微波毫米波功率放大技术研究综述
1赞0引言
毫米波是介于微波和光波之间非常重要的频段。通常毫米波频段是指30GHz~300GHz, 相应波长为 1mm~10mm。毫米波通信就是指以毫米波作为传输信息的载体而进行的通信。目前绝大多数的应用研究集中在几个 “大气窗口”频率和三个“衰减峰”频率上。
随着电子技术的发展,各种毫米波系统广泛应用于通讯、雷达、无线电测量、遥感、制导和无线电天文学等领域。在通信方面,现代通信系统正在向高频微波特别是毫米波频段发展。毫米波通信与传统的无线电短波、超短波和微波通信系统相比,具有不少独特之处。由于毫米波是以微波和光波左右为邻(其波长介于微波和光波之间),因此兼有微波和光波的某些优长。毫米波系统工作波长短,设备体积小,重量轻,频带宽,容量大。易做到图象、数字兼容,数模兼容。经过数十年无线电技术的发展,微波频段已经拥挤不堪。另外,相对于红外与光波系统,毫米波在传播过程中受杂波影响非常小,毫米波系统具有对烟尘、云雾等微粒具有更强的穿透性,通信比较稳定,适合于全天候工作。
1毫米波的传播特性及主要应用
由于毫米波的波长是介于微波和光波之间,其能够得到广泛的应用源于其自身的一些特性,具体说来有以下几点:
1)是一种典型的视距传输方式
毫米波属于甚高频段, 它以直射波的方式在空间进行传播, 波束很窄, 具有良好的方向性。一方面, 由于毫米波受大气吸收和降雨衰落影响严重,所以单跳通信距离较短; 另一方面, 由于频段高, 干扰源很少, 所以传播稳定可靠。因此, 毫米波通信是一种典型的具有高质量、恒定参数的无线传输信道的通信技术。
2)具有“大气窗口”和“衰减峰”
“大气窗口”是指 35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、220GHz 频段, 在这些特殊频段附近, 毫米波传播受到的衰减较小。一般说来, “大气窗口”频段比较适用于点对点通信, 已经被低空空地导弹和地基雷达所采用。而在 60GHz、120GHz、180GHz 频段附近的衰减出现极大值, 约高达 15dB / km 以上, 被称作“衰减峰”。通常这些“衰减峰”频段被多路分集的隐蔽网络和系统优先选用, 用以满足网络安全系数的要求。
3)降雨时衰减严重
与微波相比, 毫米波信号在恶劣的气候条件下, 尤其是降雨时的衰减要大许多, 严重影响传播效果。经过研究得出的结论是, 毫米波信号降雨时衰减的大小与降雨的瞬时强度、距离长短和雨滴形状密切相关。进一步的验证表明: 通常情况下, 降雨的瞬时强度越大、距离越远、雨滴越大, 所引起的衰减也就越严重。因此, 对付降雨衰减最有效的办法是在进行毫米波通信系统或通信线路设计时, 留出足够的电平衰减余量。
4)对沙尘和烟雾具有很强的穿透能力
大气激光和红外对沙尘和烟雾的穿透力很差,而毫米波在这点上具有明显优势。大量现场试验结果表明, 毫米波对于沙尘和烟雾具有很强的穿透力, 几乎能无衰减地通过沙尘和烟雾。甚至在由爆炸和金属箔条产生的较高强度散射的条件下, 即使出现衰落也是短期的, 很快就会恢复。随着离子的扩散和降落, 不会引起毫米波通信的严重中断。
毫米波主要应用于通信领域,随着科学技术的不断发展,毫米波通信技术也取得了极大的发展和长足的进步。无论是毫米波地面通信还是毫米波卫星通信,都使得毫米波的巨大作用得以凸显。毫米波地面通信系统的传统应用是接力(中继)通信。毫米波传播的大量试验表明, 利用多跳的毫米波接力(中继) 通信是可行的。为了减少风险,首先从毫米波频段的低端和厘米波频段的高端入手。在开发高频段大容量通信系统的同时, 更高频段的中、低容量短程毫米波通信设备也相继出台。
到 20 世纪 90 年代, 迎来了全球信息化的浪潮。因特网迅猛发展, 交互多媒体业务、宽带视频业务以及专用网络和无线电通信的业务量的急剧增长, 迫切需要提高传输速率、传输带宽和传输质量。用户对宽带接入的需求日益强烈, 推动了各种宽带接入网络和设备的研发, 利用毫米波的无线宽带接入技术应运而生。
毫米波卫星通信的发展也不可忽视。卫星通信在无线电通信的历史上写下了崭新的一页, 成为现代化的通信手段之一。与其他通信方式相比, 卫星通信的主要优点是::a) 通信距离远,建站成本与通信距离无关。b) 以广播方式工作, 便于实现多址连接。c)通信容量大, 能传送的业务类型多。d) 可以自发、自收、监测等。20世纪70~80年代, 卫星通信大多是利用对地静止轨道(又称同步轨道) 进行的。到 20世纪90年代以后, 利用中、低轨道的卫星通信系统纷至沓来。但是在大容量通信服务方面, 利用对地静止轨道的卫星通信系统仍然是唱主角的。据统计,20世纪90年代的10年间, 发射送入同步轨道上的通信卫星多达200颗, 其中C波段的最多,Ku波段的次之。由此带来的卫星通信频谱拥挤问题也日益突出, 向更高频段推进已成为必然趋势。
实际上早在20世纪70年代初, 就已经开始了毫米波卫星通信的实验研究。此领域大部分开发工作在美国、前苏联和日本进行。到20世纪80年代末至90年代, 除了推出继续用于范围更广、内容更多的毫米波频段实验卫星外, 开始出现了实用化的Ka波段卫星通信系统。需要指出的是, 其中许多卫星采用了一系列先进的技术, 包括多波束天线、星上交换、星上处理和高速传输等。
2功率放大器及其发展
纵然是在和平时代,军事上的需要成为推动毫米波系统发展的重要因素。目前,毫米波在雷达、制导、战术和战略通信、电子对抗、遥感、辐射测量等方面得到了更广泛的应用。其中战略通信与电子对抗就是毫米波的一个非常重要的应用方向。电子对抗是指敌对双方均利用电子设备或器材所进行的电磁斗争,电子对抗是现代信息化战争的一个重要方面,在战争中成为制胜对手的一种重要手段。
由于毫米波通信技术是以毫米波作为信息传输的载体进行通信的技术。要使得毫米波设备之间能够相互正常通信,需要对毫米波施加足够大的能量。换言之,就是需要一个功率足够大的毫米波信号发射机,才能使整个系统正常工作。作为毫米波发射系统的关键部件——功率放大器,其输出功率大小直接决定了发射机作用距离、抗干扰能力及通信质量。电真空器件能提供很大的输出功率,但是电真空器件体积大,制作困难,供电电压高。毫米波固态功率放大器具有体积小、重量轻、电源电压低、寿命长等优点,这使其在雷达、通信和电子对抗系统中得到广泛应用。
随着微波器件和微波固态功率放大技术的发展和提高,促使人们开始考虑如何通过采用微波固态器件和技术来实现微波频段的高功率输出,以利用固态器件的优点来提高雷达发射机的性能。因此至90年代以来,世界各国纷纷投入巨资来研制高功率微波固态功率放大器:
1)1990年加拿大研制成功了5KW S波段SSPA(固态功放),50μs脉宽,10%占空比,由16个400W HPA(高功率放大单元)合成,工作频带为2.7~3.1GHz,30%效率。
2)1993年美国设计了12KW的s波段SSPA,工作频率为2.7~2.9GHz,脉宽为100μs,10%占空比,29dB增益;由56个300W HPA合成,每个HPA工作频率为2.7~2.9GHz,增益为17dB,效率为26%。
3)1995年美国开发出S波段22KW的SSPA,其由50个500W的HPA单元功率合成而成,每个HPA由4个150W B3T功率管合成,采用径向合成结构,在2.7~2.9GHz上实现22KW输出,脉宽为50ils,占空比为5%,HPA具有30%的效率。
4)1997年法国人开发出S波段18KW的SSPA,由16个1400W的HPA合成,采用径向合成结构,工作频率为2.7~2.9GHz,脉宽为100μs,占空比为10%;HPA由8个240W单元合成,每个240W单元由2个130W BJT功率管合成。
5)1999年中国研制成功S波段16KW固态发射机。由32个600W的HPA合成,工作频率为2.7~2.9GHz,脉宽为100μs,10%占空比,单个600W的HPA工作频率为2.7~2.9GHz,17dB增益,2l%效率。
6)2000年意大利提出一种应用于S波段10~36KW发射机中1.5KW的功率模块。脉宽为150μs,10%占空比,工作带宽为2.7~3.0GHz,22dB增益,25%效率;由8个250W功率单元合成。采用B/T功放管。
7)2000年日本人提出了一种新结构功率模块,采用GaAs MMIC技术,在S波段实现10~12KW输出。其提出的GaAs MMIC PA工作带宽为2.7~3.1GHz,32%PAE,48.3dBm最小功率输出。通过准光腔合成技术,合成几百个GaAs MMIC PA。
8)2001年日本开发出S波段1.8KW SSPA。工作频率为2.7~2.9GHz,100μs脉宽,10%占空比,输出功率增益为62.55dB。由4个550W的HPA功率合成,每个HPA具有16dB增益,57.5dBm输出功率,效率为32%。其前级采用GaAs技术设计,以实现高线性,而HPA则采用BIT功放管进行设计。
由上面的事例看可以看出,由于固态功率器件输出功率有限,严重制约了毫米波发射系统发展。为了获得大功率输出,则需要采用功率合成的方式,使多个放大器并行输出,以提高输出能力。利用多个功率单元合成实现放大器的高功率输出方法是业界所有技术人员普遍采用的做法。
3 当前微波功率放大技术面临的问题
功率放大器作为发射端的核心器件,决定了整个系统的通信质量,通信半径及抗干扰能力,一直是微波/毫米波通信系统的研究重点。过去的几十年中,是通过传统的速调管和行波管放大器来提供所需的大功率输出,然而其实现工艺困难,可靠性低,体积重量大,给微波通信系统带来了很多不便。微波固态器件具有体积小,重量轻,使用寿命长,工作电压低,稳定性高等特点,使其在微波通信系统中得到广泛的应用。但现有的单个固态器件的输出功率有限,无法提供微波发射机所需的大功率输出。在毫米波频段,从单个小功率放大器得到的功率有限时,出于经济和可靠性等方面的考虑,通常采用较小的功率源进行合成而不直接采用一个大的功率源。而且,每个小功率放大器可以工作于线性区,从而有利于减小相互间的模式干扰。除了能够产生较高的功率外,功率合成技术还能在一个或几个源失效的情况下保证系统继续工作而不会完全失效,只是系统性能下降,即合成技术中的适度恶化现象。因而,微波固态功率合成技术被提出,以解决单个器件输出功率不足的问题。即通过功率分配合成网络将多个固态放大器件的输出功率合成,从而达到较大的功率电平,实现可靠性高的大功率输出。近年来这项技术也成为了微波通信系统的研究热点之一。
目前,应用最多的功率合成技术是电 路合成和空间功率合成。对于功率合成在毫米波雷达固态功率发射中的应用,电路合成由于传输线损耗以及电路结构随器件数量增加成非线性增长,其能够合成的固态器件数目受到限制,不能满足毫米波雷达的发射功率要求。
空间功率合成最大的优点是合成效率基本与固态器件数量无关,更适合多器件的大功率输出。空间功率合成主要有准光功率合成和 自由空间功率合成,但自由空间功率合成具有合成效率低、辐射损耗大、难于与整机系统集成等缺点,在毫米波雷达实用化进程中的应用受到限制。
波导内空间功率合成技术具有合成效 率较高、带宽性能良好、有效地防止辐射损耗、具有良好的散热性,体积小、易于系统集成能等优点。Ka 波段波导内空间功率合成系统的研制,将为相关毫米波雷达系统、通信系统的应用和工程化提供关键技术支持。
从各种功率合成方案可以看出,大功率输出,高合成效率,小型化,结构简单易于加工是功率合成的发展趋势,而多路数合成,散热问题是功率合成放大器的难点。对于功率合成器来说,插入损耗、各路的幅度、相位一致性对于合成效率至关重要。
在众多的功率合成技术方案中,在考虑到带宽、效率(损耗)、加工工艺、散热以及适用环境等,真正能够应用的技术方案并不多。由前面已经叙述的事例可以知道,在实现微波功率合成的过程中,分别采取了不同的实现方式,有准光腔合成和径向合成。事实上,功率合成技术不仅仅就这两种类型。常见到的功率合成结构还有Turnstile 结构、径向合成器、Wilkinson、串行合成器、波导2N、微带2N、过模同轴、平面波、波导内、谐振腔等合成结构。
在以上功率合成方案中,Turnstile合成器、径向波导合成器、Wilkinson和串行合成器属于N路合成器;波导2N、微带2N属于二进制功率合成;过模同轴、平面波、波导内和谐振腔属于空间功率合成方式。在比较各种固态功率合成方法的优劣和实现难易程度后,我们发现径向波导功率合成方法在损耗、带宽、对功放芯片的要求、隔离度、散热、重量体积和制作难度上能够满足实际工程要求,可实现上百路的功率合成,从而可实现KW量级的大功率固态功放;在中小功率场合,合成路数N<64情况下,波导2N(如波导魔T、E面T、E面分支波导)的合成方法也有广泛的应用,但当合成路数太多时,因合成效率太低和散热困难等原因无法实用,难以实现KW以上量级的功放。
最大限度地提高合成效率是设计、研制功率合成放大器的重点和难点。对合成效率影响的主要因素有:合成信号的幅度、相位一致性、合成网络的损耗。因此,在功率合成电路中,为了达到较高的合成效率,除了保证各个合成信号具有很好的幅度、相位一致性外,设计低插损的功率合成网路是至关重要的。对于简单的二路功率合成,当输入信号幅度小于3dB、相位差在30°以内时可以得到较高的合成效率(理论达90%以上);相位小于90°时,幅度不平衡降低合成效率,相位差90°时,幅度不平衡对合成效率没有影响。对于多级功率合成时也是类似的规律。合成电路损耗对合成效率的影响是很大的,特别是在多级合成时表现尤为突出。在不计合成时各路的幅度离散和相位离散对合成效率的影响,仅仅考虑合成网络的电路损耗对合成效率的影响,合成效率与电路损耗之间存在关系:L(损耗)=-10lgn(效率)(dB)。
实际功率合成时,要充分考虑各合成模块的相位一致性。毫米波频段通常功放模块是由多路MMIC芯片合成的,由此构成的放大器相位差在10°~40°的范围,幅度相差一般较小一般都在1dB以内。所以要保证各路功放组件的相位、幅度一致性是功率合成中的难点和重点。幅度一致性通过控制电压微调增益的方法,一般都能保证不平衡度达到1dB以内,而各功放的相位差较大,所以调整每个功放的相位很重要。在毫米波频段,MMIC移相器的损耗过大,无法适用,拟采用波导移相器的方法,波导移相器的插入损耗可控制在0.2dB以内,为了不影响合成效率,在需要调整相位的功放模块组件的输入级插入波导移相器,通过增加波导移相器一般可以使得各功放模块的相位一致性保持在20°以内。通过以上方法可以很好的解决相/幅一致性问题。
在单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)中,通常采用电路级合成。合成网络通常采用Wilkinson 电桥作为合成单元。比如TRIQUINT公司的大功率单片全部采用了Wilkinson 电桥,取得了良好效果。为了获得较宽的频带特性,也采用 Lange电桥作为功率合成网络,但是由于其自身结构因素,应用相对较少。
在微波混合集成电路中,微波频段的功率合成放大器经过几十年的发展,到现在技术已经非常成熟。提出了各种电路合成方式,如采用基于 Wilkinson电桥的N2大树型功率合成、采用混合环、Lange 电桥的两路功率合成。
微带线在毫米波频段损耗大,电路合成不可避免的微带线损耗使得合成效率很低。故毫米波段采用更多的是空间功率合成,如准光学空间功率合成、开槽波导空间功率合成及波导内空间功率合成。
微波固态功率放大器由于其所具有的优点和应用,在中小功率的应用领域正
在逐步取代电真空器件,并在高功率应用领域逐渐成为电真空器件得有益补充,因而开展SSPA的研究具有十分重要的意义。
由于微波功率放大器本身就是一个非线性元件,而我们要使得微波功率放大器正常工作,就必须让放大器内的元器件工作在线性区,这也是我们在设计相应的微波射频电路时进行小信号分析的基本依据。一直以来,微波功率放大技术普遍面临的问题是:如何设计出具有高增益和较宽的带宽的功率放大器。在设计微波射频电路是,这两个指标是相互制约的。一般情况下,当增益做的非常大时,就难以做到将如此高的增益拓展到一个较宽的频带上,反之亦然。
4 最新研究进展
空间功率合成是20世纪八十年代提出的一种微波毫米波功率合成方法。尽管这项技术的提出是在八十年代初,但它真正被人们所重视并加以广泛研究却是在八十年代后期和九十年代。空间功率合成技术主要分为两大类,即:由W.Lothar等人提出的准光功率合成技术和由K.Chang、T.Itoh等人提出的自由空间波功率合成技术。前者利用了准光腔(又称开放腔)的基本特性,将毫米波器件通过不同的结构形式安置于准光腔内进行功率合成,而后者则利用了天线的辐射和互耦特性,将各个毫米波器件的辐射功率在自由空间进行功率合成,该技术的最大特点是适合于多器件大功率的合成。
然而,大多数已经报道过的空间功率合成技术所实现的合成系统带宽性能并不十分良好,合成效率和合成功率输出也并不很理想。另外,自由空间功率合成技术由于其结构本身所带来的辐射损耗也不容忽视。因此,一种新型的空间功率合成技术——波导内空间功率合成技术在1997年被提出并在X波段得以实现。 波导内空间功率合成技术具有系统合成效率较高,带宽性能良好,有效的防止了辐射损耗,具有良好的散热性能等优点,较好的弥补了准光功率合成技术和自由空间功率合成技术的不足。
波导内空间功率合成技术是由A.Alexanian和R.A.York于1997年提出,当时在X波段采用基于规则矩形波导的2×4的MMIC功放阵列,实现了2.4W的连续波功率输出,合成效率达68%,并具有良好的工作带宽和增益,预示了良好的发展前景。 此后,以UCSB(University of California at Santa Barbara)的R.A.York教授为代表的学者陆续进行了波导内空间功率合成技术的相关研究 ,相继提出了规则矩形波导、扩展尺寸矩形波导和扩展同轴线内空间功率合成等形式,并在X波段和K波段研制并实现有基于该类结构形式的空间功率合成系统。其中,1999年采用4×6的MMIC功放阵列实现了高达126W的连续波功率输出,工作频段8-11GHz 。2000年韩国UoS大学Changyul Cheon等人研制实现2×2阵列的波导内空间功率合成系统实现3.3W的输出功率,其工作点24GHz为现有所报道的波导内空间功率合成技术应用的最高频率。2003年Mekki Belaid等人将EBG(Electromagnetic Bandgap,电磁禁带)结构与波导内空间功率合成技术相结合,在Ku波段研制实现的功率合成器,采用12只MMIC获得了23.15dBm(0.2W)的功率输出。
微波毫米波波导内空间功率合成技术自提出以来,经过几年的研究,在理论和实践上都具有了一定的基础。由于其相对于准光功率合成技术和自由空间波功率合成技术所具有良好特性,昭示了其具有良好的发展和应用前景。然而,目前能够在波导内实现的功率合成系统都是在相对较低的频段内实现的(X波段为主)。在更高频段内,如何突破波导尺寸的限制是需要解决的关键问题之一。因此,如何在更高频段实现较高的可用功率合成输出,从而使该技术真正进入毫米波频段,是目前主要的研究方向。同时,该技术的相关理论体系还远未完善,很多方面需要进行更深入的研究。
目前国外主要有美国、韩国的学者从事波导内空间功率合成技术的理论和实验研究,国内尚无该领域相关研究工作和实验成果的报道。
电子科技大学周义同学2005年硕士研究生的学位论文《Ka波段波导内空间功率合成技术研究》利用波导内空间功率合成技术研制实现了基于过模波导结构的Ka波段空间功率合成放大器。在论文前部分,作者主要分析波导-微带对极鳍线过渡原理,使用基于有限元法的高频软件HFSS(High FrequencyStructure Simulation)进行三维场结构仿真,并使用ADS(Advanced Design System)软件进行辅助设计,研究Ka波段波导-微带的对极鳍线单路和双路过渡。分析过模波导传输原理,设计Ka波段过模波导-标准波导斜线渐变过渡,对过模波导内2×2对极鳍线阵列的传输特性进行了研究。在频率为 38.0~39.2GHz 最大饱和输出功率达284mW,合成效率 71%,功率增益大于 14dB。这表明利用波导内空间功率合成技术也能达到较高的合成效率。
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