（无线电物理专业论文）ka波段波导内空间功率合成技术研究.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 毫米波固态系统的应用与发展很大程度上取决于系统的功率大 小。在单个器件输出受限的情况下要提高系统的输出功率，功率合 成技术是一种行之有效的方法。特别是在现有合成途径存在诸多局 限的条件下，新的毫米波功率合成方法是毫米波固态功率发射技术 研究的核心。 本文将波导内空间功率合成新技术应用到毫米波功率合成系统 中，分析了毫米波波导内空间功率合成基本原理和结构，提出基于 过模波导结构的k a 波段波导内空间功率合成放大器实旌方案。 本文研制了性能优良的毫米波波导一微带的对极鳍线2 2 过渡 阵列和毫米波过模波导传输系统，对极鳍线过渡阵列在3 5 - 4 0 g h z 插 入损耗小于0 6 d b 。在此基础上，采用四片a g i le n t 公司h m m c - 5 0 4 0 作为基本放大单元，实现了k a 波段固态功率合成放大器。在频率为 3 8 0 3 9 2 g h z 范围内最大饱和输出功率2 8 4 m w ，合成效率达7 1 。 本文的工作为波导内空间功率合成技术在毫米波固态功率发射技术 中的应用打下了良好的基础。 关键词：过模波导，对极鳍线阵列，波导内空间功率合成 皇王型垫丕兰堕主丝苎 a b s t r a c t t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o na n dd e v e i o p m e n to fm i l l i m e t e r - w a v es o l i d - s t a t e s y s t e m a r e g r e a t l y d e t e r m i n e d b y t h e s y s t e mo u t p u tp o w e r t h ea p p r o a c ho f p o w e r c o m b i n g isa ne f f e c t i v es o l u t i o nf o r g r e a t e ro u t p u tp o w e r ，w h e n r e s t r i c t e db yt h eo u t p u to fs i n g l ed e v i c e e s p e c i a l l y ，n e wt e c h n o l o g yo fp o w e r c o m b i n i n gis t h e k e yo fm i l l i m e t e r - w a v es o l i d s t a t ep o w e rt r a n s m i t t i n g w h e n t h eo l dw a y sm e e ts o m ed i f f i c u l t i e s an e wm e t h o do f w a v e g u i d e b a s e ds p t i a lp o w e rc o m b i n i n g isu s e di n m i l l i m e t e r - w a v ei nt h i sp a p e r t h et h e o r ya n ds t r u c t u r eh a sb e e na n a l y z e da n da p r o j e c t o fk ab a n d p o w e rc o m b i n e r b a s e do no v e r m o d e d w a v e g u i d e h a s d e v e l o p e d i nt h i s p a p e r ，f i l i n ea r r a y s o f w a v e g u i d e t o m i c r o s t r i p t r a n s i t i o nh a s d e s i g n e dw i t hl o wi n s e r t l o s sa b o u t0 6 d bi n3 5 g h z 一4 0 g h z b a s e do nt h e o v e r m o d e dw a v e g u i d e ，ak ab a n dp o w e rc o m b i n e ru s i n gf o u rm m i co fh p h m m c - 5 0 4 0h a s d e v e l o p e d i n 3 8 0 g h z 一3 9 2g h z t h em a x i m a lm e a s u r e d s a t u r a t e do u t p u tp o w e ri sa b o u t2 8 4 m w ，a n dt h ec o m b i n ge f f i c i e n c ye s t i m a t e d a c h i e v e st o7 1 t h er e s u l t s s u g g e s t sp r o m i s i n g o u t l o o ki n p e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t k e yw o r d s ： o v e r m o d e dw a v e g u i d e ，f i l i n ea r r a y s ，w a v e g u i d e b a s e d s p a t i a lp o w e rc o m b i n i n g i i 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已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 签名：! ! 塾兰日期：谢年每月- j 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 库进行检索，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：团垫导师签名： 日期：尉年孕月厂日 电子科技大学硕士论文 第一章引言 1 1 课题研究目的及意义 毫米波是波长介于1 1 0 m m 的电磁波谱，对应频率范围 3 0 0 3 0 g h z 。从频率来看，毫米波低端与微波衔接，高端与红外、光 波相连，所以毫米波逐渐发展成为一门集微波、光学两门学科知识 的综合性分支学科。其特点是波束窄、保密和抗干扰能力强、容量 大、容易实现图像、数字兼容，数模兼容。毫米波已广泛应用于通 信、雷达、制导、遥感、频谱学及生物效应等诸多领域。 在毫米波的各种应用系统研究中，作为系统重要元件之一的固 态功率源的研究一直是毫米波理论与技术研究的重要课题。在许多 毫米波设备，如：雷达、制导、射电天文、遥感以及通讯系统中， 毫米波固态功率源均为重要组成部分。然而，由于受毫米波固态器 件自身半导体物理特性的影响以及加工工艺等诸方面的限制，目前 还难以生产出大功率、低噪声和低价格的毫米波固态功率器件。毫 米波固态功率合成技术的研究成为解决这一难题的主要途径。因此， 毫米波固态功率合成技术有着广泛的应用价值。 在提高毫米波系统输出功率的研究中，出现最早和最常用的是 毫米波固态功率合成技术，通过组合若干个相干工作器件或通过叠 加多个分离器件功率的办法就可明显增大可能获得的功率电平。在 毫米波频段，从单个小功率放大器得到的功率有限时，出于经济和 可靠性等方面的考虑，通常采用较小的功率源进行合成而不直接采 用一个大的功率源。而且，每个小功率放大器可以工作于线性区， 从而有利于减小相互间的模式干扰。除了能够产生较高的功率外， 功率合成技术还能在一个或几个源失效的情况下保证系统继续工作 而不会完全失效，只是系统性能下降，即合成技术中的适度恶化现 象。 目前，应用最多的功率合成技术是电路合成和空间功率合成。 对于功率合成在毫米波雷达固态功率发射中的应用，电路合成由于 传输线损耗以及电路结构随器件数量增加成非线性增长，其能够合 成的固态器件数目受到限制，不能满足毫米波雷达的发射功率要求。 电子科技大学硕士论文 空间功率台成最大的优点是合成效率基本与固态器件数量无关，更 适合多器件的大功率输出。 空间功率合成主要有准光功率合成和自由空间功率合成，但自 由空间功率合成具有合成效率低、辐射损耗大、难于与整机系统集 成等缺点，在毫米波雷达实用化进程中的应用受到限制。 波导内空间功率合成技术具有合成效率较高、带宽性能良好、 有效地防止辐射损耗、具有良好的散热性，体积小、易于系统集成 能等优点。k a 波段波导内空间功率合成系统的研制，将为相关毫米 波雷达系统、通信系统的应用和工程化提供关键技术支持。 本课题采用波导内空间功率合成新技术研制k a 频段固态功率合 成放大器，对空间功率合成技术在毫米波领域的应用做了扩展研究， 对毫米波固态大功率发射技术研究及其在毫米波雷达和通信系统中 的应用有着重要意义。 1 2 空间功率合成技术简介 由于微波半导体器件的迅速发展，微波毫米波电路乃至整机的 固态化、集成化有了很大发展。固态化、集成化电路较之电子管电 路，在减小体积重量、降低成本、提高可靠性和设备使用寿命等方 面有明显的优越性。但随着半导体固态器件的工作频率上升到毫米 波频段，半导体固态器件的尺寸及输出功率相应降低，其不易实现 中、大功率的弱点显得越来越突出。微波毫米波功率合成技术，正 是克服这一不足的重要手段。 自2 0 世纪8 0 年代起，由i e e e 主办的国际微波会议增加了“微 波半导体高功率”专题，相应的微波毫米波功率合成的研究取得了 许多成果，功率合成技术已经成为微波毫米波领域一个重要的研究 分支。 微波毫米波固态功率合成技术有多种实现方式，目前应用最多 的功率合成技术是电路分支耦合合成技术和空间功率合成技术，其 基本结构如图1 2 1 所示“”： 2 电二f 科技大学硕士论文 ；： 。卜：! j ij j ! ! ( a ) 电路功率合成基本结构( b ) 空问功率台成基本结构 图1 2 1 电路合成结构与空间功率合成结构拓扑示意图 空间功率合成是2 0 世纪八十年代提出的一种微波毫米波功率合 成方法。尽管这项技术的提出是在八十年代初，但它真正被人们所 重视并加以广泛研究却是在八十年代后期和九十年代。空间功率合 成技术主要分为两大类，即：由w l o t h a r 等人提出的准光功率合成技 术和由k c h a n g 、t i t o h 等人提出的自由空间波功率合成技术。前者 利用了准光腔( 又称开放腔) 的基本特性，将毫米波器件通过不同 的结构形式安置于准光腔内进行功率合成，而后者则利用了天线的 辐射和互耦特性，将各个毫米波器件的辐射功率在自由空间进行功 率合成，该技术的最大特点是适合于多器件大功率的合成。 准光功率合成技术是由w l o t h a r 等人于1 9 8 3 年首先提出的。此 后，美、日、俄、中等国学者相继开展了这方面的研究，提出了许 多新结构和新方法。准光功率合成利用了准光腔谐振频率只与准光 腔腔距有关，而与准光腔腔面尺寸几乎无关这一特性，在满足准光 腔稳定条件下，可将准光腔腔面设计成足够大，以便实现多器件的 功率合成。 自由空间波功率合成是准光功率合成的一种变形，这种直接输 出合成功率的思想晟早来源于j w m i n k 在1 9 8 6 年提出的用半透明材 料制作准光腔反射面这一设想。1 9 8 8 年z b p o p o v i c 等人用平面介质 板构成的准光腔实现了这一设想。1 9 9 1 年m k i i n 、r a y o r k 等首先在 x 波段用1 0 0 只f e t 以及在x n 段用l6 p g u n n 器件实现了以上结构的功 率合成。1 9 8 8 年和1 9 9 0 年k c h a n g 和t i t o h 等人又分别将这一功率合 3 一一一一一一一一 、，一一=、，一一r一一一一一一一-， 目 电子科技大学硕士论文 成技术做了进一步改进，分别在基波和谐波提出了自由空间波功率 合成新方法( 又称有源天线阵列功率合成) ，并分别在x 波段和k u 波 段得以实现。 然而，大多数已经报道过的空间功率合成技术所实现的合成系 统带宽性能并不十分良好，合成效率和合成功率输出也并不很理想。 另外，自由空间功率合成技术由于其结构本身所带来的辐射损耗也 不容忽视。因此，一种新型的空间功率合成技术一一波导内空间功率 合成技术在1 9 9 7 年被提出并在x 波段得以实现。 波导内空间功率合成技术具有系统合成效率较高，带宽性能良 好，有效的防止了辐射损耗，具有良好的散热性能等优点，较好的 弥补了准光功率合成技术和自由空间功率合成技术的不足。如果能 在较高频段实现高功率的输出，波导内空间功率合成技术有希望成 为毫米波空问功率合成技术的一个研究热点。 1 3 波导内空间功率合成技术研究动态 波导内空问功率合成技术是由a a l e x a n i a n 和r a y o r k 于1 9 9 7 年提出“1 ，当时在x 波段采用基于规则矩形波导的2 x 4 的m m i c 功放 阵列，实现了2 4 w 的连续波功率输出，合成效率达6 8 ，并具有良好 的工作带宽和增益，预示了良好的发展前景。 此后，以u c s b ( u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i aa t s a n t ab a r b a r a ) 的r h y o r k 教授为代表的学者陆续进行了波导内空间功率合成技术 的相关研究，相继提出了规则矩形波导、扩展尺寸矩形波导和扩展 同轴线内空间功率合成等形式，并在x 波段和k 波段研制并实现有基 于该类结构形式的空问功率合成系统。其中，1 9 9 e 年采用4 6 的m m i c 功放阵列实现了高达1 2 6 w 的连续波功率输出，工作频段8 一1 1 g h z “1 。 2 0 0 0 年韩国u o s 大学c h a n g y u lc h e o n 等人研制实现2 2 阵列的波 导内空间功率合成系统实现3 3 w 的输出功率，其工作点2 4 g h z 为现有 所报道的波导内空间功率合成技术应用的最高频率”。 2 0 0 3 年m e k k i b e l a i d 等人将e b g ( e l e c t r o m a g n e t i c b a n d g a p ， 电磁禁带) 结构与波导内空间功率合成技术相结合，在k u 波段研制 实现的功率合成器，采用l2 只m m i c 获得了2 3 15 d b m ( 0 2 w ) 的功率 4 电子科技大学硕士论文 输出川。 微波毫米波波导内空间功率合成技术自提出以来，经过几年的 研究，在理论和实践上都具有了一定的基础。由于其相对于准光功率 合成技术和自由空间波功率合成技术所具有良好特性，昭示了其具 有良好的发展和应用前景。然而，目前能够在波导内实现的功率合 成系统都是在相对较低的频段内实现的( x 波段为主) 。在更高频段 内，如何突破波导尺寸的限制是需要解决的关键问题之一。因此， 如何在更高频段实现较高的可用功率合成输出，从而使该技术真正 进入毫米波频段，是目前主要的研究方向。同时，该技术的相关理论 体系还远未完善，很多方面需要进行更深入的研究。 目前国外主要有美国、韩国的学者从事波导内空间功率合成技 术的理论和实验研究，国内尚无该领域相关研究工作和实验成果的 报道。 1 4 本论文的主要工作 针对波导内空间功率台成技术在毫米波雷达固态功率发射中的 应用，本课题研制实现了基于过模波导结构的k a 波段空间功率合成 放大器，论文结构安排如下： 第一章简要概述空间功率技术、波导内空问功率合成技术及 其国内外研究动态。 第二章分析波导内空间功率合成技术基本原理的基础上，针 对毫米波空间功率合成系统的实现提出了本课题所采用的基于过模 波导的功率合成结构方案。 第三章分析波导一微带对极鳍线过渡原理，使用基于有限元 法的高频软件h f s s ( h i g hf r e q u e n c y s t r u c t u r es i m u l a t i o n ) 进行三维 场结构仿真，并使用a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 软件进行辅助设 计，研究k a 波段波导微带的对极鳍线单路和双路过渡。 第四章对k a 波段波导内2 2 的对极鳍线过渡阵列进行谱域法 分析和实验研究。 第五章分析过模波导传输原理，设计k a 波段过模波导一标准 波导斜线渐变过渡，对过模波导内2 2 对极鳍线阵列的传输特性进行 5 电子科技大学硕士论文 实验研究。 第六章研制实现基于过模波导的2 2 阵列k a 波段波导内空问功 率合成放大器，并进行实验研究和分析。 第七章对本文的工作进行简要总结，提出今后波导内空间功 率合成技术在毫米波频段应用中需要解决的问题。 6 电子科技大学硕士论文 第二章k a 波段波导内空间功率合成方案 本章对波导内空间功率合成技术的基本工作原理和结构形式进 行分析，并针对课题所在的8 m m 频段应用需求，提出基于过模波导 的2 2 功率合成电路和结构实施方案。 2 1 波导内空间功率合成基本原理与结构 规则矩形波导内空间功率合成技术基本结构与工作原理如图 2 1 1 所示”1 。在物理结构上，对波导宽边进行多层剖分，将标准 波导切分成相同的多层托盘平面结构，各层组合后形成等效传输波 导。在每层托盘上实现功率放大电路结构。在波导主传输模式工作 条件下，功率合成在等效波导结构内进行。利用波导一微带的多路 过渡结构，将波导传输能量耦台到各层平面微带电路，在平面电路 上使用m m i c 或功放组件分别对各支路功率进行放大，而各平面输 出端的微带一波导过渡将经过平面电路放大的各路能量耦合到波导 空间实现功率合成并最终在波导端口实现能量合成输出。 这种结构形式的特点决定了在矩形波导物理尺寸允许的条件 下，可以将更多的m m i c 功放并行放置。同时，托盘的数量也可以 在垂直方向上增加，托盘的数量最终由标准波导口径及托盘可实现 的最小厚度决定。 ( a ) 波导内空间功率合成基本结构 7 电子科技大学硕士论文 卜鲤趔_ 必 掣耳3p 嫂型l t e t o m o d 陟 _ 莎 胗 _ 胗 t c 石 图3 1 2电场分布 1 2 上 。t 电子科技大学硕士论文 3 1 2 波导一微带对极鳍线过渡阻抗特性分析 我们可以采用下述的近似方法获取过渡段的阻抗特性。将过渡 段分成若干个小单元，每一个小单元都可等效为一小段传输线和一 个二端口网络n ，如图3 1 1 所示。运用微波网络知识可求得各个小 单元的陋。】，再将它们转换成阢】，然后将各个防 级联相乘，就求得 整个渐变段的p ，最终将其转化成阵 ，即可知该渐变段的阻抗特性。 我们知道，对两段特性阻抗不同的t e m 波传输线级联时，有 s 矿也：= 籀耻= 馨( 3 1 - 1 ) 对非t e m 传输线，需考虑传播常数的色散特性，其相位延迟 巾= e x p ( 一，f 卢。协) ，在很小的出内，有f ( f 协= a a z ，这样就可写出 所需要分析的对极鳍线过渡段的吲： 耻鬻e 川f耻筹e 卅 = 警e 卅= 焉( 3 1 - 2 ) 利用下面的公式将每一单元的i s ，】转变成防】，即可求得p 】= 兀阢】 正。= 1 马。正：= 一是：岛。 l 1 = s l i s 2 1疋2 = $ 2 1 s 1 2 - s 1 1 s 2 2 ) s 2 l ( 3 1 3 ) 最后可利用公式( 3 1 4 ) 求得i s ，即可知该过渡的阻抗特性。 s ，。= 疋，r , ，s l ：= 亿。正2 一五：正1 ) 巧， s ：。= 1 互。岛：= 一五：正， ( 3 1 4 ) 图3 ，1 1 中，区域1 ，0 s d b 1 ( d 为上下鳍间距离，b 为波导在 窄边尺寸) ，波导波长和特性阻抗按非重迭式对极鳍线阻抗公式和传 播常数公式计算。 区域2 和3 ，一w 6 墨d b 0 ( w 为, 5 0 0 微带线宽) ，波导波长和特 性阻抗按重迭式对极鳍线阻抗公式和传播常数公式计算。 区域4 等效为一阻抗变换器来计算，传播常数和阻抗z 1 沿用紧 1 3 电子科技大学硕士论文 邻的上一单元结果，特性阻抗z ，采用下一单元起点的特性阻抗。 区域5 等效为一均匀微带传输线来研究 3 2 波导一微带过渡设计与仿真 本节详细介绍本课题中所采用的k a 频段波导一微带对极鳍线过 渡的设计过程，并利用现有的三维场仿真软件h f s s 对所设计的过渡 器进行计算机数值仿真。 3 2 1k a 波段波导微带过渡设计 对极鳍线过渡段采用了余弦平方的过渡形式，其设计公式为 z e ( z ) = t b + w s i n 2 ( 蠢 ，峨( 3 2 - 1 ) 式中w 为5 0 q 微带线的宽度；z 为鳍线传输线的纵向坐标：b 为波导 高度；上为过渡段长度。 过渡段的长度不能过短，因为过短时，端口的反射系数较大； 但也不能过长，若过长时，电路的损耗较大。只能采取折中的办法， 一般上取卜1 5 厶左右( 其中厶为t e lo 模的波导波长) 。图3 2 。1 给出 了单面鳍线中余弦平方线渐变鳍线的典型频率响应曲线。 图3 2 - 1余弦平方线渐变鳍线的典型频率响应曲线 为了抑制波导鳍片夹缝中毫米波能量传输带来的损耗，采用了抗 流槽结构，即在波导鳍线夹缝内的金属鳍上沿纵向制成梳状结构。 这种结构可以截断纵向电流，抑制纵向电流的传输。 另外，在工作频段内，渐变线下面的无金属区可能出现谐振现象。 1 4 电子科技大学硕士论文 因此，过渡段采用使谐振区的半径为零，这样可以克服过渡段的谐 振( 也即相当于取槽线谐振器的槽长l l 一0 ，从而使谐振区不在工作 频段内) 。 对于k a 频段波导一微带对极鳍线过渡：波导为k a 频段标准矩形 波导( 7 1 1 2 m n x 3 5 5 6 m m ) ，主微带线取5 0 q ，采用o 2 5 4 m m 厚的 r t d u r o i d 5 8 8 0 介质基片( p ，= 2 2 2 ) 。取三为1 1 五。表3 2 一l 给出了 各参数的计算结果( 单位均为毫米) 。 卜 bw x o l 7 1 1 23 5 5 6o 7 71 0 81 2 表3 2 一l 过渡结构参数计算结果 3 2 2k a 波段波导微带过渡场仿真 我们采用了三维场仿真软件h p h f s s ，对所设计的k a 频段波 导一微带对极鳍线过渡进行了计算机仿真。h p h f s s 是采用有限元法 解决电磁场问题，并求出s 参数仿真结果。首先简单介绍有关有限 元法的基础知识，然后给出计算机仿真结果。 h p h f s s 仿真软件是一个采用有限元法的电磁场仿真软件。电 磁结构仿真的各种算法中，通用性最强的是有限元法。有限元法一 般是把对象空间划分为许多小区域，而每一个小区域用一个函数表 示。h p h f s s 中是把几何模型自动划分为许多四面体，四面体由四 个正三角形组成，这些四面体组成了有限元网格。四面体中点的矢 量场是在顶点之间插入，以三维亥姆霍兹方程有限元分析为例，设 亥姆霍兹方程为 v 2 矿+ t2 妒= g 对于四面体元，元内函数矽可表示为 妒。= a 4 - b x 4 - c y 4 - d z 表达式同样适用于函数g 。四面体元的四个结点上有 屯，= 口4 - b x ，+ c y , 4 - 出。 i = 1 , 2 ，3 ，4 1 5 ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) 电子科技大学硕七论文 因此有四个联立方程，从中求得系数日，b ，c ，d 。方程组的行列式为 d e t = 1 x l 1 屯 1 x 3 1 x 4 m毛 y 2z 2 y 3z 3 y 4z 4 ( 3 2 5 ) 式( 3 ，2 - 5 ) 中d e t 为行列式的值，v 是四面体体积。求出口，b ，c ，d 。可以 写出 以= f ( x ，y ) 九 ( 3 2 6 ) ，；】 式( 3 2 - 6 ) 中 ，1 ，。万 1xvz 1 x 2y 2 ：2 1 y 3z 3 1 工4y 4z 4 厶，六，工有类似的表达式。 h p h f s s 保存了顶点的三个平行于邻边的分量，还保存了平行于 面而垂直于边的边中点的场，四面体内部的场就是从这些节点中插 入而得。用这种方法，麦克斯维方程转换成矩阵方程，可以用传统 数值方法解决。 在网格大小( 决定了精度) 和现有的计算能力之间必须采取折 衷的办法，方面，方案的精度由每个元素( 四面体) 决定，同一 个对象，网格越多就越精确，因为四面体越小，节点之间插入的场 误差越小；另一方面，计算大量的网格需要占用大量的c p u 时间和 内存，所以，在保证精度下应简化网格。 优化网格时，h p - h f s s 采用了迭代的方法，在关键的区域能自 动细化网格。首先，生成一个粗糙的初始网格方案，然后，根据可 容许的误差标准细化网格，产生一个新的方案，当s 参数收敛到预 定值，迭代过程就结束了。 有限元法是微分方程的一种数值解法，它建立在变分原理及区 1 6 电子科技大学硕士论文 域剖分和插值的基础上，即从变分原理出发，求得与微分方程边值 问题等价的变分问题( 通常是泛函求极值问题) ，然后通过分区插值 把泛函的求极值问题化为一组多元线性代数方程求解。整个流程中 的关键部分是实体造型、自动网格划分、有限元数值解和后处理4 部分，如图32 - 2 所示。 图3 2 - 2h p h f s s 软件仿真流程图 在h p h f s s 软件中，我们对所设计的k a 频段波导一微带对极鳍 线过渡结构实体造型建模如图3 2 - 3 所示： 图3 2 3 波导一微带对极鳍线过渡h f s s 仿真结构 1 7 电子科技大学硕士论文 采用h f s s 软件对该过渡段结构进行s 参数仿真，仿真结果如图 3 2 4 所示。从仿真结果可以看出，通带平坦且插入损耗小，端口驻 波好，且在k a 波段全波段的频率范围内，无通带内的谐振点，与我 们所采用的无谐振补偿结构的预期一致。该过渡段结构可以应用到 我们的课题设计中。 、 z ? ? ， m q p h 4 图3 2 - 4 单路过渡仿真结果 3 3 波导一微带双路过渡设计与仿真 现有的毫米波集成电路通常要求对极鳍线过渡提供单通道的波 导一微带能量转换。随着毫米波集成技术的发展及毫米波频段m m i c 的引入，系统的集成度越来越高。毫米波双路乃至多路波导微带 过渡逐渐成为应用的需要。 针对本课题实现2 x2 功率合成阵列的需要，我们设计了k a 波段 波导一微带双路对极鳍线过渡。 3 3 1 对极鳍线双路过渡结构 本论文设计的k a 波段波导一微带双路对极鳍线过渡段的结构如 图3 3 1 所示： 1 8 电子科技大学硕士论文 ab cd 基片正面基片背面 图3 3 一lk a 波段波导一微带双路对极鳍线过渡 在对极鳍线单路过渡的基础上，该过渡结构提供了两路从8 m m 标准矩形波导到5 0 q 微带线的过渡通道。对该过渡结构进行数值计算 分析和电磁仿真研究，可知过渡段中各处电场变化情况如图3 3 2 所 刁i ： 1f a c b d 图3 3 - 2 双路过渡结构各区域电场转换示意图 过渡仍采用上一节的余弦平方的渐变过渡形式，对于k a 频段波 导微带对极鳍线双路过渡，计算参数时波导口面窄边为k a 频段标 准矩形波导( 7 1 1 2 r a m 3 5 5 6 m m ) 窄边的一半，主微带线仍取5 0 q ， 采用o 2 5 4 m m 厚的r t d u r o i d 5 8 8 0 介质基片( 占，= 2 2 2 ) 。取三为1 1 如。 表3 3 1 给出了各参数的计算结果( 单位均为毫米) 。 1 9 电子科技大学硕士论文 卜 b w k o 三 7 1 1 21 7 7 8o 7 71 0 812 表3 3 1 过渡结构参数计算结果 3 3 2 波导一微带双路过渡场仿真 在h f s s 软件中对波导一微带双路对极鳍线过渡结构建模如图 3 3 3 所示： 图3 3 3 波导微带对极鳍线双路过渡h f s s 仿真结构 其相应的s 参数仿真结果如图3 3 - 4 所示 一 ? 、 图3 3 4 双路过渡仿真结果 电子科技大学硕士论文 可见，该双路过渡结构通带内仍然无谐振，插入损耗和端口驻 波均较好，可以实际应用。 3 3 3 波导一微带双路过渡耦合特性的电路仿真 在波导一微带双路过渡中，两个过渡通道的微带线问距较小， 需要防止产生微带电路问的耦合。为此，我们对过渡结构的微带部 分使用a g i l e n t 公司的a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 软件进行电路仿 真，以分析其耦合的可能性及耦合强弱程度。 对过渡部分平行微带结构建模，电路拓扑如图3 3 5 所示 蠡缡嘉蔺缀。 四甄；黔撵晖 图3 3 - 5 平行微带结构a d s 电路拓扑 对于我们设计的双路过渡尺寸参数，a d s 中s 参数仿真结果如图 3 3 - 6 所示 图3 3 - 6 平行微带结构a d s 仿真结果 2 1 h c h 电子科技大学硕士论文 由a d s 电路仿真的结果可知，该双路过渡中两个通道间的电气 耦合非常微弱( s 2 1 o 0 5 d b ，s 13 4 0 d b ) ，基本可以忽略。a d s 电路 仿真的结论与h f s s 场仿真的结果是吻合的。 3 4 波导微带过渡实验研究 对上文设计的k a 波段波导一微带单路、双路对极鳍线过渡，分 别制作在软基片r t d u r o i d5 8 8 0 上，基片参数为：h = 0 2 5 4 m m ， t a n 占= 0 0 0 2 3 ，e ，= 2 2 2 。波导一微带对极鳍线过渡实物如图3 4 1 所示： 图3 4 1g a 波段波导一微带对极鳍线过渡实物 过渡结构实验测试由标网测试系统完成。标网测试实验主要是测 试过渡结构的插入损耗和回波损耗特性，即s 参数测试。所使用的 主要仪器型号如下： 信号源：a g i l e a t8 3 6 2 3 b 信号源倍频模块：a g i l e n t8 3 5 5 4 a 标量网络分析仪：a g i le n t8 7 5 7 d 标量网络测试系统结构框图如图3 4 2 所示： 电子科技大学硕士论文 图3 4 - 2 标量网络分析仪a g i l e n t 8 7 5 7 d 测试系统框图 采用图3 4 - 2 的标网测量系统对我们设计的波导微带单路和双 路对极鳍线过渡进行s 参数测试。实验测试结果如下 单路过渡测试结果如图3 4 3 所示 图3 4 - 3 波导一微带单路过渡测试结果 双路过渡测试结果如图3 4 - 4 所示 电子科技大学硕士论文 图3 4 - 4 波导一微带双路过渡测试结果 由测试结果可知，背靠背的波导微带单路过渡在k a 波段全波段 内插入损耗在1 。2 2 d b 范围以内。双路过渡在k a 波段高端( 3 5 4 0 g h z ) 插入损耗小于1 d b ，回波损耗小于一15 d b 。两种过渡在k a 波段全波 段被均无谐振现象，与理论分析和h f s s 场仿真结果相吻合。 测试结果表明，对极鳍线过渡结构可以满足实际应用要求。此 外，由于毫米波电路加工工艺的误差以及基片安装的不一致性，故 虽然从理论上讲，由于传输线损耗小，单路过渡的插入损耗应小于 双路过渡，但实际测试结果显示双路过渡的损耗特性要较单路过渡 更优。 2 4 电子科技大学硕士论文 第四章波导一微带2 2 对极鳍线过渡阵列 由于多路合成的需要，良好的多路波导一微带过渡是课题中需 要设计的重要部分。本课题采用2 2 功率合成阵列，因此在第三章 研究的双路过渡基础上，在k a 波段标准矩形波导内进行空间四路过 渡特性的分析和实验研究。 4 、1 波导微带2 x2 对极鳍线阵列谱域法分析 随着微波理论技术以及计算机性能的不断提高和发展，计算电 磁学取得了长足的进展。由于实际解决的电磁环境越来越复杂，针对 不同电磁环境、问题的需要，形成了多种电磁学计算方法，谱域法就 是其中的一种。谱域法最早是在f o u r ie r 分析的基础上发展起来的。 例如，对于一个周期的时间信号，可以把它展开成包含不同频率的 f o u r ie r 级数，不同的频率分量对应于不同的幅度，这就构成了周期 函数的频谱：对非周期信号，f o u r ie r 级数可以推广为f o u r i e r 积分， 相应的谱也就变成了连续谱。 将这种方法应用到空域，对一个空间函数进行f o u r i e r 分析，其 物理概念可以理解为频率相同而振幅和相位不同的平面波叠加出 个给定的空间分布。每个平面波称为平面波谱，一般情况下，它是一 个复谱。这种平面波的叠加，在数学上相当于f o u r ie r 变换。这种方 法的产生，最初是在微带电路求解中，用f o u r ie r 变换来处理一些边 值和初值问题。1 9 5 7 年，w u 首次将f o u r ie r 变换用于微带线分析。 6 0 年代末，y a m a s h i t a 和m i t t r a 用谱域法求解了谱域p o is s o n 方程， 通过p a r s e v a l 定理返回到空域，计算了传输线的特性导纳，美国的 d e n l i n g e r 和德国的s c h m i t t 等也采用这一方法分析了传输线的色散 问题。到7 0 年代初，m i t t r a 和i t o h 把谱域技术和g a e r k i n 法结合 起来，求解了微带线和封闭微带线的色散特性。这一处理方法与其它 方法相比，简化了计算过程的解析处理，减少了计算量，可以改善计 算结果的稳定性和收敛性。 电子科技大学硕士论文 我们可以利用谱域法分析求解鳍线传播常数与鳍线过渡阵列几 何尺寸之间的关系3 1 。对于本课题所采用波导内置2 2 对极鳍线 过渡阵列，可建立其波导口剖面结构电磁模型如图4 卜l 所示，其 中垂直纸面方向为z 向。 图4 1 1 标准矩形波导中2 2 对极鳍线阵列横截面模型 假定波导内壁与对极鳍线边缘为金属层理想接触。对于如图所 定义的坐标轴，各象限内结构完全对称。为减少计算，可以只分析 右上角第一象限中各区域的电场情况 在谱域分析方法中，各区域的电场和电流分布可以沿y 向进行 傅立叶级数展开。将第i 区域的电场记为e i ，则有： e ：= e i e “其中瑾， 豆= 吾降b 一咖( 4 1 - 2 ) 在x = d 处，边界条件可以由如下两个代数方程表出： y 州e y + y y ：e ：= j 吐掣o j y y 纠e y + y z z e ：= j 掣o j ： 2 6 ( 4 1 3 ) ( 4 1 4 ) 电子科技大学硕士论文 此处了j , j 鳍上的未知电流，根据等效传输线的计算 k = j 掣。眩c 。s 2 臼+ s i n2 口) y 。= 一l = 一a t 。s i n o c o s 0 ( y 一_ e ) 匕：j 啦。( _ 。s i n2 矽+ k 。c o s2 目) 其中： 埘。谚 c o s 0 ：竺! 卢2 + d ： l ，：扫i 万瓦 k 等 。 。 8 。 c o , n o 可以得到 ( 4 2 5 ) 对于口面电场e y 和e z ，采用矩形脉冲喜和r 。进行展开并进行傅 立叶变换可导出： n v e ( ) = q 善仁。) 豆如。) = 芝4 玩0 。) 将式( 4 卜6 ) 和( 4 卜7 ) 带入式( 4 1 3 ) 和( 4 卜4 ) 并积 分，可得如下系数矩阵方程 圭k ；- 。+ 羔k 嚣乩：o 。= 1 ，n ， t = l j 。l 兰k 孑 ，+ n 。z 。z p ，：o q ；1 ，n ： i = 1 3 = 1 令式( 4 卜8 ) 和( 4 卜9 ) 的系数矩阵为零，求解其特征方程， 代入a 、b 的数值，可求得相应物理尺寸下的对极鳍线过渡阵列传播 常数。采用上述方法，可以对过渡阵列进行计算机数值计算分析。 电子科技大学硕士论文 4 2 波导一微带2 2 对极鳍线过渡阵列实验研究 在第三章波导一微带双路对极鳍线过渡仿真和实验研究的基础 二，对k a 波段标准矩形波导的波导宽边进行2 层剖分从而实现波导 内置两层过渡结构，具体结构可见第二章图2 2 - 2 。波导一微带对极 鳍线过渡阵列实物如图4 2 1 所示： 图4 2 一l 波段波导一微带2 2 对脊鳍线过渡阵列实物 对设计实现的k a 波段波导一微带2 x2 对极鳍线过渡阵列进行实 验研究，采用第三章的标网测试系统3 4 2 对该过渡阵列结构进行s 参数测试结果如图4 2 2 所示： 图4 2 - 2 波段波导一微带2 x2 对脊鳍线过渡阵列测试结果 电子科技大学硕士论文 由测试结果可知，该背靠背2 2 对极鳍线过渡阵列在k a 波段全 波段内插入损耗小于ld b ，回波损耗大于l5 d b ，且无明显谐振点。在 集成系统要求的3 5 4 0 g h z 频带内，该背靠背结构实测插入损耗小 于0 6 d b ，即单端过渡阵列插入损耗在0 3 d b 以内，较好的完成了波 导一微带一波导的过渡转换，具有良好的过渡传输性能。由于采用 无金属谐振区结构，测试结果表明整卜k a 波段无明显谐振峰，实验 结果与理论分析一致。该过渡阵列结构可以满足课题合成系统应用 的要求。 2 9 电子科技大学硕士论文 第五章过模波导传输及过模波导内对极鳍线过渡阵列 由于毫米波频段标准矩形波导物理尺寸的限制，要实现多芯片 的大功率合成，必须有更大的波导尺寸以提供更大的电路工作空间。 因此，采用波导过模式传输成为毫米波波导内空间功率合成技术扩 展的一个关键方向。本课题结合合成系统电路实现的需要，采用过 模波导传输体制，将k a 波段标准矩形波导扩展到更大尺寸矩形波导， 对过尺寸波导内过模传输原理和工作状态进行了分析，设计出斜线 渐变矩形波段波导一过模波导过渡接头，并对过模波导内对极鳍线 过渡阵列传输特性进行了实验研究和分析。 5 1 过模波导传输原理 在微波频段，为了提高波导的传输功率和降低传输损耗，常常应 用过模传输方案，即所谓的“过尺寸波导”，这是因为波导尺寸的增 大既可以提高功率容量也可以减小波导的衰减。 对于波导内空间功率合成技术在毫米波及其更高频段的应用而 言，波导过模部分物理尺寸的增大，也为更多合成电路和芯片的合 成提供了可实现的物理空间，有利于电路工艺方面的实现。同时， 对于功率合成所面向的中、大功率应用，更大的物理空间对系统的 热散特性也提供了保障。可见，采用过模波导结构进行空间功率合 成，可以突破毫米波波导物理尺寸的限制。然而，由于过模传输在波 导内会产生一些高次模，这将给传输造成一定程度的不良影响。 在本结构的功率合成系统中，等效波导腔采用波导内过模式传 输，过模波导部分采用的物理尺寸要比k a 波段标准矩形波导大3 3 倍。物理尺寸的扩展使得波导内能够容纳更多的电路结构和功放芯 片，同时具有更大的热层空间。 我们首先分析在过模波导内可能存在的模式分布情况。 由微波技术基础理论分析可知，标准矩形波导中t e 。模和t m 。 模的截止波数均可表示为下式： 3 0 电子科技大学硕士论文 k 。悯2 + ( 铷 对应的截止波长可以表示为： 2 z 2 = 一 庀曲 2 ( 5 1 1 ) ( 51 2 ) 对给定尺寸的标准矩形波导，其不同的模式( n ，m 不同) 对应的 截止波长不同。本课题中过模波导部分的物理尺寸为l 2 9 6 6 4 8 m m ，可以计算得出其部分模式截止频率和截止波长。 根据过模波导中部分模式的截止波长，可画出过模波导中部分 模式的分布如图5 1 1 所示： 图5 卜1 过尺寸波导各模式截止波长分布图 本课题中，对我们所采用的过模波导物理尺寸，在功率合成电 路的工作频率下，过模波导内t e lo 和t e 2 0 模式均可以传输。但由于 t e z o 模为非对称模式，根据电磁场的激励与传输原理，这种模式是 由不对称因素激励的。若能消除结构和电气上的不对称因素，这样 的高次模就不能被激励，也就不能传输，即高次模被抑制。 对我们的电路和结构而言，由于对采用的两层基片和电路在空 间上对称加载，t e 2 0 模式得以抑制，故系统仍然工作在主模上。关于 3 1 电子科技大学硕士论文 对称加载结构对波导内高次模式的抑制，参考文献4 1 给出了场分 析实验验证的结果。 5 2 渐变式标准波导一过模波导过渡 过模波导的过模频率选择可以从图5 1 1 的模式分布来考虑。 在过模波导的应用中，需要性能良好的低损耗标准波导过模波导 过渡器( 模式变换器) 。 考虑到高次模的滤除和衰减，一般采用的模式变换结构有两种： 渐变式模式变换器和阶梯式模式变换器2 ”。 渐变式模式变换器如图5 2 1 所示，这种过渡可以通过足够长 的尺寸( 1o 倍工作波长以上) 和结构上对称的渐变，将波导内的高次 模衰