匹配的，因为z , n = Z o 。( a )偶模激励( b )奇模激励图9 - 3 奇偶模等效电路图奇模分析：对于奇模激励，圪= 一匕，则图2 2 电路的中线电压为零，所以能把中心平面1 6第二章微带合成理论上的两个点接地，则其等效电路如图2 - 3 ( b ) 所示。从端口向里看，阻抗为R 2 ，这是因为并联传输线长度是 ，而且
6、在端口l 处短路，因此在端口2 看是开路。这样，若选择R = 2Z 0 ，则对于奇模激励端口2 是匹配的。对于这种激励模式，全部功率都传送到隔离电阻R 上，而没有功率进入端口1 。上面已经对微带线各部分的阻抗关系进行讨论。通常情况下输入输出采用微带线标准阻抗Z o = 5 0 9 ，这时W i l k i n s o n 两臂特性阻抗Z = 2 Z o = 7 1Q ，由微带线特性阻抗公式： 20z1 ，墓I F “ 1忉 1，一7乞+ 2 4 2 0 4 4 + 一) ”其中，乞= 半+ 竽( 1 + 警) 1 ，w 是微带线宽，h 是基片厚度。就可以得到微带线的初试尺寸，之后就可以在A D
7、 S 软中件建模仿真。在此，可以通过原理图仿真结合版图仿真的模式进行，即先在原理图中建模，在得到较好的设计参数之后，再将原理图导入版图，进行版图仿真，根据版图仿真的结果对原理图的模型不断进行修正，直至得到满意的结果。2 3 矩量法原理为了更加清楚的理解和认识版图仿真原理和过程，及A D S 版图仿真本身采用的是二维的矩量法。下面对矩量法的原理作一基本介绍。在很多工程问题和物理问题中，都要涉及到求解积分或者是微分方程。一般情况下，很难得到严格的解析解，只能得到近似解。通常的做法是在处理过程中简化若干步骤，以得到近似解，这样可以减少数值计算的工作量。但是，随着电子计算机的出现，大量的运算可以迅速完
8、成，从而使得在不必要求精确的解析解的情况下，可以采用数值计算结果来解决问题，这样做的好处是避免了大量的复杂繁琐推导。所以，可以采用矩量法将微分方程或者积分方程化为线性代数方程来处理，同时，在特殊情况下也能够得到解析解。1 7电子科技大学硕士学位论文2 3 1 基本解法1 段设一个线性非齐次方程表不为：三( 厂) = g( 2 1 8 )式中L 为线性算子，它代表作用于未知函数f 的微分或积分算法，g 为已知函数。在物理问题中，f 表示对源的响应，g 表示激励源，不同的L 代表不同的物理系统，响应f 也就不同。矩量法的第一步是用一个线性无关的已知函数序列来对f 进行展开，即令：厂= 五( 2 1
9、 9 )其中，为未知系数，Z 称为基函数，每个基函数Z 都应满足算子的定义域，即：L ( L ) 有意义。例如，若f 有边界条件，则Z 应满足同样的边界条件，若L 为微分算子，Z 也应是可微的。精确解f 通常可以被展开为无穷级数和，而 五形成一个基函数的完备集；对于近似解，式( 2 - 1 9 ) 通常是有限项之和，随着n的增大，级数和Z 能够更好地逼近f 。由于L 为线性算子，把式( 2 - 1 9 ) 代入式( 2 - 1 8 ) 即得：嚷三( Z ) = g( 2 2 0 )肘矩量法的下一步是，取另一组线性无关的函数系列皑，哆，它们称为权函数或检验函数，在三( 力可能出现的函数范围内(
10、称为值域) ，用它们分别对式( 2 - 2 0 ) 的两端取内积，即相乘后在规定的范围内积分，写作：( ，( 五) ) = ( ，g ) ，m = 1 ，2 ，3 ，4 ( 2 2 1 )这样的线性代数方程组就已经构成了，写成矩阵形式即为：【水】= 【g 】( 2 2 2 )其中：M =( 铂，上( 石) ) ( 嵋，三( 五) ) ( c o l ，三( Z ) ) ( 吃，) ) ( 吼，( 五) ) ( 哆，三( Z ) )( 哝，上( 石) ) ( 织，) ) ( c o ，三( Z ) )1 8第二章微带合成理论 口】=a如 g 】=( q ，g )( c 0 2 ，g )( c o
11、 ，g )司以求得： a - - q 叫【g 】( 2 2 3 )如果 魄 为有限函数系列时，由于每个元素在【】中都是已知的，系数矩阵【口】可以通过矩阵求逆即求得，从而求得f ；如果 ) 为无限函数系列时，则一般情况下只有当【】是对角矩阵时才能求解。在工程问题中，通常可以根据精度要求来取n 的有限值。2 4 2 基函数和权函数的选择在矩量法中，可以通过以下几种方式来选择基函数基函数。( 1 ) 全域基函数通常情况下，将函数厶的自变量定义域与f 相同的基函数称为全域基函数。一般来说，若在自变量的定义域上，如果未知函数能够分解为每一个都能满足规定的边界条件的一组线性无关的解析函数，就可以选为全域基
12、函数。显然它的限制是比较严格的，相对微带线来说，它的限制犹如腔模理论。( 2 ) 分域基函数如果把f 的自变量定义域分成若干子区域，在不同的子区域上定义一个基函数五，这就是分域基函数。由于展开式( 2 1 9 ) 中的每个只在各个定义域的分域上影响级数对f 的近似，因此这种方法通常可以简化矩阵f 三1 的计算。图2 - 4 给出了几种常用的一维分域基函数的例子。Z ( D。口。矗1X nX n + l( 口)L ( x )Z ( 工)图2 4 几种分域基函数1 9秭一1X n矗+ 1( c )+矗q矗电子科技大学硕士学位论文卜x o l ( 五) 马。当电磁波工作波长旯不满足这一条时，同轴线中
13、就会出现高次模，而且随着频率的提高( 波长缩短) ，可能出现的高次模也就增加。为了更有效的抑制高次模式，在实际设计同轴线的尺寸时，还往往引入一个安全系数：旯 1 1 ( 五) 啊。3 4 5 6 ( a + b )( 2 )同轴线最大传输功率条件和最小损耗条件在满足同轴线单模传输前提下，为了保证同轴线能传输的T E M 模功率最大，内、外导体的半径比应满足：第三章波导合成理论皇；石e 1 6 5一= 1 O )口在此比例下，空气同轴线的特性阻抗为3 0 Q ，也就是说同轴线特性阻抗为3 0 Q时的功率容量最大。另外，同轴线中T E M 波衰减最小的条件是：鱼3 6一j o其相应的空气同轴线特性
14、阻抗为7 7Q ，即特性阻抗为7 7 Q 的同轴线衰减最小。3 3 波导合成理论在高功率需求领域，一般都是采用波导合成形式。这是因为，大功率必然引起芯片的散热问题。而采用波导结构就较好的解决了这一问题。波导合成方式，采用最多的结构就是鳍线结构和探针结构。鳍线结构近似于微带，也面临着散热问题，相对于鳍线结构，探针结构就更有优势。下面就以矩形波导内，同轴探针为例进行说明【4 2 】。图3 - 2 二阶功分，厶成结构( a ) 功分器右视等效电路图2 7电子科技大学硕士学位论文C o ) 输入部分简化图图3 - 3 功分器等效电路图图3 2 所示为双阶功分合成结构，它由波导中间的输入输出探针及其位于
15、输入、输出探针两侧的N 对同轴探针组成。图3 3 ( a ) 是双阶功分器等效电路图，为了讨论简化，可以假设在波导中只有主模传输。由于该功分器结构是关于中心探针对称的，所以只需要分析右边的部分。Y r = g p + 弘P 是两边探针对的导纳，咒= + 胞是中心探针的导纳。其中，y ，和儿均以波导的特性导纳Y o 做规范化处理。吮( 1 k N ) 是相邻探针对的电长度。输入部分可以看作一个具有儿= g L + j b L 内导纳的电流源。从第N 个探针对向左看可以表示为图3 - 3 ( b ) 。假设输入电流可以表示为：= 厶e x p j ( o ) o t + 缈) ( 3 1 7 )第
16、k 节电压司以表不为：唯= Ke x p j ( a ，o t + q o k ) ) ( 1 k 奶则等效电路方程可以表示为：( g ，+ 歹玩) 圪+ n I + 1 圪+ l P 7 = 0包，l 圪一l e 叫仇H + ( 昂+ 6 七) 圪+ _ ，包。k + 1 P 7 张+ 1 。= 0乃，t 圪一l e 一腴1 + ( g p + g L + j b k ) V k = Y o - 1 。e 7 妒一仇其中：( 3 - 1 8 )c 2 越kN - i ) 卜1 9( 2 ( 3 一)( 七= 奶I瓯= 一c o c t 。k t 纯+ b + p - c + o t 吮# k “。 - 9 5 0 d B5 反射系数：S 1 1 3 W ，置R = 1 0 0 Q
