基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)研究進(jìn)展*

姚 波 安士全

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)

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基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)研究進(jìn)展*

姚 波 安士全

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)

基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)是解決微波高頻段固態(tài)大功率合成的一種有效技術(shù)。由于它具有頻率高、功率大、合成效率高、可靠性高、具有適度惡化性等優(yōu)點(diǎn),因此成為微波高頻段大功率合成系統(tǒng)的首選。論文介紹了基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)的需求,分析了基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)的幾種方式,闡述了該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,并對(duì)基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)的發(fā)展提出了建議。

波導(dǎo); 空間功率合成; 微波; 功率

Class Number TP391

1 引言

當(dāng)前,雷達(dá)、高能微波輻射武器、微波通信等電子設(shè)備逐漸向高頻率、大功率、微型化方向發(fā)展。微波固態(tài)功率系統(tǒng)作為這些電子設(shè)備的主要部分,其發(fā)展?fàn)顟B(tài)已經(jīng)成為電子設(shè)備發(fā)展的一個(gè)瓶頸。一般情況下,單個(gè)器件的功率不能滿足系統(tǒng)要求,因此需要將多個(gè)功率器件進(jìn)行功率合成。但隨著工作頻率的提高,功率合成變的越來越難以實(shí)現(xiàn),特別是在高頻微波領(lǐng)域,目前占主導(dǎo)地位的平面功率合成技術(shù)已經(jīng)不能滿足需要,空間功率合成技術(shù)已成為發(fā)展迅速的方向[1]。

針對(duì)以上問題,本文將就目前發(fā)展比較成熟的矩形波導(dǎo)、開槽波導(dǎo)、同軸波導(dǎo)等三種基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景進(jìn)行分析闡述。

2 現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)微波功率系統(tǒng)的新要求

微波功率系統(tǒng)(發(fā)射機(jī)或有源相控陣?yán)走_(dá)中的T/R組件)是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分,其性能指標(biāo)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的威力有決定性影響。隨著現(xiàn)代軍事理論和軍事裝備的不斷更新,現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)于微波功率系統(tǒng)提出了以下新的需求。

2.1 更高的輸出功率

根據(jù)雷達(dá)的工作原理,雷達(dá)所能探測(cè)到的最遠(yuǎn)距離決定于雷達(dá)的功率孔徑積(發(fā)射機(jī)平均功率和天線孔徑面積的乘積)。因此,雷達(dá)要想探測(cè)更遠(yuǎn)距離的目標(biāo),提供足夠的預(yù)警時(shí)間就必須提高其功率孔徑積。為此可以通過擴(kuò)大天線尺寸的方式來實(shí)現(xiàn),即擴(kuò)大天線的孔徑的物理面積或增加功率組件的數(shù)量,但這種方式極大地增加了雷達(dá)制造與使用成本,有些天線的尺寸已經(jīng)到了極限,當(dāng)前正在發(fā)展的各種分布式武器平臺(tái)的雷達(dá)其孔徑是嚴(yán)格受限制的,如機(jī)載雷達(dá)、星載雷達(dá)和彈載雷達(dá)等,這種情況下只能通過提高雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的輸出功率的方法才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

2.2 提高工作頻率及帶寬

提高雷達(dá)的工作頻率,可以提高雷達(dá)的分辨率,提高其工作帶寬和瞬時(shí)信號(hào)帶寬,對(duì)實(shí)現(xiàn)低截獲概率(LPI)雷達(dá),提高雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的反偵察能力和抗干擾能力,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)高分辨率測(cè)量與目標(biāo)成像識(shí)別具有重要意義。另外,現(xiàn)代雷達(dá)將向多功能一體化、集成化方向發(fā)展,雷達(dá)不僅需要具有預(yù)警探測(cè)功能,還應(yīng)具有電子對(duì)抗、通信、導(dǎo)航等功能,因此要求雷達(dá)微波功率系統(tǒng)拓展工作頻帶寬度,具有多頻段工作能力。

2.3 進(jìn)一步縮小體積、減輕重量

雷達(dá)發(fā)射機(jī)的重量一直在雷達(dá)系統(tǒng)中占據(jù)很大的比重。因此,雷動(dòng)發(fā)射機(jī)的體積縮小、重量減輕帶來的直接影響就是雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性增強(qiáng),生存能力提高。對(duì)機(jī)載、星載、彈載等平臺(tái)下的雷達(dá)來說,雷達(dá)發(fā)射機(jī)的體積、重量對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的意義更是至關(guān)重要,甚至關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

2.4 進(jìn)一步提高總效率

雷達(dá)功耗的大部分是在雷達(dá)微波功率系統(tǒng)上,發(fā)射機(jī)效率越低,耗散功率越高,用于對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行冷卻設(shè)備的要求相應(yīng)就越高。因此,發(fā)射機(jī)的效率直接影響著雷達(dá)設(shè)備的成本。另外,在載荷提供能量受限的情況下,如星載、機(jī)載平臺(tái),提高效率有助于提高發(fā)射輸出功率,從而增強(qiáng)雷達(dá)探測(cè)能力和機(jī)動(dòng)性、可靠性。

2.5 提高環(huán)境適應(yīng)能力

隨著科技的發(fā)展,越來越復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)電子環(huán)境和機(jī)載、星載、彈載等各種雷達(dá)平臺(tái)的出現(xiàn),都對(duì)雷達(dá)的環(huán)境適應(yīng)能力提出了越來越高的要求。

3 基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)的特點(diǎn)

空間功率合成技術(shù)是利用多個(gè)天線單元發(fā)射頻率相同、相位符合特定關(guān)系的電磁波,使之在空間傳播過程中相互疊加合成,從而在一定方向上形成電磁波束的技術(shù)[1]。相比于平面微帶電路合成方式,基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)的特點(diǎn)可以歸納為以下幾個(gè)方面:

1) 更適合高工作頻率?；诓▽?dǎo)的空間功率合成技術(shù)相比平面電路合成技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)在高頻段更明顯,在低頻段由于平面電路的插損比較小、更容易實(shí)現(xiàn),更具優(yōu)勢(shì)。

2) 合成功率大。在進(jìn)行多個(gè)功率器件合成時(shí),由于基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)的合成效率不隨器件的增加而降低,其優(yōu)勢(shì)更能體現(xiàn)出來。

3) 合成效率高。隨著頻率提高,平面電路合成方式由于微帶線的插損較大,合成效率迅速下降,而基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)沒有使用傳輸線,合成效率跟頻率關(guān)系不大,合成效率優(yōu)勢(shì)明顯。

4) 適度惡化性能。在基于波導(dǎo)的空間功率合成系統(tǒng)中,各個(gè)合成單元是并行工作的,若因某種原因其中一個(gè)單元出現(xiàn)故障,系統(tǒng)的工作性能不會(huì)受到很大影響,從而具有良好的適度惡化性能。

4 基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 開槽波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)

開槽波導(dǎo)功分器按能量在波導(dǎo)中的傳播方式不同可分為行波式和駐波式兩種。行波工作方式下,可在波導(dǎo)終端填充微波吸收材料,避免在波導(dǎo)內(nèi)形成駐波,耦合槽的位置沒有特別要求;在駐波工作方式下,波導(dǎo)終端短路,能量在波導(dǎo)中呈駐波分布,耦合槽應(yīng)開在電場(chǎng)的波腹位置。其原型最先是在1971年由Kurodawa和Magalhaes提出,過去幾十年的研究顯示諧振腔式功率合成技術(shù)能夠應(yīng)用在高達(dá)220GHz的頻段,但頻帶較窄;其最大的優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)椴捎昧溯敵龆似骷苯雍铣蓮亩铣尚瘦^高,另外結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊,能夠有效散熱。

圖1 X波段開槽波導(dǎo)空間功率合成器

美國(guó)學(xué)者Amir Mortazawi帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在2000和2003年分別研制成功了頻率在X波段14W和Ka波段2W諧振型開槽波導(dǎo)固態(tài)功率合成器,合成效率分別為88%和72%,如圖1所示。之后又于2004年利用行波型開槽波導(dǎo)空間功率合成技術(shù),實(shí)現(xiàn)了Ka波段2W的功率合成,合成效率80%。如圖2所示。

開槽波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)合成效率較高,但也有其局限性:帶寬較窄,諧振式開槽波導(dǎo)空間功率合成器相對(duì)帶寬一般不超過5%;仿真設(shè)計(jì)隨合成器路數(shù)的增多,工作量也相應(yīng)增加;加工工藝比較復(fù)雜,加工精度和微組裝要求較高,尤其對(duì)行波式合成器需要加入金屬銷釘?shù)那闆r。

圖2 Ka波段行波式開槽波導(dǎo)功率合成器

4.2 矩形波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)

矩形波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)最早在1997年由A.Alexanian和R.A.York提出,在X波段采用基于規(guī)則矩形波導(dǎo)的2×4的MMIC功放陣列,實(shí)現(xiàn)2.4W的連續(xù)波合成輸出功率,合成效率68%,如圖3所示。此后,以UCSB(University of California at Santa Barbara)的R.A.York教授為代表的研究團(tuán)隊(duì)又進(jìn)行了波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成技術(shù)的相關(guān)研究,并進(jìn)行了改進(jìn),相繼提出了規(guī)則矩形波導(dǎo)、擴(kuò)展尺寸矩形波導(dǎo)和擴(kuò)展同軸線內(nèi)空間功率合成等形式,1999年在X波段和K波段采用4×6的MMIC功放陣列實(shí)現(xiàn)了高達(dá)120W的連續(xù)波功率輸出,工作頻段8GHz～11GHz[2～3]。2003年Mekki Belaid等將EBG(電磁禁帶)結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成技術(shù)相結(jié)合,在Ku波段研制實(shí)現(xiàn)的功率合成器,采用12只MMIC獲得了23.15dBm(0.2W)的功率輸出[4]。

圖3 X波段2×4陣列空間功率合成系統(tǒng)

矩形波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)具有系統(tǒng)合成效率較高,帶寬較寬,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)靈活,易于小型化等優(yōu)點(diǎn),較好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電路功率合成技術(shù)和自由空間功率合成技術(shù)的不足。作為最早提出和實(shí)現(xiàn)的波導(dǎo)空間功率合成方式,有力地推動(dòng)了大功率、寬帶微波毫米波功放的研制,和基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)了微波毫米波系統(tǒng)固態(tài)化的發(fā)展。

然而,矩形波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)也有一些潛在的缺陷。第一、矩形波導(dǎo)的工作主模為TE10模,由于TE10模的場(chǎng)型不均勻,中間電場(chǎng)最大,而兩邊距離邊壁的地方電場(chǎng)則很小。這種場(chǎng)型的不均勻性使得波導(dǎo)分配到鰭線陣列的每個(gè)單元功率相差較大,導(dǎo)致每個(gè)有源放大單元達(dá)不到等功率激勵(lì)要求,從而減小了合成效率并影響其飽和輸出功率。第二、矩形波導(dǎo)是一種色散系統(tǒng),這將導(dǎo)致為擴(kuò)展工作頻率而進(jìn)行的寬帶阻抗匹配相當(dāng)復(fù)雜,因此其工作帶寬受到矩形波導(dǎo)的限制而不可能太寬。

在更高頻段內(nèi),如何突破波導(dǎo)尺寸的限制是需要解決的關(guān)鍵問題之一。因此,如何在更高頻段實(shí)現(xiàn)較高的可用功率合成輸出,是目前主要的研究方向。同時(shí),該技術(shù)的相關(guān)理論體系還遠(yuǎn)未完善,很多方面需要進(jìn)行更深入的研究。

4.3 同軸波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)

以上兩種空間功率合成方式的電磁波信號(hào)都是工作在波導(dǎo)中的TE模,因此其帶寬受到一定限制。同軸波導(dǎo)可以有效克服這些缺陷,其工作模式為TEM模,在徑向電磁能量均勻分布,可以使功率放大器均勻饋電,最大的優(yōu)點(diǎn)就是其帶寬可以做得非常寬。

最早開始做同軸波導(dǎo)功率合成的是CAP Wireless公司,2003年由其主要技術(shù)人員Pengcheng Jia研究了一種采用過模同軸波導(dǎo)對(duì)32個(gè)單元進(jìn)行功率合成,波導(dǎo)到微帶的轉(zhuǎn)換采用鰭線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),所有有源放大單元沿同軸波導(dǎo)徑向排列,其合成后的輸出功率達(dá)44W,帶寬從6GHz～14GHz合成效率為75%,2005年P(guān)hD.Jia又完成了在2GHz～20GHz帶寬內(nèi)輸出功率5W～10W的一個(gè)同軸波導(dǎo)功率合成系統(tǒng)。目前該公司將GaN器件用于同軸波導(dǎo)空間功率合成。如圖4所示。

圖4 同軸波導(dǎo)空間功率合成照片

4.4 幾種不同空間功率合成技術(shù)方式的比較

表1 幾種不同空間功率合成技術(shù)方式比較

5 基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的研究,目前在理論和具體實(shí)踐上都已經(jīng)比較成熟,但是還沒有達(dá)到可以大規(guī)模應(yīng)用的地步。從以前的發(fā)展過程來看,未來波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì):

1) 頻率越來越高,功率越來越大。隨著波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)的不斷成熟,合成器未來的重點(diǎn)將從目前的X、Ku波段轉(zhuǎn)移到更高的毫米波領(lǐng)域;隨著在X、Ku及Ka波段及更高頻段功率晶體管的發(fā)展,合成的功率也會(huì)越來越大。

2) 多種合成方式相融合。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件,采取多種合成方式進(jìn)行相互融合,取長(zhǎng)補(bǔ)短,互為補(bǔ)充是可行的選擇。

3) 高效率設(shè)計(jì)。在實(shí)際空間功率合成中,由于陣元相位誤差、時(shí)延誤差和幅度誤差等各方面因素的影響,使合成的效率難以達(dá)到最大。通過相位-幅度聯(lián)合調(diào)整的方法減小通道幅相誤差,達(dá)到合成效率的高效率是一件很有意義的研究。

4) 先進(jìn)的熱設(shè)計(jì)。在波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)的發(fā)展過程中,散熱問題一直是困擾工程技術(shù)人員的一大難題,散熱問題仍是影響合成功率大小的重要因素,因此良好的熱設(shè)計(jì)是提高合成功率幅度的必要條件。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著雷達(dá)、電子對(duì)抗、通訊、高能微波武器等電子設(shè)備的發(fā)展,對(duì)微波毫米波固態(tài)高功率系統(tǒng)的需求日益苛刻和迫切,高頻段、大功率、大帶寬、微型化是以上電子設(shè)備一直追求的發(fā)展方向?；诓▽?dǎo)的空間功率合成技術(shù)為此提供了很好的高頻大功率信號(hào)輸出解決方案。

國(guó)內(nèi)在2007年之前,電子科技大學(xué)、南京理工大學(xué)等高校對(duì)于波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)開展了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究[5～6],在工程應(yīng)用方面,中國(guó)電科10所、38所、55所等單位已經(jīng)成功研制了一些可以工程應(yīng)用的空間功率產(chǎn)品,如2010年中國(guó)電科第十研究所黨章在Ku波段實(shí)現(xiàn)了80W的空間功率合成[7],2012年電子科技大學(xué)王正偉在毫米波段實(shí)現(xiàn)了10W的空間功率合成[8]。雖然這些研究相比國(guó)外而言還有些差距,但是可以預(yù)見,隨著其技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,相信其應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)不斷擴(kuò)展,給我國(guó)的國(guó)防科技和民用科技的進(jìn)步帶來巨大的推動(dòng)。

[1] 張光義,王炳如.對(duì)有源相控陣?yán)走_(dá)的一些新要求與寬禁帶半導(dǎo)體器件的應(yīng)用[J].現(xiàn)代雷達(dá),2005,27(2):1-4.

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[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] 宋開軍.基于波導(dǎo)的微波毫米波空間功率合成技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2007:103-105.

[7] 黨章,黃建.Ku頻段80W連續(xù)波空間功率合成放大器設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào),2010(2):64-69.

[8] 王正偉,何備等.毫米波10W連續(xù)波空間功率合成放大器設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào),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

國(guó)防預(yù)研資助項(xiàng)目;國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):51205375)資助。

姚波,男,工程師,研究方向:雷達(dá)電子技術(shù)。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.022