基于波导的紧凑型功率合成技术研究

论文摘要

近年来,随着无线通信技术的迅速发展,对功率放大器的带宽、效率以及输出功率的要求也与日俱增。然而固态功率器件受自身半导体物理特性的影响以及加工工艺、散热、阻抗匹配等问题的限制,其输出功率非常有限,而且工作频率越高,单芯片输出功率水平越低。因此,人们采用多个固态功率器件进行功率合成,有效提高功率放大系统的输出功率。本论文在传统的准光功率合成技术和波导基空间功率合成技术的基础上,提出了几种新型的基于波导（包括基片集成波导）的紧凑型功率合成方案,并进行了理论分析、全电磁仿真以及实验测试。本论文的主要工作成果如下:1.提出了新型的探针式鳍线-微带线耦合单元,基于该耦合单元提出了结构紧凑的单层和双层鳍线功率合成方案。该方案利用PCB工艺把鳍线、微带耦合探针以及微带线集成在同一块基片上,使整个合成器的结构非常简单,而且合成效率高,适合批量生产。2.结合微带探针和鳍线电容窗结构,提出了宽带鳍线行波耦合单元,并在此基础上提出了宽带鳍线行波功率合成方案,其设计重点在于利用附加蛇形微带线进行支路的相位调整,仿真和测试结果表明,在较宽频带内能够进行行波功率合成,而且获得了较高的合成效率。3.提出了一种新型的基于线性渐变对极鳍线的波导-基片集成波导（SIW）转换器。该转换器利用简单的线性渐变对极鳍线把电场方向扭转90°,实现波导与SIW之间的转换,并利用此转换器设计了四路紧凑型SIW功率合成器,仿真和测试结果表明在很宽的频带内都能获得较高的合成效率。4.提出了横向开槽波导功率合成方案。该方案把介质基片的底层铜箔直接作为波导的宽边,利用PCB（Printed Circuit Board）工艺把波导宽边、波导横向开槽以及耦合微带线集成在同一块介质基片上,解决了传统纵向开槽波导功率合成器需要复杂加工和精确装配的问题。另外为了解决标准波导与基片铜箔构成的波导之间的连接问题,提出了新型的波导宽边连接器,利用在基片上直接构成的扼流槽实现两者之间良好的电接触。5.提出了新型的SIW-双微带线转换器,并结合渐变波导功分结构,提出了新型宽带四路和八路功率合成方案。该功率合成方案利用渐变波导功分结构实现输入功率的多路分配,再利用双微带线转换器倍增合成支路的数量,整个功率合成器结构紧凑,散热性能好,合成效率高。6.提出了新型的双脊波导-微带转换器,利用此转换器提出了单面双脊波导功率合成方案和结构更紧凑的双面双脊波导功率合成方案,并进行了仿真和测试,在较宽的频带内获得了较高的合成效率。7.利用波导横向开槽,提出了结构紧凑的双面开槽波导功率合成方案。该方案用两层基片铜箔构成波导的两个宽边,在每层铜箔上开一条槽,分别与两条微带线发生耦合,最终实现四路功率合成,整个合成器的结构紧凑,加工和装配简单,合成效率高。8.提出了基于SIW的全平面四路和八路功率合成方案,仿真和测试结果表明其带宽较宽、合成效率较高,适合批量生产。9.提出了基于双探针波导-微带转换器的功率合成方案,该方案具有合成效率高、散热性能好的特点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状与分析
• 1.3 论文结构及内容安排
• 第二章 功率合成的相关理论
• 2.1 功率合成器合成效率及最大合成效率的获取条件
• 2.1.1 功率合成器合成效率
• 2.1.2 合成效率的影响因素
• 2.1.3 最大合成效率的获取条件
• 2.1.4 合成器输入信号幅度和相位的离散性对合成效率的影响
• 2.2 功率合成器的拓扑结构与合成效率的关系
• 2.3 功率合成器的失效支路对输出功率的影响
• 2.4 功率合成器中插入损耗对合成效率和电源附加效率的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于开槽波导和双探针结构的功率合成技术研究
• 3.1 开槽波导分析方法
• 3.1.1 矩形波导主模（TE10 模）及表面电流
• 3.1.2 开槽波导分析
• 3.2 纵向开槽波导功率合成技术研究
• 3.2.1 纵向开槽波导四路功分器等效电路
• 3.2.2 纵向开槽波导四路功率合成器设计
• 3.3 横向开槽波导功率合成技术研究
• 3.3.1 横向开槽波导四路功分器等效电路
• 3.3.2 新型波导宽边连接器
• 3.3.3 横向开槽波导（微带线倾斜）四路功率合成器设计
• 3.3.4 横向开槽波导（开槽倾斜）四路功率合成器设计
• 3.4 双面横向开槽波导功率合成技术研究
• 3.5 基于双探针结构的功率合成技术研究
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于鳍线的功率合成技术研究
• 4.1 基于单层鳍线的功率合成技术研究
• 4.1.1 鳍线-微带探针耦合器
• 4.1.2 基于探针式鳍线-微带耦合单元的四路功分器等效电路
• 4.1.3 基于探针式鳍线-微带耦合单元的四路功率分配/合成器设计
• 4.1.4 基于探针式鳍线-微带耦合单元的八路功率分配/合成器设计
• 4.2 基于双层鳍线的功率合成技术研究
• 4.2.1 双层鳍线耦合器
• 4.2.2 基于双层鳍线的八路功分器等效电路
• 4.2.3 基于双层鳍线耦合器的八路功率分配/合成器设计
• 4.3 基于鳍线的行波功率合成技术研究
• 4.3.1 行波功率合成理论
• 4.3.2 鳍线行波耦合单元
• 4.3.3 行波功分/合成器各支路的相位匹配
• 4.3.4 基于鳍线的四路行波功率合成器设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于脊波导-微带转换器的功率合成技术研究
• 5.1 双脊波导-微带转换器设计
• 5.2 单面双脊波导四路功率合成器设计
• 5.3 双面双脊波导四路功率合成器设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于基片集成波导（SIW）的功率合成技术研究
• 6.1 SIW 工作模式及传输特性
• 6.1.1 SIW 传播模式
• 6.1.2 SIW 建模与设计
• 6.1.3 SIW 等效宽度及截止频率
• 6.1.4 SIW 损耗
• 6.2 SIW-双微带线转换器
• 6.3 平面SIW 功率合成技术研究
• 6.3.1 平面SIW 四路功率合成器设计
• 6.3.2 平面SIW 八路功率合成器设计
• 6.4 基于渐变波导和SIW 的功率合成技术研究
• 6.4.1 基于渐变波导和SIW 的四路功率合成器设计
• 6.4.2 基于渐变波导和SIW 的八路功率合成器设计
• 6.5 基于对极鳍线式波导-SIW 转换器的功率合成技术研究
• 6.5.1 新型对极鳍线式波导-SIW 转换器
• 6.5.2 双对极鳍线式波导-SIW 转换器
• 6.5.3 基于双对极鳍线式波导-SIW 转换器的四路功率合成器设计
• 6.6 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 本文的主要工作和创新点
• 7.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果