基于毫米波高次模的径向合成技术研究

吴小帅

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

毫米波技术经过多年的发展已经通信、成像、测量等领域得到了广泛应用。工作频率的提升对于成像和测量系统意味着更好的精度，对通信系统则意味着更大的数据带宽和更快的传输速率，开发高端频段成为目前毫米波技术领域的热点。功率放大器是毫米波系统的重要部件，但是单个功率器件的输出能力随工作频率升高会迅速降低。为满足系统要求，需成倍提升功率输出能力。因此，功率合成技术是开发毫米波高端频段的研究热点，对开发新的系统应用、实现更好的系统性能有着重要意义。

1 理论分析

针对毫米波高频段、太赫兹低频段的固态功率源在很多领域的重要价值和迫切需求，提出大波导高次模的极化合成思路，开发具有频带宽、路数多、合成效率高、功率容量高、结构可实现性强等特点的新型功率合成技术。开展毫米波高频段高次模径向功率合成方案原理框图如图1所示。在径向合成时，主要涉及到空间对称模径向合成、非全匹配网络失配稳定性、平衡式模式变换3个主要的问题，因此对这3种技术进行研究。

图1 方案方框图

1.1 波导对称模径向功率合成方法研究

传输模的场结构、单模带宽、损耗特性等决定了合成网络大部分电气特性，圆波导模式分布如图2所示。如图3所示，TE11模的场沿圆周具有一个半驻波变化，沿圆周没有对称性，但与其极化简并模可合成圆极化TE11模，沿圆周具有时间对称型，适用于任意路数的等幅度等相差径向合成，可实现左旋和右旋两种情况。当TEmn或TMmn模中的m为零时，在任意时刻，场沿圆周任意角度都有旋转对称，为空间对称模，适用于任意路数的等幅同相径向合成，典型空间对称模有TE01模和TM01模，电场结构如图4和图5所示。根据传输线结构、网络拓扑、工作模式以及合成路数等因素确定径向合成器结构后，需重点研究各工作模式下，支路端口的幅相关系，这是合成网络的核心问题。

图2 圆波导各阶模式分布图

图3 TE11模径向合成器电场结构图

图4 圆波导TE01高次模径向合成器电场图

图5 圆波导TM01高次模径向合成器电场图

1.2 非匹配合成网络的失匹配稳定型研究

无耗径向合成网络为非全匹配网络，研究支路失配或非理想激励情况下的端口驻波问题尤为重要。若不解决合成网络的(准)全匹配问题，则需要解决潜在失配条件下每一激励支路的稳定性。解决该关键问题主要有以下两条途径：

第一种为从非全匹配等幅分配网络的散射矩阵出发，信号从支路输入时，其余各支路端等幅输出，那么支路反射系数模值为(N-1)/N，这意味着非平衡激励时，合成路数越多支路端口驻波越差。拟采用多模散射矩阵技术研究高次模径向合成网络特性，通过插入有耗元件或增加端口数量解决支路的稳定性问题，实现(准)全匹配网络。在合成器结构设计方面，可以在TE01模和TM01模的支路之间增加电阻吸收膜片或增加辅助端口来匹配干扰模，提高支路电路的失配稳定。

第二种为圆极化TE11模是时间对称模，增加吸收端口较为困难。从另一角度出发，在非全匹配合成条件下，解决单个支路潜在不稳定问题。假设某些支路激励失配，未失效支路的反射系数最差为Sii<(N-1)/N，必须保证在次情况下，大功率器件不会损坏。研究思路为：(1) 通过合理的阻抗匹配，降低支路放大器对负载的牵引响应；(2) 使用隔离器阻断负载牵引效应；(3) 支路放大器采用平衡结构，负载变化不影响单个器件的性能。工作在TE01和TM01模的合成器也可以采用该方法进一步提高稳定性。

1.3 平衡式模式变换技术研究

合路端口不一定是标准的波导，附加模式变换器能实现传输线过渡和传输模转换。常用模式转换器有渐变、差分移相、介质加载，金属膜片、花瓣槽、环绕式、梅尔变换等通过波导空间内的结构渐变或耦合谐振实现模式变换，频率越高尺寸越小且越敏感，尤其在毫米波高端频段存在实现难度大、转换效率低等问题，导致合成效率恶化严重。波导E/H头、分支线电桥或魔T等高性能平衡电桥能实现不同相位的平衡激励，如图6所示。另外，在激励口位置不但要研究工作模的阻抗匹配，还要考虑干扰模的影响，计算出干扰模的抑制度。

图6 平衡式模式变换结构三维示意图

2 实践成果

图7 原理样机模型

图8 14路径向合成仿真模型图

按照以上技术途径，完成3个主要部分的研究工作之后，搭建原理样机模型，如图7所示，实现多路、高效率功率合成，完成实验验证，达到本项目的研究目的，为该频段功率合成技术提供一种新的实现方法。研究并设计基于圆波导TE01模的多路径向合成放大器，由于径向合成路数多加工难度较大，而且体积也会增大，因此先选用带隔离的波导电桥进行一次合成，然后再选用14路径向合成器进行合成。根据以上理论建立三维立体模型，如图8所示。14路功分的理论损耗为11.46 dB，在93～95 GHz频段仿真结果插损<11.8 dB，理论损耗<0.4 dB，根据经验，实际制作出的合成器损耗<0.6 dB，加上前面波导电桥合成的0.25 dB损耗，28路合成损耗共计0.85 dB。经过以上研究二进制合成方案最高合成效率为74.99%，径向合成的合成效率为82%，因此选用径向合成为最佳选择。

3 结束语

径向合成属于多路合成，其优点是合成网络的损耗随着合成路数的增加不会有明显升高，适合于任意路数的合成，结构简单、合成路数多、损耗小、功率容量大、维修性强并且工作频率可以拓展至500 GHz甚至更高。

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