Ku频段宽带高效功率合成放大器研究

论文摘要

随着卫星通信技术的发展和市场的不断扩大,对于宽带、高效的大功率固态功放的需求与日俱增。在目前单个微波固态器件的输出功率无法满足系统需求的情况下,常常需要采用功率合成技术将多个固态器件集成在一个功率合成放大器中来获得满足系统需求的大功率输出。为了获得更高的合成效率和更多固态器件的集成,当前功率合成技术的研究热点已经由传统的平面电路合成方式转移到空间功率合成方式上来。近年来,空间功率合成技术蓬勃发展,合成方式也多种多样,具有代表性的如:准光合成、波导内合成、开槽波导合成、径向波导合成、链式合成等等。本文的工作目标就是在全面分析目前的各种空间功率合成的基础上,提出几种可以满足实际工程应用需要的Ku频段宽带、高效、多路的空间功率合成方案,并研制出相应的Ku频段宽带、高效、大功率功率合成放大器,解决Ku频段卫星通信系统中的大功率输出难题。本论文的主要工作成果为:1.提出了一种Ku频段宽带、高效的四路空间功率分配/合成网络,它是采用Ku频段宽带波导E-T分支连接两个Ku频段减高波导-微带00双探针过渡的方式,在完成波导-微带过渡的同时实现了四路功分。通过加工实测,这个四路功率合成网络可以工作在整个Ku频段（12GHz-18GHz）内,效率大于94%;接着利用此网络和功率MMIC推动功率FET的两级放大电路形式,完成了Ku频段四路功率合成放大器的研制,在15.7GHz-16.2GHz频率范围内,最大输出功率可达46.19dBm（41.6W）,合成效率可达78.2%;最大功率附加效率16.6%,所需直流功率237W-250W。此Ku频段功率合成放大器输出功率大、结构简单、热沉好并且体积小,可以做为单个功率合成放大器,也可做为功率模块使用。2.在Ku频段四路功率合成放大器研制工作的基础上,将两个这样的功率合成放大器做为功率模块,通过外部波导E-T分支功率分配/合成器,完成了基于功率模块结构的功率合成放大器的研制,在15.7GHz-16.2GHz频段内实现了大于70W的功率输出,同时,再一次证明了此前设计的Ku频段四路功率合成放大器良好的模块化性能。3.提出了一种Ku频段宽带、高效的八路空间功率分配/合成网络,它是采用Ku频段宽带波导E-T分支连接两个Ku频段减高波导-微带四探针过渡的方式,在完成波导-微带过渡的同时实现了八路功分。通过加工实测,这个八路功率合成网络可以工作在整个Ku频段（12GHz-18GHz）内,效率大于83%;接着,利用此网络和国产功率MMIC,研制了Ku频段宽带八路功率合成放大器,13GHz-16.5GHz频率范围内最高连续波输出功率可达45.6dBm（36W）,最大合成效率83.8%,最高附加效率16.8%,直流功耗小于200W。此功率合成放大器具有带宽宽、效率高、结构紧凑、易加工,良好的热沉等优点,完全可以满足实际工程需要。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 功率合成放大器简介
• 1.2.1 功率合成放大器基本结构
• 1.2.2 功率合成放大器关键技术参数
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 研究内容与章节安排
• 第二章 功率合成应用中的传输线过渡分析
• 2.1 波导-微带过渡
• 2.2 波导-微带E 面探针过渡
• 2.2.1 波导-微带探针过渡理论
• 2.2.2 波导-微带E 面180°双探针过渡
• 2.2.3 波导-微带E 面0°双探针过渡
• 2.2.4 波导-微带E 面四探针过渡
• 2.3 合成效率分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 KU 频段70W 功率合成放大器
• 3.1 Ku 频段宽带四路功率合成网络研究
• 3.1.1 波导功分器
• 3.1.1.1 Ku 频段波导E 面定向耦合器
• 3.1.1.2 宽带波导E-T 分支
• 3.1.2 减高波导-微带0双探针宽带过渡
• 3.1.3 宽带四路功率合成网络的实现
• 3.2 功率放大电路研究
• 3.2.1 器件和基片的选择
• 3.2.2 偏置电路设计
• 3.2.3 放大电路的实现
• 3.3 Ku 频段四路功率合成放大器的实现
• 3.4 基于功率模块结构的70W 功率合成放大器
• 3.4.1 总体方案
• 3.4.2 外部波导功分器
• 3.4.3 功率模块
• 3.4.4 70W 功率合成放大器的实现
• 3.5 本章小结
• 第四章 KU 频段宽带八路功率合成放大器
• 4.1 方案设计
• 4.2 Ku 频段宽带八路功率合成网络的研究
• 4.2.1 减高波导-微带四探针过渡
• 4.2.2 宽带八路功率合成网络的实现
• 4.3 Ku 频段宽带八路功率合成放大器的实现
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论及未来工作展望
• 5.1 本论文的主要工作和创新点
• 5.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果