微波功率合成方法分析

于春永

摘  要：伴随我国航天测控、电子侦查、雷达通信技术的快速发展，传统的功率技术已经无法满足各个行业的使用需要。微波功率合成是技术发展支持下出现的一种新型加热方式，在提升设备功率方面起到了十分重要的作用。为此，文章在阐述微波功率合成内涵和意义的基础上，根据微波功率合成机理，注重分析相控阵法、聚焦束法、交叉束法三种形式的微波合成特点，并模拟计算了聚焦束和交叉束在较远距离上的能量密度，充分验证微波空间功率合成能够有效增强较远距离的能力密度。

关键词：微波功率;空间功率合成;天线

中图分类号：TN73         文獻标志码：A       文章编号：2095-2945（2019）25-0139-02

Abstract： With the rapid development of space TT & C （tracking， telemetering and command）， electronic detection and radar communication technology in China， the traditional power technology has been unable to meet the needs of various industries. Microwave power synthesis is a new heating method with the support of technical development， which plays a very important role in improving the power of equipment. Therefore， on the basis of expounding the connotation and significance of microwave power synthesis， and according to the mechanism of microwave power synthesis， this paper focuses on the analysis of the characteristics of microwave synthesis in three forms： phased array method， focused beam method and cross beam method. The energy densities of focused beams and crossed beams over long distances are simulated and calculated， which fully verifies that microwave spatial power synthesis can effectively enhance the capability density of long distances.

Keywords： microwave power; space power synthesis; antenna

微波功率合成技术具体分为通道功率合成技术和空间功率合成技术两种形式，通道功率合成采用微波器件，在设备微波通道中获取相应的合成功率，但是这种合成技术形式所获取的合成功率是十分有限的。文章结合微波功率合成基本内涵的基础上，从空间功率角度出发，在忽略大气波束传播影响的情况下就微波功率合成方法问题进行探究。

1 微波功率合成概述

1.1 内涵

微波功率合成主要是指为了能够提升微波固态振荡器输出功率而应用多个振荡源输出功率合成的技术形式。微波功率合成的主要方法包含以下两种：（1）将多个振荡二级管安装在同一个微波谐振腔中，从而能够实现对各个器件功率输出的合成操作。（2）微波功率合成操作能够将多个振荡器通过多种形式的外电路进行耦合处理，从而增强个各个功率应用的安全性和稳定性。

1.2 研究意义

新时期，人们对无线电发送设备的使用提出了更高的要求，即无线电设备要能够实现远距离的信息传输。在信息传输过程中信号会经过一系列复杂的处理，在经过层层优化处理之后提升信号本身的功率，之后信号会被重新发送给天线。信号在被处理的时候会产生比较大的功率，处理加工难度加大，也无形中加大了整个系统的电压。在这个过程中器件的尺寸和重量较大，在一定程度上阻碍了信号的传输和发射。

在各类材料工艺技术的发展下，微波功率合成技术所输出的功率不断变大，其中，常见的L波段上部功率达到了千瓦的级别。在这样的发展背景下，微波功率合成方法的研究成为一种时代发展的必然。

2 微波功率中空间功率合成技术

微波功率中空间功率合成技术是采用大直径波束来拉近功率和有源器件的密切配合，在二者的密切配合下有效提升功率的合成效率，使得各个单元子器件密切配合、发挥各自应有的功能作用。

在微波功率中空间功率合成技术的作用下系统的消耗是传统模式和有源器件的耦合性能的结合，和单元器件的个数不存在关联，因而空间功率合成技术在应用的时候有效解决了伴随单元个数增加，电路合成效率不断下降的问题。

空间功率合成技术中的准光学谐振腔功率合成器是一种新型谐振系统，在场极化性质的影响下 准光学谐振腔是一种波导谐腔，而在衍射和移动方面，波导谐腔所发挥出的作用和光学层面上的谐振腔作用相仿，在具体使用的时候，谐振腔频率和先进的腔距存在十分密切的关联，为多个器件的功率合成提供了重要参考支持。

微波功率合成技术发展会涉及到芯片、电路和通信等多个方面的技术。在众多技术形式中，芯片合成技术主要是指将多个独立的功率在同样一个半导体上进行加工处理，在经过加工处理之后得到较高的输出功率。电路功率合成技术的工作频带比较狭窄，在场模式增加的影响下合成效率会被降低。

由此可见，空间功率合成操作之后往往能够获得较大的功率信息，且芯片级合成输出功率较低，在将以上的方法进行连接之后能够获得较高的输出功率。在空间功率合成过程中传输线可以是微带线或者波导，隔离的负载需要被安排在合成器的外部，从而解决合成器的散热和功率容量问题。

3 空间功率合成相控阵天线原理

空间功率合成相控阵天线在使用的时候和之前相比会得到更高的辐射功率，由此确保信号传输获得更多的发展收益，表现为在使用的时候不仅能够得到较高的辐射功率，而且还能够达到理想的收益。平面相控阵天线在方位角的？渍和？兹仰角这两个方向上能够同时实现天线波束的相控阵扫描。假设目标所在方向是以方向余弦 来表示，那么第（i，k）个天线单元和第（o，o）个天线之间的空间相位差如公式（1）表示。

如果天线单元方向的基本图坐标为f ，那么根据整个天线阵方向位置图的乘积定理可以将天线阵的方向图确定为E 。雷达在应用过程中的一个主要部件是电子扫描阵列天线，电子扫描阵列天线是上百个发射器组成的。雷达在使用的时候可以利用天线阵列中的上百个辐射单元来进行空间合成处理，从而为人们提供较大范围内的辐射功率，根据需要执行和完成各种不同的任务。

4 空间功率合成的聚焦束法

聚焦束法主要是将各个天线元波束聚焦在抛物面的焦点上，从而使得焦点区域体现出较高的合成率。聚焦束法在应用的时候具有天线陣直径大、天线元众多的特点。在具体设计的时候需要充分考虑天线阵的大小、辐射频率和各个点的关联关系。结合天线的布局安排可通过改变各个元天线的电流关系提升频率参数。

在聚焦波束不断向上传输的时候，波束的宽度变狭窄，在转变的时候能量会日趋集中。在这个过程中为了避免易感层高度上大气击穿气体，在布局安排 时候需要将各个射束叠合功率密度设置为低于易感层相互击穿的功率密度。理想状态下聚焦天线阵列设计需要满足如公式（2）、（3）、（4）的约束条件，公式（2）代表的是在目标高度Zr所处轴线上锁产生的能流G（0，Zs）不能够小于指定最小能流Gr，从而确保实现打击目标所需要的能流动。在公式（3）中d代表是能流衰减为轴线上数值1/e时的横向直径大小，L是目标高度上要求的杀伤直径，直径大小影响辐射区域范围内覆盖打击的目标。

5 空间功率合成的交叉束法

空间功率合成的交叉束法具体是指从多个角度、多个频率、多个方向来研究出同一种频率但是波束不同的研究方法。在具体应用的时候通过控制各个射束的相位关系能够得到一种较高频率和更关联的射束相位关系，增强在交叉区域范围内的功率指标。

高斯口面场分布呈现出的是一种对称的关系，变动方程解的表达形式如公式（5）所示。

微波频率处于6GHz时不同目标高度上束半径和反射束腰之间的变化关系如图1所示，从整个图中可以发现，束缚的高低和波束能量的传递存在密切的关联，而在经过密切观察之后，只有束缚达到150m的时候，整个束缚的直径和长度大小变得和谐，这种状态下所传递的能量最为理想。

在多波束传播的时候，假设单元天线口面场呈现出高斯分布的状态，束腰在半径为3m的时候，微波频率为GHz都会呈现在平面波前。两个测试站的间隔距离越大，光斑区域范围内所形成的规则干涉条纹数量就会增多，特别是在间隔距离达到50m的时候，区域范围内的干涉条纹就会变得十分密集。经过上文的分析可以发现，交叉束的方法是提升整个系统操作频率的重要方式，在具体应用操作的时候考虑整个波束的网状分布情况，还需要相关人员具体问题具体分析，结合实际情况来采取有效的措施来优化波束网的布局安排。

6 结束语

综上所述，高功率微波物理产生机制以及器件工艺结构的限制，各种类型微波源都有其功率的限制，因此，在领域范围内研究人员开始探索基于波导的微波毫米波空间功率合成技术。在微波功率合成的过程中，空间功率合成技术和通道功率合成技术相比存在较大的优势，文章在阐述微波功率合成内涵和研究意义的基础上，从空间功率合成相控阵天线、空间功率合成的聚焦束法、空间功率合成的交叉束法几个方面具体分析微波功率合成技术的应用，旨在能够更好的发挥出微波功率合成技术在社会发展中的应用。

参考文献：

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