一種基于全息術(shù)的毫米波準(zhǔn)光功率合成技術(shù)

高偉亮，陳必然，夏棟

（1.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041；2.海裝重慶局，重慶4000421）

一種基于全息術(shù)的毫米波準(zhǔn)光功率合成技術(shù)

高偉亮1，陳必然2，夏棟1

（1.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041；2.海裝重慶局，重慶4000421）

提出一種基于全息術(shù)的毫米波準(zhǔn)光功率合成技術(shù)，給出系統(tǒng)的詳細(xì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，介紹毫米波準(zhǔn)光并行仿真軟件。關(guān)鍵詞：全息術(shù)；毫米波；準(zhǔn)光功率合成

0 引言

近年來，在毫米波/亞毫米波器件和電路技術(shù)取得快速進(jìn)展的推動下，短毫米波和亞毫米波頻段的開發(fā)和應(yīng)用逐漸開始受到關(guān)注，如毫米波星間鏈路、空地導(dǎo)彈末制導(dǎo)毫米波主動導(dǎo)引頭、毫米波接力通信、毫米波電子戰(zhàn)系統(tǒng)、THz成像、THz測量和射電天文觀測，實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用主要瓶頸問題是如何得到具有足夠功率、頻率穩(wěn)定、工作可靠的發(fā)射功率源。

目前常用的功率合成技術(shù)有電路合成、空間功率合成和準(zhǔn)光功率合成3種?；谄矫?zhèn)鬏斁€的電路合成具有設(shè)計(jì)和加工簡單的優(yōu)點(diǎn)，但由于傳輸線損耗大，合成效率隨著合成器件數(shù)的增加急劇下降。基于矩形金屬波導(dǎo)的電路合成兼有平面電路合成和空間功率合成的優(yōu)點(diǎn)。但功分/合成網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，加工難度大，損耗隨著頻率升高和合成器件數(shù)量增加迅速上升，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)更多固態(tài)器件功率合成，更高毫米波頻段由于單個(gè)器件功率降低同時(shí)合成效率顯著下降，難以實(shí)現(xiàn)較大功率輸出，毫米波高端很少采用。

空間功率合成通常采用電路形式或空間形式的等幅同相功率分配，經(jīng)過具有相同幅相特性的陣列放大器后，輻射到自由空間或金屬封閉空間，形成波矢垂直于陣面的平面波或特定空間傳播模式，再利用天線收集空間電磁波能量，實(shí)現(xiàn)功率合成。具有低損耗特性，合成效率高，并且合成器件數(shù)量增加時(shí)合成效率能基本保持不變。但是為了避免陣列產(chǎn)生柵瓣而導(dǎo)致合成效率急劇下降，陣列中輻射單元和放大器間隔典型值為半個(gè)波長，最大不能超過一個(gè)波長，這導(dǎo)致器件散熱難以很好解決。并且，在更高的毫米波頻段或亞毫米波頻段，由于波長已經(jīng)小于典型的功率器件尺寸，將使空間功率合成難以實(shí)現(xiàn)。

準(zhǔn)光功率合成采用準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率的分配與合成，典型技術(shù)方案的是采用基于全息術(shù)原理的準(zhǔn)光功分/合成器。通過介質(zhì)片制作的周期性相位柵格，可以使多個(gè)等幅同相激勵(lì)的固態(tài)功率放大器和輻射單元組成與柵格周期相同的空間周期陣列輻射的電磁波通過相位柵格后變換為單一波矢的準(zhǔn)平面波，再通過透鏡或反射面變換為高斯波束，利用喇叭天線收集高斯波束能量實(shí)現(xiàn)功率合成?；跍?zhǔn)光傳輸?shù)目赡嫘?，同樣網(wǎng)絡(luò)逆向應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)光功率分配。準(zhǔn)光功率合成具有空間功率合成的低損耗特性，理論上可實(shí)現(xiàn)無限數(shù)量的一維或二維相干功率源合成。并且，周期性相位柵格可將陣列柵瓣輻射功率轉(zhuǎn)換到主瓣方向，因此由于這種方法對陣元的間距沒有限制。與空間功率合成相比，避免了空間功率合成器中陣列單元間距小的局限性，可以用于亞毫米波功率合成。

1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1.1 研究方案

采用基于全息術(shù)的準(zhǔn)光功率合成技術(shù)原理：多個(gè)相干光源波束與一束相干平面波（稱為參考光束）在空間干涉，利用空間特定位置的感光相片記錄干涉條紋形成全息照片。當(dāng)用同一參考光束照射全息照片，可以完全恢復(fù)各相干光源波束的幅度和相位，這一原理可用于空間功率分配。反之，用各個(gè)相干光源照射全息照片，則可以產(chǎn)生與參考光束相同的平面波，利用天線收集平面波功率，可以實(shí)現(xiàn)空間功率合成。在毫米波頻段，全息術(shù)一般不能用全息照片產(chǎn)生幅度調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榉日{(diào)制產(chǎn)生功率損失將使合成效率降低。但可以低損耗介質(zhì)柵格來實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，對于周期分布的相干固態(tài)源，已經(jīng)證明介質(zhì)柵格具有同樣周期結(jié)構(gòu)。其柵格圖案可以采用電磁仿真加以計(jì)算和優(yōu)化，并采用普通機(jī)械加工方法制作。

1.2 技術(shù)途徑

對本項(xiàng)目而言，最關(guān)鍵的特性是可實(shí)現(xiàn)高頻、大數(shù)目二維放大器陣列的功率合成，有5%～10%的較大工作帶寬，單元間距較大，在放大器的加工、調(diào)試上易于實(shí)現(xiàn)。基于全息術(shù)準(zhǔn)光功率合成系統(tǒng)見圖1。

圖1 基于全息術(shù)原理5 mm波準(zhǔn)光功率合成系統(tǒng)組成

系統(tǒng)工作原理：60 GHz信號由喇叭天線轉(zhuǎn)換為高斯波束，經(jīng)過偏饋拋物面變換為準(zhǔn)平面波，再通過介質(zhì)相位柵格，變換為5×5個(gè)波束，實(shí)現(xiàn)空間功率分配。每個(gè)波束被5×5接收喇叭天線陣中的一個(gè)喇叭接收后，轉(zhuǎn)換為微帶準(zhǔn)TEM模式，經(jīng)過MMICs功率放大后經(jīng)喇叭天線輻射，輻射的電磁波通過介質(zhì)相位柵格后，柵瓣的輻射功率被轉(zhuǎn)換到法線主瓣輻射方向，形成法線方向的準(zhǔn)平面波實(shí)現(xiàn)了功率合成。準(zhǔn)平面波被偏饋拋物面聚焦形成高斯波束，由喇叭天線收集后實(shí)現(xiàn)功率輸出。

該方案關(guān)鍵部分是介質(zhì)相位柵格的設(shè)計(jì)以及拋物面天線口面、介質(zhì)柵格和喇叭天線陣口面之間距離的選取，需通過電路網(wǎng)絡(luò)建模和計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)來完成系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)選取。此外，整個(gè)系統(tǒng)需要采用電磁仿真方法進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證和系統(tǒng)性能預(yù)測評估，涉及大量電磁建模和仿真工作。

2 軟件設(shè)計(jì)

圖2～圖6是毫米波準(zhǔn)光并行仿真軟件主要界面。

圖2 優(yōu)化界面

圖3 關(guān)閉界面

圖4 格里高利天線設(shè)計(jì)

圖5 最佳增益角設(shè)計(jì)

采用毫米波準(zhǔn)光并行仿真軟件，該軟件與GMES（全波FDTD算法）、FEKO（物理光學(xué)與矩量法的混合算法）相比，在計(jì)算效率與成本上面具備非常突出的優(yōu)勢，目前，采用本軟件在普通服務(wù)器上面，就能夠?qū)崿F(xiàn)100λ×100λ×100λ電大尺寸準(zhǔn)光系統(tǒng)的快速仿真與優(yōu)化，而其他商業(yè)軟件或優(yōu)化算法對此是無能為力的。

3 結(jié)論

毫米波全息準(zhǔn)光功率合成系統(tǒng)具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、輸出功率大、升級改裝方便等突出優(yōu)勢。因此該技術(shù)能夠大幅度地減小功率型軍用電子設(shè)備的體積、減輕重量，改善性能、提高可靠性和降低總成本，將在相控陣?yán)走_(dá)、機(jī)載電子對抗、遠(yuǎn)程制導(dǎo)、衛(wèi)星通信鏈路等小型化高級軍事電子設(shè)備和宇航電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

圖6 目標(biāo)場設(shè)計(jì)

［1］葛俊祥.毫米波復(fù)合式準(zhǔn)光功率合成理論與實(shí)驗(yàn)研究［J］.電子學(xué)報(bào)，1994，22（9）：81-87.

［2］謝文楷，劉盛綱.一類新型的準(zhǔn)光學(xué)功率合成系統(tǒng)［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1989，18（5）：439-445.

［3］JudaschkeR，HoftM，SchunemannK.Qu asi-opti ca l150-GHz power combining oscillator［J］.IEEE Microwave and Wire less Components Lett，2005，15（5）：300-302.

〔編輯利文〕

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B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.55