基于波导的空间功率合成技术研究进展*

姚 波 安士全

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088)



基于波导的空间功率合成技术研究进展*

姚 波 安士全

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088)

基于波导的空间功率合成技术是解决微波高频段固态大功率合成的一种有效技术。由于它具有频率高、功率大、合成效率高、可靠性高、具有适度恶化性等优点,因此成为微波高频段大功率合成系统的首选。论文介绍了基于波导的空间功率合成技术的需求,分析了基于波导的空间功率合成技术的几种方式,阐述了该技术的发展现状,并对基于波导的空间功率合成技术的发展提出了建议。

波导; 空间功率合成; 微波; 功率

Class Number TP391

1 引言

当前,雷达、高能微波辐射武器、微波通信等电子设备逐渐向高频率、大功率、微型化方向发展。微波固态功率系统作为这些电子设备的主要部分,其发展状态已经成为电子设备发展的一个瓶颈。一般情况下,单个器件的功率不能满足系统要求,因此需要将多个功率器件进行功率合成。但随着工作频率的提高,功率合成变的越来越难以实现,特别是在高频微波领域,目前占主导地位的平面功率合成技术已经不能满足需要,空间功率合成技术已成为发展迅速的方向[1]。

针对以上问题,本文将就目前发展比较成熟的矩形波导、开槽波导、同轴波导等三种基于波导的空间功率合成技术目前在国内外的发展现状及应用前景进行分析阐述。

2 现代雷达对微波功率系统的新要求

微波功率系统(发射机或有源相控阵雷达中的T/R组件)是雷达系统的重要组成部分,其性能指标对雷达系统的威力有决定性影响。随着现代军事理论和军事装备的不断更新,现代雷达对于微波功率系统提出了以下新的需求。

2.1 更高的输出功率

根据雷达的工作原理,雷达所能探测到的最远距离决定于雷达的功率孔径积(发射机平均功率和天线孔径面积的乘积)。因此,雷达要想探测更远距离的目标,提供足够的预警时间就必须提高其功率孔径积。为此可以通过扩大天线尺寸的方式来实现,即扩大天线的孔径的物理面积或增加功率组件的数量,但这种方式极大地增加了雷达制造与使用成本,有些天线的尺寸已经到了极限,当前正在发展的各种分布式武器平台的雷达其孔径是严格受限制的,如机载雷达、星载雷达和弹载雷达等,这种情况下只能通过提高雷达发射信号的输出功率的方法才能实现预期目标。

2.2 提高工作频率及带宽

提高雷达的工作频率,可以提高雷达的分辨率,提高其工作带宽和瞬时信号带宽,对实现低截获概率(LPI)雷达,提高雷达发射信号的反侦察能力和抗干扰能力,实现雷达高分辨率测量与目标成像识别具有重要意义。另外,现代雷达将向多功能一体化、集成化方向发展,雷达不仅需要具有预警探测功能,还应具有电子对抗、通信、导航等功能,因此要求雷达微波功率系统拓展工作频带宽度,具有多频段工作能力。

2.3 进一步缩小体积、减轻重量

雷达发射机的重量一直在雷达系统中占据很大的比重。因此,雷动发射机的体积缩小、重量减轻带来的直接影响就是雷达的机动性增强,生存能力提高。对机载、星载、弹载等平台下的雷达来说,雷达发射机的体积、重量对雷达系统的意义更是至关重要,甚至关系整个系统的性能指标。

2.4 进一步提高总效率

雷达功耗的大部分是在雷达微波功率系统上,发射机效率越低,耗散功率越高,用于对发射机进行冷却设备的要求相应就越高。因此,发射机的效率直接影响着雷达设备的成本。另外,在载荷提供能量受限的情况下,如星载、机载平台,提高效率有助于提高发射输出功率,从而增强雷达探测能力和机动性、可靠性。

2.5 提高环境适应能力

随着科技的发展,越来越复杂的战场电子环境和机载、星载、弹载等各种雷达平台的出现,都对雷达的环境适应能力提出了越来越高的要求。

3 基于波导的空间功率合成技术的特点

空间功率合成技术是利用多个天线单元发射频率相同、相位符合特定关系的电磁波,使之在空间传播过程中相互叠加合成,从而在一定方向上形成电磁波束的技术[1]。相比于平面微带电路合成方式,基于波导的空间功率合成技术的特点可以归纳为以下几个方面:

1) 更适合高工作频率。基于波导的空间功率合成技术相比平面电路合成技术,其优点在高频段更明显,在低频段由于平面电路的插损比较小、更容易实现,更具优势。

2) 合成功率大。在进行多个功率器件合成时,由于基于波导的空间功率合成技术的合成效率不随器件的增加而降低,其优势更能体现出来。

3) 合成效率高。随着频率提高,平面电路合成方式由于微带线的插损较大,合成效率迅速下降,而基于波导的空间功率合成技术没有使用传输线,合成效率跟频率关系不大,合成效率优势明显。

4) 适度恶化性能。在基于波导的空间功率合成系统中,各个合成单元是并行工作的,若因某种原因其中一个单元出现故障,系统的工作性能不会受到很大影响,从而具有良好的适度恶化性能。

4 基于波导的空间功率合成技术的发展现状

4.1 开槽波导空间功率合成技术

开槽波导功分器按能量在波导中的传播方式不同可分为行波式和驻波式两种。行波工作方式下,可在波导终端填充微波吸收材料,避免在波导内形成驻波,耦合槽的位置没有特别要求;在驻波工作方式下,波导终端短路,能量在波导中呈驻波分布,耦合槽应开在电场的波腹位置。其原型最先是在1971年由Kurodawa和Magalhaes提出,过去几十年的研究显示谐振腔式功率合成技术能够应用在高达220GHz的频段,但频带较窄;其最大的优点是因为采用了输出端器件直接合成从而合成效率较高,另外结构简单、紧凑,能够有效散热。

图1 X波段开槽波导空间功率合成器

美国学者Amir Mortazawi带领的团队在2000和2003年分别研制成功了频率在X波段14W和Ka波段2W谐振型开槽波导固态功率合成器,合成效率分别为88%和72%,如图1所示。之后又于2004年利用行波型开槽波导空间功率合成技术,实现了Ka波段2W的功率合成,合成效率80%。如图2所示。

开槽波导空间功率合成技术合成效率较高,但也有其局限性:带宽较窄,谐振式开槽波导空间功率合成器相对带宽一般不超过5%;仿真设计随合成器路数的增多,工作量也相应增加;加工工艺比较复杂,加工精度和微组装要求较高,尤其对行波式合成器需要加入金属销钉的情况。

图2 Ka波段行波式开槽波导功率合成器

4.2 矩形波导空间功率合成技术

矩形波导空间功率合成技术最早在1997年由A.Alexanian和R.A.York提出,在X波段采用基于规则矩形波导的2×4的MMIC功放阵列,实现2.4W的连续波合成输出功率,合成效率68%,如图3所示。此后,以UCSB(University of California at Santa Barbara)的R.A.York教授为代表的研究团队又进行了波导内空间功率合成技术的相关研究,并进行了改进,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,1999年在X波段和K波段采用4×6的MMIC功放阵列实现了高达120W的连续波功率输出,工作频段8GHz～11GHz[2～3]。2003年Mekki Belaid等将EBG(电磁禁带)结构与波导内空间功率合成技术相结合,在Ku波段研制实现的功率合成器,采用12只MMIC获得了23.15dBm(0.2W)的功率输出[4]。

图3 X波段2×4阵列空间功率合成系统

矩形波导空间功率合成技术具有系统合成效率较高,带宽较宽,结构简单,设计灵活,易于小型化等优点,较好地弥补了传统电路功率合成技术和自由空间功率合成技术的不足。作为最早提出和实现的波导空间功率合成方式,有力地推动了大功率、宽带微波毫米波功放的研制,和基于波导的空间功率合成技术的发展,促进了微波毫米波系统固态化的发展。

然而,矩形波导空间功率合成技术也有一些潜在的缺陷。第一、矩形波导的工作主模为TE10模,由于TE10模的场型不均匀,中间电场最大,而两边距离边壁的地方电场则很小。这种场型的不均匀性使得波导分配到鳍线阵列的每个单元功率相差较大,导致每个有源放大单元达不到等功率激励要求,从而减小了合成效率并影响其饱和输出功率。第二、矩形波导是一种色散系统,这将导致为扩展工作频率而进行的宽带阻抗匹配相当复杂,因此其工作带宽受到矩形波导的限制而不可能太宽。

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,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。

4.3 同轴波导空间功率合成技术

以上两种空间功率合成方式的电磁波信号都是工作在波导中的TE模,因此其带宽受到一定限制。同轴波导可以有效克服这些缺陷,其工作模式为TEM模,在径向电磁能量均匀分布,可以使功率放大器均匀馈电,最大的优点就是其带宽可以做得非常宽。

最早开始做同轴波导功率合成的是CAP Wireless公司,2003年由其主要技术人员Pengcheng Jia研究了一种采用过模同轴波导对32个单元进行功率合成,波导到微带的转换采用鳍线结构实现,所有有源放大单元沿同轴波导径向排列,其合成后的输出功率达44W,带宽从6GHz～14GHz合成效率为75%,2005年PhD.Jia又完成了在2GHz～20GHz带宽内输出功率5W～10W的一个同轴波导功率合成系统。目前该公司将GaN器件用于同轴波导空间功率合成。如图4所示。

图4 同轴波导空间功率合成照片

4.4 几种不同空间功率合成技术方式的比较

表1 几种不同空间功率合成技术方式比较

5 基于波导的空间功率合成技术的发展趋势

基于波导的空间功率合成技术经过数十年的研究,目前在理论和具体实践上都已经比较成熟,但是还没有达到可以大规模应用的地步。从以前的发展过程来看,未来波导空间功率合成技术将呈现以下发展趋势:

1) 频率越来越高,功率越来越大。随着波导空间功率合成技术的不断成熟,合成器未来的重点将从目前的X、Ku波段转移到更高的毫米波领域;随着在X、Ku及Ka波段及更高频段功率晶体管的发展,合成的功率也会越来越大。

2) 多种合成方式相融合。根据实际应用条件,采取多种合成方式进行相互融合,取长补短,互为补充是可行的选择。

3) 高效率设计。在实际空间功率合成中,由于阵元相位误差、时延误差和幅度误差等各方面因素的影响,使合成的效率难以达到最大。通过相位-幅度联合调整的方法减小通道幅相误差,达到合成效率的高效率是一件很有意义的研究。

4) 先进的热设计。在波导空间功率合成技术的发展过程中,散热问题一直是困扰工程技术人员的一大难题,散热问题仍是影响合成功率大小的重要因素,因此良好的热设计是提高合成功率幅度的必要条件。

6 结语

随着雷达、电子对抗、通讯、高能微波武器等电子设备的发展,对微波毫米波固态高功率系统的需求日益苛刻和迫切,高频段、大功率、大带宽、微型化是以上电子设备一直追求的发展方向。基于波导的空间功率合成技术为此提供了很好的高频大功率信号输出解决方案。

国内在2007年之前,电子科技大学、南京理工大学等高校对于波导空间功率合成技术开展了大量的理论和实验研究[5～6],在工程应用方面,中国电科10所、38所、55所等单位已经成功研制了一些可以工程应用的空间功率产品,如2010年中国电科第十研究所党章在Ku波段实现了80W的空间功率合成[7],2012年电子科技大学王正伟在毫米波段实现了10W的空间功率合成[8]。虽然这些研究相比国外而言还有些差距,但是可以预见,随着其技术的不断发展和完善,相信其应用领域会不断扩展,给我国的国防科技和民用科技的进步带来巨大的推动。

[1] 张光义,王炳如.对有源相控阵雷达的一些新要求与宽禁带半导体器件的应用[J].现代雷达,2005,27(2):1-4.

[2] A. Alexanian, R. A. York. Broadband waveguide-based spatial combiner. IEEE MTT-S Int[J]. Microwave Symp. Dig.,1997,3:1139-1142.

[3] N.-S. Cheng, P. Jia, D. B. Rensch, et al. A 120-W X-band spatially combined solid-state amplifier[J]. IEEE Trans. Microwave Theory Tech.,1999,47:2557-2561.

[4] Mekki Belaid, Ke Wu. Spatial Power Amplifier Using a Passive and Active TEM Waveguide Concept[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory And Techniques,2003,51(3):684-689.

[5] Xin Jiang, Sean C. Ortiz, Amir Mortazawi. A Ka-Band Power Amplifier Based on the Traveling-Wave Power-Dividing/Combining Slotted-Waveguide Circuit[J]. IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques,2004,52(2):633-669.

[6] 宋开军.基于波导的微波毫米波空间功率合成技术研究[D].成都:电子科技大学,2007:103-105.

[7] 党章,黄建.Ku频段80W连续波空间功率合成放大器设计[J].微波学报,2010(2):64-69.

[8] 王正伟,何备等.毫米波10W连续波空间功率合成放大器设计[J].微波学报,2012(2):75-78.

Development of Spatial Power Combining Technology Based on Waveguide

YAO Bo AN Shiquan

(No. 38 Research Institute, China Electronics Technology Group Corporation, Hefei 230088)

Spatial power combining based on waveguide is an effective technology of high-frequency solid-state power combining and turns out to be the best solution for its high frequency, high power, high efficiency and moderate worsening. This paper presents the requirements of the spatial combing technology, analyzes several forms, and introduces the development status as well as provides suggestions for future directions.

waveguide, spatial power combining, microwave, power

2014年10月13日,

2014年11月21日

国防预研资助项目;国家自然科学基金项目(编号:51205375)资助。

姚波,男,工程师,研究方向:雷达电子技术。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.022