基于波導的空間功率合成技術研究進展*

姚 波 安士全

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

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基于波導的空間功率合成技術研究進展*

姚 波 安士全

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

基于波導的空間功率合成技術是解決微波高頻段固態大功率合成的一種有效技術。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點,因此成為微波高頻段大功率合成系統的首選。論文介紹了基于波導的空間功率合成技術的需求,分析了基于波導的空間功率合成技術的幾種方式,闡述了該技術的發展現狀,并對基于波導的空間功率合成技術的發展提出了建議。

波導; 空間功率合成; 微波; 功率

Class Number TP391

1 引言

當前,雷達、高能微波輻射武器、微波通信等電子設備逐漸向高頻率、大功率、微型化方向發展。微波固態功率系統作為這些電子設備的主要部分,其發展狀態已經成為電子設備發展的一個瓶頸。一般情況下,單個器件的功率不能滿足系統要求,因此需要將多個功率器件進行功率合成。但隨著工作頻率的提高,功率合成變的越來越難以實現,特別是在高頻微波領域,目前占主導地位的平面功率合成技術已經不能滿足需要,空間功率合成技術已成為發展迅速的方向[1]。

針對以上問題,本文將就目前發展比較成熟的矩形波導、開槽波導、同軸波導等三種基于波導的空間功率合成技術目前在國內外的發展現狀及應用前景進行分析闡述。

2 現代雷達對微波功率系統的新要求

微波功率系統(發射機或有源相控陣雷達中的T/R組件)是雷達系統的重要組成部分,其性能指標對雷達系統的威力有決定性影響。隨著現代軍事理論和軍事裝備的不斷更新,現代雷達對于微波功率系統提出了以下新的需求。

2.1 更高的輸出功率

根據雷達的工作原理,雷達所能探測到的最遠距離決定于雷達的功率孔徑積(發射機平均功率和天線孔徑面積的乘積)。因此,雷達要想探測更遠距離的目標,提供足夠的預警時間就必須提高其功率孔徑積。為此可以通過擴大天線尺寸的方式來實現,即擴大天線的孔徑的物理面積或增加功率組件的數量,但這種方式極大地增加了雷達制造與使用成本,有些天線的尺寸已經到了極限,當前正在發展的各種分布式武器平臺的雷達其孔徑是嚴格受限制的,如機載雷達、星載雷達和彈載雷達等,這種情況下只能通過提高雷達發射信號的輸出功率的方法才能實現預期目標。

2.2 提高工作頻率及帶寬

提高雷達的工作頻率,可以提高雷達的分辨率,提高其工作帶寬和瞬時信號帶寬,對實現低截獲概率(LPI)雷達,提高雷達發射信號的反偵察能力和抗干擾能力,實現雷達高分辨率測量與目標成像識別具有重要意義。另外,現代雷達將向多功能一體化、集成化方向發展,雷達不僅需要具有預警探測功能,還應具有電子對抗、通信、導航等功能,因此要求雷達微波功率系統拓展工作頻帶寬度,具有多頻段工作能力。

2.3 進一步縮小體積、減輕重量

雷達發射機的重量一直在雷達系統中占據很大的比重。因此,雷動發射機的體積縮小、重量減輕帶來的直接影響就是雷達的機動性增強,生存能力提高。對機載、星載、彈載等平臺下的雷達來說,雷達發射機的體積、重量對雷達系統的意義更是至關重要,甚至關系整個系統的性能指標。

2.4 進一步提高總效率

雷達功耗的大部分是在雷達微波功率系統上,發射機效率越低,耗散功率越高,用于對發射機進行冷卻設備的要求相應就越高。因此,發射機的效率直接影響著雷達設備的成本。另外,在載荷提供能量受限的情況下,如星載、機載平臺,提高效率有助于提高發射輸出功率,從而增強雷達探測能力和機動性、可靠性。

2.5 提高環境適應能力

隨著科技的發展,越來越復雜的戰場電子環境和機載、星載、彈載等各種雷達平臺的出現,都對雷達的環境適應能力提出了越來越高的要求。

3 基于波導的空間功率合成技術的特點

空間功率合成技術是利用多個天線單元發射頻率相同、相位符合特定關系的電磁波,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[1]。相比于平面微帶電路合成方式,基于波導的空間功率合成技術的特點可以歸納為以下幾個方面:

1) 更適合高工作頻率。基于波導的空間功率合成技術相比平面電路合成技術,其優點在高頻段更明顯,在低頻段由于平面電路的插損比較小、更容易實現,更具優勢。

2) 合成功率大。在進行多個功率器件合成時,由于基于波導的空間功率合成技術的合成效率不隨器件的增加而降低,其優勢更能體現出來。

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,而基于波導的空間功率合成技術沒有使用傳輸線,合成效率跟頻率關系不大,合成效率優勢明顯。

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

4 基于波導的空間功率合成技術的發展現狀

4.1 開槽波導空間功率合成技術

開槽波導功分器按能量在波導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,可在波導終端填充微波吸收材料,避免在波導內形成駐波,耦合槽的位置沒有特別要求;在駐波工作方式下,波導終端短路,能量在波導中呈駐波分布,耦合槽應開在電場的波腹位置。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能夠應用在高達220GHz的頻段,但頻帶較窄;其最大的優點是因為采用了輸出端器件直接合成從而合成效率較高,另外結構簡單、緊湊,能夠有效散熱。

圖1 X波段開槽波導空間功率合成器

美國學者Amir Mortazawi帶領的團隊在2000和2003年分別研制成功了頻率在X波段14W和Ka波段2W諧振型開槽波導固態功率合成器,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空間功率合成技術,實現了Ka波段2W的功率合成,合成效率80%。如圖2所示。

開槽波導空間功率合成技術合成效率較高,但也有其局限性:帶寬較窄,諧振式開槽波導空間功率合成器相對帶寬一般不超過5%;仿真設計隨合成器路數的增多,工作量也相應增加;加工工藝比較復雜,加工精度和微組裝要求較高,尤其對行波式合成器需要加入金屬銷釘的情況。

圖2 Ka波段行波式開槽波導功率合成器

4.2 矩形波導空間功率合成技術

矩形波導空間功率合成技術最早在1997年由A.Alexanian和R.A.York提出,在X波段采用基于規則矩形波導的2×4的MMIC功放陣列,實現2.4W的連續波合成輸出功率,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隊又進行了波導內空間功率合成技術的相關研究,并進行了改進,相繼提出了規則矩形波導、擴展尺寸矩形波導和擴展同軸線內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功放陣列實現了高達120W的連續波功率輸出,工作頻段8GHz～11GHz[2～3]。2003年Mekki Belaid等將EBG(電磁禁帶)結構與波導內空間功率合成技術相結合,在Ku波段研制實現的功率合成器,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

矩形波導空間功率合成技術具有系統合成效率較高,帶寬較寬,結構簡單,設計靈活,易于小型化等優點,較好地彌補了傳統電路功率合成技術和自由空間功率合成技術的不足。作為最早提出和實現的波導空間功率合成方式,有力地推動了大功率、寬帶微波毫米波功放的研制,和基于波導的空間功率合成技術的發展,促進了微波毫米波系統固態化的發展。

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

在更高頻段內,如何突破波導尺寸的限制是需要解決的關鍵問題之一。因此,如何在更高頻段實現較高的可用功率合成輸出,是目前主要的研究方向。同時,該技術的相關理論體系還遠未完善,很多方面需要進行更深入的研究。

4.3 同軸波導空間功率合成技術

以上兩種空間功率合成方式的電磁波信號都是工作在波導中的TE模,因此其帶寬受到一定限制。同軸波導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,最大的優點就是其帶寬可以做得非常寬。

最早開始做同軸波導功率合成的是CAP Wireless公司,2003年由其主要技術人員Pengcheng Jia研究了一種采用過模同軸波導對32個單元進行功率合成,波導到微帶的轉換采用鰭線結構實現,所有有源放大單元沿同軸波導徑向排列,其合成后的輸出功率達44W,帶寬從6GHz～14GHz合成效率為75%,2005年PhD.Jia又完成了在2GHz～20GHz帶寬內輸出功率5W～10W的一個同軸波導功率合成系統。目前該公司將GaN器件用于同軸波導空間功率合成。如圖4所示。

圖4 同軸波導空間功率合成照片

4.4 幾種不同空間功率合成技術方式的比較

表1 幾種不同空間功率合成技術方式比較

5 基于波導的空間功率合成技術的發展趨勢

基于波導的空間功率合成技術經過數十年的研究,目前在理論和具體實踐上都已經比較成熟,但是還沒有達到可以大規模應用的地步。從以前的發展過程來看,未來波導空間功率合成技術將呈現以下發展趨勢:

1) 頻率越來越高,功率越來越大。隨著波導空間功率合成技術的不斷成熟,合成器未來的重點將從目前的X、Ku波段轉移到更高的毫米波領域;隨著在X、Ku及Ka波段及更高頻段功率晶體管的發展,合成的功率也會越來越大。

2) 多種合成方式相融合。根據實際應用條件,采取多種合成方式進行相互融合,取長補短,互為補充是可行的選擇。

3) 高效率設計。在實際空間功率合成中,由于陣元相位誤差、時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到最大。通過相位-幅度聯合調整的方法減小通道幅相誤差,達到合成效率的高效率是一件很有意義的研究。

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

6 結語

隨著雷達、電子對抗、通訊、高能微波武器等電子設備的發展,對微波毫米波固態高功率系統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備一直追求的發展方向。基于波導的空間功率合成技術為此提供了很好的高頻大功率信號輸出解決方案。

國內在2007年之前,電子科技大學、南京理工大學等高校對于波導空間功率合成技術開展了大量的理論和實驗研究[5～6],在工程應用方面,中國電科10所、38所、55所等單位已經成功研制了一些可以工程應用的空間功率產品,如2010年中國電科第十研究所黨章在Ku波段實現了80W的空間功率合成[7],2012年電子科技大學王正偉在毫米波段實現了10W的空間功率合成[8]。雖然這些研究相比國外而言還有些差距,但是可以預見,隨著其技術的不斷發展和完善,相信其應用領域會不斷擴展,給我國的國防科技和民用科技的進步帶來巨大的推動。

[1] 張光義,王炳如.對有源相控陣雷達的一些新要求與寬禁帶半導體器件的應用[J].現代雷達,2005,27(2):1-4.

[2] A. Alexanian, R. A. York. Broadband waveguide-based spatial combiner. IEEE MTT-S Int[J]. Microwave Symp. Dig.,1997,3:1139-1142.

[3] N.-S. Cheng, P. Jia, D. B. Rensch, et al. A 120-W X-band spatially combined solid-state amplifier[J]. IEEE Trans. Microwave Theory Tech.,1999,47:2557-2561.

[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.基于波導的微波毫米波空間功率合成技術研究[D].成都:電子科技大學,2007:103-105.

[7] 黨章,黃建.Ku頻段80W連續波空間功率合成放大器設計[J].微波學報,2010(2):64-69.

[8] 王正偉,何備等.毫米波10W連續波空間功率合成放大器設計[J].微波學報,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

國防預研資助項目;國家自然科學基金項目(編號:51205375)資助。

姚波,男,工程師,研究方向:雷達電子技術。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.022