微波功率合成方法分析

于春永

摘? 要：伴隨我國(guó)航天測(cè)控、電子偵查、雷達(dá)通信技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的功率技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足各個(gè)行業(yè)的使用需要。微波功率合成是技術(shù)發(fā)展支持下出現(xiàn)的一種新型加熱方式，在提升設(shè)備功率方面起到了十分重要的作用。為此，文章在闡述微波功率合成內(nèi)涵和意義的基礎(chǔ)上，根據(jù)微波功率合成機(jī)理，注重分析相控陣法、聚焦束法、交叉束法三種形式的微波合成特點(diǎn)，并模擬計(jì)算了聚焦束和交叉束在較遠(yuǎn)距離上的能量密度，充分驗(yàn)證微波空間功率合成能夠有效增強(qiáng)較遠(yuǎn)距離的能力密度。

關(guān)鍵詞：微波功率;空間功率合成;天線

中圖分類號(hào)：TN73? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：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

微波功率合成技術(shù)具體分為通道功率合成技術(shù)和空間功率合成技術(shù)兩種形式，通道功率合成采用微波器件，在設(shè)備微波通道中獲取相應(yīng)的合成功率，但是這種合成技術(shù)形式所獲取的合成功率是十分有限的。文章結(jié)合微波功率合成基本內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，從空間功率角度出發(fā)，在忽略大氣波束傳播影響的情況下就微波功率合成方法問(wèn)題進(jìn)行探究。

1 微波功率合成概述

1.1 內(nèi)涵

微波功率合成主要是指為了能夠提升微波固態(tài)振蕩器輸出功率而應(yīng)用多個(gè)振蕩源輸出功率合成的技術(shù)形式。微波功率合成的主要方法包含以下兩種：（1）將多個(gè)振蕩二級(jí)管安裝在同一個(gè)微波諧振腔中，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各個(gè)器件功率輸出的合成操作。（2）微波功率合成操作能夠?qū)⒍鄠€(gè)振蕩器通過(guò)多種形式的外電路進(jìn)行耦合處理，從而增強(qiáng)個(gè)各個(gè)功率應(yīng)用的安全性和穩(wěn)定性。

1.2 研究意義

新時(shí)期，人們對(duì)無(wú)線電發(fā)送設(shè)備的使用提出了更高的要求，即無(wú)線電設(shè)備要能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的信息傳輸。在信息傳輸過(guò)程中信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的處理，在經(jīng)過(guò)層層優(yōu)化處理之后提升信號(hào)本身的功率，之后信號(hào)會(huì)被重新發(fā)送給天線。信號(hào)在被處理的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生比較大的功率，處理加工難度加大，也無(wú)形中加大了整個(gè)系統(tǒng)的電壓。在這個(gè)過(guò)程中器件的尺寸和重量較大，在一定程度上阻礙了信號(hào)的傳輸和發(fā)射。

在各類材料工藝技術(shù)的發(fā)展下，微波功率合成技術(shù)所輸出的功率不斷變大，其中，常見(jiàn)的L波段上部功率達(dá)到了千瓦的級(jí)別。在這樣的發(fā)展背景下，微波功率合成方法的研究成為一種時(shí)代發(fā)展的必然。

2 微波功率中空間功率合成技術(shù)

微波功率中空間功率合成技術(shù)是采用大直徑波束來(lái)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，使得各個(gè)單元子器件密切配合、發(fā)揮各自應(yīng)有的功能作用。

在微波功率中空間功率合成技術(shù)的作用下系統(tǒng)的消耗是傳統(tǒng)模式和有源器件的耦合性能的結(jié)合，和單元器件的個(gè)數(shù)不存在關(guān)聯(lián)，因而空間功率合成技術(shù)在應(yīng)用的時(shí)候有效解決了伴隨單元個(gè)數(shù)增加，電路合成效率不斷下降的問(wèn)題。

空間功率合成技術(shù)中的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔功率合成器是一種新型諧振系統(tǒng)，在場(chǎng)極化性質(zhì)的影響下 準(zhǔn)光學(xué)諧振腔是一種波導(dǎo)諧腔，而在衍射和移動(dòng)方面，波導(dǎo)諧腔所發(fā)揮出的作用和光學(xué)層面上的諧振腔作用相仿，在具體使用的時(shí)候，諧振腔頻率和先進(jìn)的腔距存在十分密切的關(guān)聯(lián)，為多個(gè)器件的功率合成提供了重要參考支持。

微波功率合成技術(shù)發(fā)展會(huì)涉及到芯片、電路和通信等多個(gè)方面的技術(shù)。在眾多技術(shù)形式中，芯片合成技術(shù)主要是指將多個(gè)獨(dú)立的功率在同樣一個(gè)半導(dǎo)體上進(jìn)行加工處理，在經(jīng)過(guò)加工處理之后得到較高的輸出功率。電路功率合成技術(shù)的工作頻帶比較狹窄，在場(chǎng)模式增加的影響下合成效率會(huì)被降低。

由此可見(jiàn)，空間功率合成操作之后往往能夠獲得較大的功率信息，且芯片級(jí)合成輸出功率較低，在將以上的方法進(jìn)行連接之后能夠獲得較高的輸出功率。在空間功率合成過(guò)程中傳輸線可以是微帶線或者波導(dǎo)，隔離的負(fù)載需要被安排在合成器的外部，從而解決合成器的散熱和功率容量問(wèn)題。

3 空間功率合成相控陣天線原理

空間功率合成相控陣天線在使用的時(shí)候和之前相比會(huì)得到更高的輻射功率，由此確保信號(hào)傳輸獲得更多的發(fā)展收益，表現(xiàn)為在使用的時(shí)候不僅能夠得到較高的輻射功率，而且還能夠達(dá)到理想的收益。平面相控陣天線在方位角的？漬和？茲仰角這兩個(gè)方向上能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)天線波束的相控陣掃描。假設(shè)目標(biāo)所在方向是以方向余弦 來(lái)表示，那么第（i，k）個(gè)天線單元和第（o，o）個(gè)天線之間的空間相位差如公式（1）表示。

如果天線單元方向的基本圖坐標(biāo)為f ，那么根據(jù)整個(gè)天線陣方向位置圖的乘積定理可以將天線陣的方向圖確定為E 。雷達(dá)在應(yīng)用過(guò)程中的一個(gè)主要部件是電子掃描陣列天線，電子掃描陣列天線是上百個(gè)發(fā)射器組成的。雷達(dá)在使用的時(shí)候可以利用天線陣列中的上百個(gè)輻射單元來(lái)進(jìn)行空間合成處理，從而為人們提供較大范圍內(nèi)的輻射功率，根據(jù)需要執(zhí)行和完成各種不同的任務(wù)。

4 空間功率合成的聚焦束法

聚焦束法主要是將各個(gè)天線元波束聚焦在拋物面的焦點(diǎn)上，從而使得焦點(diǎn)區(qū)域體現(xiàn)出較高的合成率。聚焦束法在應(yīng)用的時(shí)候具有天線陣直徑大、天線元眾多的特點(diǎn)。在具體設(shè)計(jì)的時(shí)候需要充分考慮天線陣的大小、輻射頻率和各個(gè)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。結(jié)合天線的布局安排可通過(guò)改變各個(gè)元天線的電流關(guān)系提升頻率參數(shù)。

在聚焦波束不斷向上傳輸?shù)臅r(shí)候，波束的寬度變狹窄，在轉(zhuǎn)變的時(shí)候能量會(huì)日趨集中。在這個(gè)過(guò)程中為了避免易感層高度上大氣擊穿氣體，在布局安排 時(shí)候需要將各個(gè)射束疊合功率密度設(shè)置為低于易感層相互擊穿的功率密度。理想狀態(tài)下聚焦天線陣列設(shè)計(jì)需要滿足如公式（2）、（3）、（4）的約束條件，公式（2）代表的是在目標(biāo)高度Zr所處軸線上鎖產(chǎn)生的能流G（0，Zs）不能夠小于指定最小能流Gr，從而確保實(shí)現(xiàn)打擊目標(biāo)所需要的能流動(dòng)。在公式（3）中d代表是能流衰減為軸線上數(shù)值1/e時(shí)的橫向直徑大小，L是目標(biāo)高度上要求的殺傷直徑，直徑大小影響輻射區(qū)域范圍內(nèi)覆蓋打擊的目標(biāo)。

5 空間功率合成的交叉束法

空間功率合成的交叉束法具體是指從多個(gè)角度、多個(gè)頻率、多個(gè)方向來(lái)研究出同一種頻率但是波束不同的研究方法。在具體應(yīng)用的時(shí)候通過(guò)控制各個(gè)射束的相位關(guān)系能夠得到一種較高頻率和更關(guān)聯(lián)的射束相位關(guān)系，增強(qiáng)在交叉區(qū)域范圍內(nèi)的功率指標(biāo)。

高斯口面場(chǎng)分布呈現(xiàn)出的是一種對(duì)稱的關(guān)系，變動(dòng)方程解的表達(dá)形式如公式（5）所示。

微波頻率處于6GHz時(shí)不同目標(biāo)高度上束半徑和反射束腰之間的變化關(guān)系如圖1所示，從整個(gè)圖中可以發(fā)現(xiàn)，束縛的高低和波束能量的傳遞存在密切的關(guān)聯(lián)，而在經(jīng)過(guò)密切觀察之后，只有束縛達(dá)到150m的時(shí)候，整個(gè)束縛的直徑和長(zhǎng)度大小變得和諧，這種狀態(tài)下所傳遞的能量最為理想。

在多波束傳播的時(shí)候，假設(shè)單元天線口面場(chǎng)呈現(xiàn)出高斯分布的狀態(tài)，束腰在半徑為3m的時(shí)候，微波頻率為GHz都會(huì)呈現(xiàn)在平面波前。兩個(gè)測(cè)試站的間隔距離越大，光斑區(qū)域范圍內(nèi)所形成的規(guī)則干涉條紋數(shù)量就會(huì)增多，特別是在間隔距離達(dá)到50m的時(shí)候，區(qū)域范圍內(nèi)的干涉條紋就會(huì)變得十分密集。經(jīng)過(guò)上文的分析可以發(fā)現(xiàn)，交叉束的方法是提升整個(gè)系統(tǒng)操作頻率的重要方式，在具體應(yīng)用操作的時(shí)候考慮整個(gè)波束的網(wǎng)狀分布情況，還需要相關(guān)人員具體問(wèn)題具體分析，結(jié)合實(shí)際情況來(lái)采取有效的措施來(lái)優(yōu)化波束網(wǎng)的布局安排。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高功率微波物理產(chǎn)生機(jī)制以及器件工藝結(jié)構(gòu)的限制，各種類型微波源都有其功率的限制，因此，在領(lǐng)域范圍內(nèi)研究人員開(kāi)始探索基于波導(dǎo)的微波毫米波空間功率合成技術(shù)。在微波功率合成的過(guò)程中，空間功率合成技術(shù)和通道功率合成技術(shù)相比存在較大的優(yōu)勢(shì)，文章在闡述微波功率合成內(nèi)涵和研究意義的基礎(chǔ)上，從空間功率合成相控陣天線、空間功率合成的聚焦束法、空間功率合成的交叉束法幾個(gè)方面具體分析微波功率合成技術(shù)的應(yīng)用，旨在能夠更好的發(fā)揮出微波功率合成技術(shù)在社會(huì)發(fā)展中的應(yīng)用。

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