一种基于全息术的毫米波准光功率合成技术

高伟亮，陈必然，夏栋

（1.海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041；2.海装重庆局，重庆4000421）

一种基于全息术的毫米波准光功率合成技术

高伟亮1，陈必然2，夏栋1

（1.海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041；2.海装重庆局，重庆4000421）

提出一种基于全息术的毫米波准光功率合成技术，给出系统的详细技术实现方案，介绍毫米波准光并行仿真软件。关键词：全息术；毫米波；准光功率合成

0 引言

近年来，在毫米波/亚毫米波器件和电路技术取得快速进展的推动下，短毫米波和亚毫米波频段的开发和应用逐渐开始受到关注，如毫米波星间链路、空地导弹末制导毫米波主动导引头、毫米波接力通信、毫米波电子战系统、THz成像、THz测量和射电天文观测，实现这些应用主要瓶颈问题是如何得到具有足够功率、频率稳定、工作可靠的发射功率源。

目前常用的功率合成技术有电路合成、空间功率合成和准光功率合成3种。基于平面传输线的电路合成具有设计和加工简单的优点，但由于传输线损耗大，合成效率随着合成器件数的增加急剧下降。基于矩形金属波导的电路合成兼有平面电路合成和空间功率合成的优点。但功分/合成网络复杂，加工难度大，损耗随着频率升高和合成器件数量增加迅速上升，导致难以实现更多固态器件功率合成，更高毫米波频段由于单个器件功率降低同时合成效率显著下降，难以实现较大功率输出，毫米波高端很少采用。

空间功率合成通常采用电路形式或空间形式的等幅同相功率分配，经过具有相同幅相特性的阵列放大器后，辐射到自由空间或金属封闭空间，形成波矢垂直于阵面的平面波或特定空间传播模式，再利用天线收集空间电磁波能量，实现功率合成。具有低损耗特性，合成效率高，并且合成器件数量增加时合成效率能基本保持不变。但是为了避免阵列产生栅瓣而导致合成效率急剧下降，阵列中辐射单元和放大器间隔典型值为半个波长，最大不能超过一个波长，这导致器件散热难以很好解决。并且，在更高的毫米波频段或亚毫米波频段，由于波长已经小于典型的功率器件尺寸，将使空间功率合成难以实现。

准光功率合成采用准光学系统实现功率的分配与合成，典型技术方案的是采用基于全息术原理的准光功分/合成器。通过介质片制作的周期性相位栅格，可以使多个等幅同相激励的固态功率放大器和辐射单元组成与栅格周期相同的空间周期阵列辐射的电磁波通过相位栅格后变换为单一波矢的准平面波，再通过透镜或反射面变换为高斯波束，利用喇叭天线收集高斯波束能量实现功率合成。基于准光传输的可逆性，同样网络逆向应用可实现准光功率分配。准光功率合成具有空间功率合成的低损耗特性，理论上可实现无限数量的一维或二维相干功率源合成。并且，周期性相位栅格可将阵列栅瓣辐射功率转换到主瓣方向，因此由于这种方法对阵元的间距没有限制。与空间功率合成相比，避免了空间功率合成器中阵列单元间距小的局限性，可以用于亚毫米波功率合成。

1 技术实现

1.1 研究方案

采用基于全息术的准光功率合成技术原理：多个相干光源波束与一束相干平面波（称为参考光束）在空间干涉，利用空间特定位置的感光相片记录干涉条纹形成全息照片。当用同一参考光束照射全息照片，可以完全恢复各相干光源波束的幅度和相位，这一原理可用于空间功率分配。反之，用各个相干光源照射全息照片，则可以产生与参考光束相同的平面波，利用天线收集平面波功率，可以实现空间功率合成。在毫米波频段，全息术一般不能用全息照片产生幅度调制方式实现，因为幅度调制产生功率损失将使合成效率降低。但可以低损耗介质栅格来实现相位调制，对于周期分布的相干固态源，已经证明介质栅格具有同样周期结构。其栅格图案可以采用电磁仿真加以计算和优化，并采用普通机械加工方法制作。

1.2 技术途径

对本项目而言，最关键的特性是可实现高频、大数目二维放大器阵列的功率合成，有5%～10%的较大工作带宽，单元间距较大，在放大器的加工、调试上易于实现。基于全息术准光功率合成系统见图1。

图1 基于全息术原理5 mm波准光功率合成系统组成

系统工作原理：60 GHz信号由喇叭天线转换为高斯波束，经过偏馈抛物面变换为准平面波，再通过介质相位栅格，变换为5×5个波束，实现空间功率分配。每个波束被5×5接收喇叭天线阵中的一个喇叭接收后，转换为微带准TEM模式，经过MMICs功率放大后经喇叭天线辐射，辐射的电磁波通过介质相位栅格后，栅瓣的辐射功率被转换到法线主瓣辐射方向，形成法线方向的准平面波实现了功率合成。准平面波被偏馈抛物面聚焦形成高斯波束，由喇叭天线收集后实现功率输出。

该方案关键部分是介质相位栅格的设计以及抛物面天线口面、介质栅格和喇叭天线阵口面之间距离的选取，需通过电路网络建模和计算机辅助优化设计来完成系统参数参数选取。此外，整个系统需要采用电磁仿真方法进行设计验证和系统性能预测评估，涉及大量电磁建模和仿真工作。

2 软件设计

图2～图6是毫米波准光并行仿真软件主要界面。

图2 优化界面

图3 关闭界面

图4 格里高利天线设计

图5 最佳增益角设计

采用毫米波准光并行仿真软件，该软件与GMES（全波FDTD算法）、FEKO（物理光学与矩量法的混合算法）相比，在计算效率与成本上面具备非常突出的优势，目前，采用本软件在普通服务器上面，就能够实现100λ×100λ×100λ电大尺寸准光系统的快速仿真与优化，而其他商业软件或优化算法对此是无能为力的。

3 结论

毫米波全息准光功率合成系统具有体积小、效率高、结构紧凑、可靠性高、输出功率大、升级改装方便等突出优势。因此该技术能够大幅度地减小功率型军用电子设备的体积、减轻重量，改善性能、提高可靠性和降低总成本，将在相控阵雷达、机载电子对抗、远程制导、卫星通信链路等小型化高级军事电子设备和宇航电子设备中得到广泛应用。

图6 目标场设计

［1］葛俊祥.毫米波复合式准光功率合成理论与实验研究［J］.电子学报，1994，22（9）：81-87.

［2］谢文楷，刘盛纲.一类新型的准光学功率合成系统［J］.电子科技大学学报，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.

〔编辑利文〕

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B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.55