微波功率合成方法分析

于春永

摘? 要：伴隨我國航天測控、電子偵查、雷達通信技術的快速發展，傳統的功率技術已經無法滿足各個行業的使用需要。微波功率合成是技術發展支持下出現的一種新型加熱方式，在提升設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涵和意義的基礎上，根據微波功率合成機理，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，并模擬計算了聚焦束和交叉束在較遠距離上的能量密度，充分驗證微波空間功率合成能夠有效增強較遠距離的能力密度。

關鍵詞：微波功率;空間功率合成;天線

中圖分類號：TN73? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：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

微波功率合成技術具體分為通道功率合成技術和空間功率合成技術兩種形式，通道功率合成采用微波器件，在設備微波通道中獲取相應的合成功率，但是這種合成技術形式所獲取的合成功率是十分有限的。文章結合微波功率合成基本內涵的基礎上，從空間功率角度出發，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題進行探究。

1 微波功率合成概述

1.1 內涵

微波功率合成主要是指為了能夠提升微波固態振蕩器輸出功率而應用多個振蕩源輸出功率合成的技術形式。微波功率合成的主要方法包含以下兩種：（1）將多個振蕩二級管安裝在同一個微波諧振腔中，從而能夠實現對各個器件功率輸出的合成操作。（2）微波功率合成操作能夠將多個振蕩器通過多種形式的外電路進行耦合處理，從而增強個各個功率應用的安全性和穩定性。

1.2 研究意義

新時期，人們對無線電發送設備的使用提出了更高的要求，即無線電設備要能夠實現遠距離的信息傳輸。在信息傳輸過程中信號會經過一系列復雜的處理，在經過層層優化處理之后提升信號本身的功率，之后信號會被重新發送給天線。信號在被處理的時候會產生比較大的功率，處理加工難度加大，也無形中加大了整個系統的電壓。在這個過程中器件的尺寸和重量較大，在一定程度上阻礙了信號的傳輸和發射。

在各類材料工藝技術的發展下，微波功率合成技術所輸出的功率不斷變大，其中，常見的L波段上部功率達到了千瓦的級別。在這樣的發展背景下，微波功率合成方法的研究成為一種時代發展的必然。

2 微波功率中空間功率合成技術

微波功率中空間功率合成技術是采用大直徑波束來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，使得各個單元子器件密切配合、發揮各自應有的功能作用。

在微波功率中空間功率合成技術的作用下系統的消耗是傳統模式和有源器件的耦合性能的結合，和單元器件的個數不存在關聯，因而空間功率合成技術在應用的時候有效解決了伴隨單元個數增加，電路合成效率不斷下降的問題。

空間功率合成技術中的準光學諧振腔功率合成器是一種新型諧振系統，在場極化性質的影響下 準光學諧振腔是一種波導諧腔，而在衍射和移動方面，波導諧腔所發揮出的作用和光學層面上的諧振腔作用相仿，在具體使用的時候，諧振腔頻率和先進的腔距存在十分密切的關聯，為多個器件的功率合成提供了重要參考支持。

微波功率合成技術發展會涉及到芯片、電路和通信等多個方面的技術。在眾多技術形式中，芯片合成技術主要是指將多個獨立的功率在同樣一個半導體上進行加工處理，在經過加工處理之后得到較高的輸出功率。電路功率合成技術的工作頻帶比較狹窄，在場模式增加的影響下合成效率會被降低。

由此可見，空間功率合成操作之后往往能夠獲得較大的功率信息，且芯片級合成輸出功率較低，在將以上的方法進行連接之后能夠獲得較高的輸出功率。在空間功率合成過程中傳輸線可以是微帶線或者波導，隔離的負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候和之前相比會得到更高的輻射功率，由此確保信號傳輸獲得更多的發展收益，表現為在使用的時候不僅能夠得到較高的輻射功率，而且還能夠達到理想的收益。平面相控陣天線在方位角的？漬和？茲仰角這兩個方向上能夠同時實現天線波束的相控陣掃描。假設目標所在方向是以方向余弦 來表示，那么第（i，k）個天線單元和第（o，o）個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為f ，那么根據整個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 。雷達在應用過程中的一個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發射器組成的。雷達在使用的時候可以利用天線陣列中的上百個輻射單元來進行空間合成處理，從而為人們提供較大范圍內的輻射功率，根據需要執行和完成各種不同的任務。

4 空間功率合成的聚焦束法

聚焦束法主要是將各個天線元波束聚焦在拋物面的焦點上，從而使得焦點區域體現出較高的合成率。聚焦束法在應用的時候具有天線陣直徑大、天線元眾多的特點。在具體設計的時候需要充分考慮天線陣的大小、輻射頻率和各個點的關聯關系。結合天線的布局安排可通過改變各個元天線的電流關系提升頻率參數。

在聚焦波束不斷向上傳輸的時候，波束的寬度變狹窄，在轉變的時候能量會日趨集中。在這個過程中為了避免易感層高度上大氣擊穿氣體，在布局安排 時候需要將各個射束疊合功率密度設置為低于易感層相互擊穿的功率密度。理想狀態下聚焦天線陣列設計需要滿足如公式（2）、（3）、（4）的約束條件，公式（2）代表的是在目標高度Zr所處軸線上鎖產生的能流G（0，Zs）不能夠小于指定最小能流Gr，從而確保實現打擊目標所需要的能流動。在公式（3）中d代表是能流衰減為軸線上數值1/e時的橫向直徑大小，L是目標高度上要求的殺傷直徑，直徑大小影響輻射區域范圍內覆蓋打擊的目標。

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角度、多個頻率、多個方向來研究出同一種頻率但是波束不同的研究方法。在具體應用的時候通過控制各個射束的相位關系能夠得到一種較高頻率和更關聯的射束相位關系，增強在交叉區域范圍內的功率指標。

高斯口面場分布呈現出的是一種對稱的關系，變動方程解的表達形式如公式（5）所示。

微波頻率處于6GHz時不同目標高度上束半徑和反射束腰之間的變化關系如圖1所示，從整個圖中可以發現，束縛的高低和波束能量的傳遞存在密切的關聯，而在經過密切觀察之后，只有束縛達到150m的時候，整個束縛的直徑和長度大小變得和諧，這種狀態下所傳遞的能量最為理想。

在多波束傳播的時候，假設單元天線口面場呈現出高斯分布的狀態，束腰在半徑為3m的時候，微波頻率為GHz都會呈現在平面波前。兩個測試站的間隔距離越大，光斑區域范圍內所形成的規則干涉條紋數量就會增多，特別是在間隔距離達到50m的時候，區域范圍內的干涉條紋就會變得十分密集。經過上文的分析可以發現，交叉束的方法是提升整個系統操作頻率的重要方式，在具體應用操作的時候考慮整個波束的網狀分布情況，還需要相關人員具體問題具體分析，結合實際情況來采取有效的措施來優化波束網的布局安排。

6 結束語

綜上所述，高功率微波物理產生機制以及器件工藝結構的限制，各種類型微波源都有其功率的限制，因此，在領域范圍內研究人員開始探索基于波導的微波毫米波空間功率合成技術。在微波功率合成的過程中，空間功率合成技術和通道功率合成技術相比存在較大的優勢，文章在闡述微波功率合成內涵和研究意義的基礎上，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方面具體分析微波功率合成技術的應用，旨在能夠更好的發揮出微波功率合成技術在社會發展中的應用。

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