一種基于全息術的毫米波準光功率合成技術

高偉亮，陳必然，夏棟

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

一種基于全息術的毫米波準光功率合成技術

高偉亮1，陳必然2，夏棟1

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

提出一種基于全息術的毫米波準光功率合成技術，給出系統的詳細技術實現方案，介紹毫米波準光并行仿真軟件。關鍵詞：全息術；毫米波；準光功率合成

0 引言

近年來，在毫米波/亞毫米波器件和電路技術取得快速進展的推動下，短毫米波和亞毫米波頻段的開發和應用逐漸開始受到關注，如毫米波星間鏈路、空地導彈末制導毫米波主動導引頭、毫米波接力通信、毫米波電子戰系統、THz成像、THz測量和射電天文觀測，實現這些應用主要瓶頸問題是如何得到具有足夠功率、頻率穩定、工作可靠的發射功率源。

目前常用的功率合成技術有電路合成、空間功率合成和準光功率合成3種。基于平面傳輸線的電路合成具有設計和加工簡單的優點，但由于傳輸線損耗大，合成效率隨著合成器件數的增加急劇下降?；诰匦谓饘俨▽У碾娐泛铣杉嬗衅矫骐娐泛铣珊涂臻g功率合成的優點。但功分/合成網絡復雜，加工難度大，損耗隨著頻率升高和合成器件數量增加迅速上升，導致難以實現更多固態器件功率合成，更高毫米波頻段由于單個器件功率降低同時合成效率顯著下降，難以實現較大功率輸出，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，實現功率合成。具有低損耗特性，合成效率高，并且合成器件數量增加時合成效率能基本保持不變。但是為了避免陣列產生柵瓣而導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波長，最大不能超過一個波長，這導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，由于波長已經小于典型的功率器件尺寸，將使空間功率合成難以實現。

準光功率合成采用準光學系統實現功率的分配與合成，典型技術方案的是采用基于全息術原理的準光功分/合成器。通過介質片制作的周期性相位柵格，可以使多個等幅同相激勵的固態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現功率合成?；跍使鈧鬏數目赡嫘?，同樣網絡逆向應用可實現準光功率分配。準光功率合成具有空間功率合成的低損耗特性，理論上可實現無限數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 技術實現

1.1 研究方案

采用基于全息術的準光功率合成技術原理：多個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。當用同一參考光束照射全息照片，可以完全恢復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，用各個相干光源照射全息照片，則可以產生與參考光束相同的平面波，利用天線收集平面波功率，可以實現空間功率合成。在毫米波頻段，全息術一般不能用全息照片產生幅度調制方式實現，因為幅度調制產生功率損失將使合成效率降低。但可以低損耗介質柵格來實現相位調制，對于周期分布的相干固態源，已經證明介質柵格具有同樣周期結構。其柵格圖案可以采用電磁仿真加以計算和優化，并采用普通機械加工方法制作。

1.2 技術途徑

對本項目而言，最關鍵的特性是可實現高頻、大數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、調試上易于實現?；谌⑿g準光功率合成系統見圖1。

圖1 基于全息術原理5 mm波準光功率合成系統組成

系統工作原理：60 GHz信號由喇叭天線轉換為高斯波束，經過偏饋拋物面變換為準平面波，再通過介質相位柵格，變換為5×5個波束，實現空間功率分配。每個波束被5×5接收喇叭天線陣中的一個喇叭接收后，轉換為微帶準TEM模式，經過MMICs功率放大后經喇叭天線輻射，輻射的電磁波通過介質相位柵格后，柵瓣的輻射功率被轉換到法線主瓣輻射方向，形成法線方向的準平面波實現了功率合成。準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現功率輸出。

該方案關鍵部分是介質相位柵格的設計以及拋物面天線口面、介質柵格和喇叭天線陣口面之間距離的選取，需通過電路網絡建模和計算機輔助優化設計來完成系統參數參數選取。此外，整個系統需要采用電磁仿真方法進行設計驗證和系統性能預測評估，涉及大量電磁建模和仿真工作。

2 軟件設計

圖2～圖6是毫米波準光并行仿真軟件主要界面。

圖2 優化界面

圖3 關閉界面

圖4 格里高利天線設計

圖5 最佳增益角設計

采用毫米波準光并行仿真軟件，該軟件與GMES（全波FDTD算法）、FEKO（物理光學與矩量法的混合算法）相比，在計算效率與成本上面具備非常突出的優勢，目前，采用本軟件在普通服務器上面，就能夠實現100λ×100λ×100λ電大尺寸準光系統的快速仿真與優化，而其他商業軟件或優化算法對此是無能為力的。

3 結論

毫米波全息準光功率合成系統具有體積小、效率高、結構緊湊、可靠性高、輸出功率大、升級改裝方便等突出優勢。因此該技術能夠大幅度地減小功率型軍用電子設備的體積、減輕重量，改善性能、提高可靠性和降低總成本，將在相控陣雷達、機載電子對抗、遠程制導、衛星通信鏈路等小型化高級軍事電子設備和宇航電子設備中得到廣泛應用。

圖6 目標場設計

［1］葛俊祥.毫米波復合式準光功率合成理論與實驗研究［J］.電子學報，1994，22（9）：81-87.

［2］謝文楷，劉盛綱.一類新型的準光學功率合成系統［J］.電子科技大學學報，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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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.55