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电子科技大学硕士学位论文8毫米频段固态功率合成技术研究姓名：陈俊陶申请学位级别：硕士专业：无线电物理指导教师：徐军20090401

摘要摘要毫米波系统工作波长短、设备体积小、重量轻、机动性能好，并能提供较高的精度和良好的分辨率，它以其良好的特性在军事和民用上扮演着越来越重要的角色。毫米波系统应用与发展很大程度上取决于其输出功率，但单个固态器件输出功率总是有一定限度的，为了得到更大的输出功率就需要采用功率合成技术。本文对8毫米波段功率合成技术进行了系统研究，主要工作如下：(1)在研究和对比了多种功率合成技术的特点后，选择波导定向耦合器．微带双探针功率分配／合成结构作为毫米波功率合成放大器的实现方案；分析了此结构相关工作原理，利用CSTMicrowaveStudio软件对该无源网络进行建模和优化；应用此结构研制了Ka波段功率合成放大器，在29．0GHz～30．5GHz工作频带内，获得了最大7．21W(38．58dBm)的饱和输出功率，最大合成效率达到72．1％。(2)设计了Ka频段波导．微带对脊鳍线过渡，并将其运用于功率驱动放大器中。在29．0GHz-30．5GHz工作频带内，功率驱动放大器饱和输出功率大于31．92dBm，最大饱和输出功率为33．95dBm。关键词：毫米波，功率合成，固态功率放大器，波导定向耦合器，双探针

ABSTRACTABSTRACTMillimeter-wavesystemhasshortwavelength，smallequipmentvolume，lightweightandgoodflexibility．Itcanprovidegreaterresolutionandprecision．Becauseoftheseadvantages，millimeter-wavesystemshaveplayedmuchmoreimportantrolesinmilitaryandcivildomain．Thesuccessfulapplicationanddevelopmentofmillimeter-wavesolid—statesystemaregreatlydeterminedbythesystemoutputpower．Butthelimitedoutputpowerofasinglesolid-statepowerdeviceisthebottleneckofmillimeter-wavesystems，whichcallbeconqueredbyaneffectivemethod：thepowercombinationtechnique．Inthispaper,8mmwavebandpowercombinationtechniqueisresearcheddeeply．Thedetailedworkincludes：(1)Thecharacteristicsofvarioussolid-statepower-combiningtechniquesarecomparedandanalyzedindetail．WeusethemethodsofwaveguidedirectionalcoupleranddoubleprobetransitioninEplaneasalowlosspowerdistribution／combinationnetworkinthemillimeter-wavepower-combiningamplifier．Theproposedcombiningstructureisoptimizedbyusing3一DfieldssimulationtoolsCSTMicrowaveStudio．In29．0GHz～30．5GHz,thepower-combiningamplifierprovidesamaximumof7．21W(38．58dBm)outputpowerwhenitisdrivenintosaturation．Themaximumcombining—efficiencyis72．1％．(2)Awaveguide·to·microstripantipodalfinlinetransitionisdesignedandusedinthepower-driveratKa—band．In29．0GHz~30．5GH乙thedriveramplifierprovidesaminimumof31．92dBmandamaximumof33．95dBmoutputpowerwhenitisdrivenintosattlration。Keywords：millimeter-wave，powercombining，solid-statepoweramplifier,waveguidedirectionalcoupler,doubleprobeII

独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：路：f釜圆日期：删7年碑月24日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库迸行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：型：五宣询导师签名日期：二

第一章引言第一章引言波长介于lmm～10mm的一段电磁波谱称为毫米波谱，其对应的频率范围为30GHz~300GHz。毫米波频段是目前军事电子技术发展的主要频段，广泛应用于导弹精确制导、雷达、保密通信、电子对抗和测试技术等方面。毫米波通信实验研究始于20世纪50年代末，并一直延续到80年代初。80年代中期以后，毫米波有源、无源器件日臻成熟和完善，特别是高电子迁移率晶体管系列(HEMT、PHEMT)和异质结双极晶体管(HBT)、微波及毫米波集成电路的出现，为毫米波通信设备的更新换代创造了良好的基础。相对于微波系统而言，毫米波系统工作波长短、设备体积小、重量轻、频带宽、容量大，并能提供较高的精度和良好的分辨率，且不易受其它电子设备的干扰；与红外和光波系统相比，毫米波系统能够提供更好的穿透云、雾和灰尘的能力，适合于全天候工作【l翻。毫米波功率放大器作为毫米波系统中的关键部件之一，其物理尺寸以及输出功率的大小将影响整个系统的工作性能。对雷达与通信系统而言，系统功率的提高就意味着具有更大的作用半径、更强的抗干扰能力、更好的通信质量等优点。因此，毫米波系统的输出功率大小就成为当前制约整个系统性能的关键因素。1．1本课题的研究意义在过去几十年里，为了提供固态发射机／放大器所需要的高功率电平，普遍采用行波管放大器【3】。随着毫米波固态器件的发展，其较低的直流功耗、较高的可靠性、较为紧凑的电路结构、小尺寸及轻重量等优点而备受人们的青睐，其应用也日益广泛。因而近年来，人们也将研究方向转向了更有竞争力的固态功率放大器。但相对于电子管器件，单个固态器件因受散热、阻抗匹配、工艺的限制输出功率非常有限，使之远远不能满足实际工程应用的要求。采用功率合成的方法，即通过组合若干个相干工作单元，或叠加相同单元电路的输出功率，就成为提高毫米波系统功率电平的一种可行技术方案，这对于提高我国毫米波系统的装备性能是十分必要的14。5j。1．2功率合成技术简介

电子科技大学硕士学位论文自上世纪六十年代以来，毫米波功率合成技术就引起了国际上的广泛关注，功率合成放大器具有普通放大器的特点，输入信号经一个端口输入，放大以后输出。所不同的是功率合成放大器工作时，输入信号经过功率分配网络分为N路信号，每路信号分别经放大单元放大以后输入到功率合成网络，最后通过输出端口输出，如图l一1。矩形波导谐振腔合成功l功2率率I分IAI璐配f成N’器嚣图1．1功率合成放大器原理图厂甭葫五习圆f貅成JN路合成jlCORPORATE合成方威尔金森合成分Il链支ll路线fI合合Il成成Il驷雕谐波合成图1-2功率合成技术分类为了实现高效率的功率合成，我们必须了解功率合成的各种方式，并且了解各种功率合成的优缺点，以便从各种功率合成技术中选择合适的合成方式实现我们高效合成的目的。主要有四类合成方法：利用半导体芯片串联或并联的芯片级合成；利用谐振和非谐振电路的电路合成；利用准光腔或波导的空间合成；以及应用以上合成技术的混合合成。图1．2列出了各种功率合成技术，并表示出了各种功率合成技术的关系。1．2．1芯片级合成2

第一章引言芯片级功率合成是把两个或多个有源器件的管芯聚集在长度比波长小的散热基底上，以串联以及串并联的方式链合起来，然后加上输入、输出匹配电路，就可以获得较大的输出功率【6】。芯片级合成有如下限制：由于芯片级合成的特殊性，在同一个芯片上将多个管芯直接并联或串联，若合成数量增多，势必引起阻抗匹配困难，而且芯片绝大部分面积用于无源匹配和合成传输线的制作，传输损耗相对比较高，合成效率受影响：随着频率升高，各芯片之间的距离相对于波长而言，已不再可以忽略了，合成芯片数目增大，信号到达每个芯片时，将不再认为具有相同的电磁环境，也会降低合成效率；对功率器件而言，散热一直是首要考虑的问题。由于各芯片间距离很小，工作时相互的热作用是不可避免的，每个芯片实际散热面积很小，若合成芯片数目过多，加大了器件散热难度，在毫米波频段中，尤其如此。总之，无论工艺水平如何发展，仅靠芯片合成提高功率输出能力是十分有限的。金1．2．2电路合成容孽图1．3串联式芯片合成器和二极管阵芯片合成器电路合成是进一步提高系统功率输出的有效手段。根据采用电路形式不同，可以分为谐振式功率合成与非谐振式功率合成。(一)谐振式功率合成谐振式功率合成是将多个单独的固态器件的输出功率通过耦合的方式耦合到合成腔体内以提高整个电路的功率输出。这种合成方式在二极管器件上的应用，特别是振荡合成，已经十分成熟了，主要是用于毫米波高端【．71。其优点主要是：由于器件功率直接耦合到谐振腔内合成并输出，基本上没有路径损耗，合成效率高。主要缺点是，合成电路Q值高，工作频带窄(小于百分之几)，而且，可用于合成3

电子科技大学硕士学位论文的器件数目受腔体模式问题限制。后者是因为，合成器数目增加势必引起腔体尺寸的增加，谐振腔模式数目也增多，从而所需模式的合成效率降低，效率受影响。按谐振腔体不同，主要有两种方式：直角波导腔体谐振合成和柱形腔体谐振合成。直角波导腔体谐振合成在毫米波频段的应用十分成功。首先，直角波导腔体输出口与标准波导容易转化(只需要阻抗匹配)，而柱形腔体输入／输出是在腔体中央插入同轴探针实现，除了在毫米波难于制作外，这种结构还进一步限制了工作带宽与合成效率。其次，在腔体模式受限问题上，柱形腔体更加严重。柱形腔体是靠增加腔体直径来增加合成器件数量的，腔体直径增加，工作模式也迅速增加，合成效率迅速降低；为了增加更多的合成器件，直角波导腔体则可以仅增大腔体长度，而保持腔体的高度与宽度不变，这样，工作模式数目相对来说增加得更为缓慢。=韫臂儡tT哺哪筏体：氍臂图14矩形波导谐振腔合成器和圆柱形谐振腔合成器剖面图(二)非谐振式电路合成此种合成方式是将多个功率单元通过功率分配／合成网络连接起来，获得更大的功率输出。其特点是：工作带宽主要由功率分配／合成网络决定，一般来说，都大于谐振式合成；功率分配／合成网络为各合成单元提供了一定的隔离，从而基本消除了由单元间的相互作用引起的不稳定；合成效率主要由各合成单元输出信号之间的相位、幅度平衡性，以及合成电路本身的损耗决定。按不同的电路合成方式，有三种类型：(1)3dB电桥合成功率分配／合成电路采用3．dB电桥。实用的3．dB电桥有：两路Wilkinson电桥、4

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