一種寬帶徑向功率合成器的設(shè)計

王仁軍，喻先衛(wèi)，韓 煦，王榮達，成海峰，徐建華

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

近年來，微波固態(tài)功率放大器發(fā)展迅速，在民用和軍事領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)νㄐ畔到y(tǒng)的性能要求越來越高，寬頻帶、高功率已成為微波發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。例如在通信、雷達、電子戰(zhàn)等應(yīng)用環(huán)境中對放大器的功率需求越來越高，需要使用多個功率放大器進行功率合成來實現(xiàn)系統(tǒng)高功率的要求。

在寬帶合成方式上主要采用二進制的合成方式，常見的寬帶合成方式如多級Wilkinson功分器和Lange橋具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、合成器損耗低等優(yōu)勢，但隨著合成路數(shù)的增加，二進制平面合成電路的體積增大，合成損耗會迅速增加，合成效率降低，使得合成路數(shù)受限，而且該合成方式會受到最大功率的限制。寬帶合成方式中徑向功率合成技術(shù)與二進制平面合成結(jié)構(gòu)相比，在多路合成上具有一定的優(yōu)勢，而且合成路數(shù)可以根據(jù)需要進行特別設(shè)計，設(shè)計自由度高，并且合成效率不隨路數(shù)的增加而降低，因此在多路大功率合成上徑向合成技術(shù)有很大優(yōu)勢。但是徑向功率合成器在結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工精度、安裝方式等方面要求較高，因此目前徑向功率合成技術(shù)的應(yīng)用尚不如二進制合成廣泛。

本文以擴展同軸結(jié)構(gòu)合路器以及徑向波導原理為基礎(chǔ)，通過仿真、優(yōu)化，設(shè)計了一款10路徑向波導合路器。

2 寬帶合成結(jié)構(gòu)設(shè)計

該合成結(jié)構(gòu)由同軸漸變波導、徑向波導、微帶探針組成。該合成器輸入為同軸結(jié)構(gòu)，同軸結(jié)構(gòu)到徑向波導的過渡通過同軸漸變波導來實現(xiàn)。分路器采用微帶耦合探針結(jié)構(gòu)實現(xiàn)微波信號微帶傳輸與徑向波導傳輸之間的轉(zhuǎn)換。多端口徑向波導合成器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 合路器結(jié)構(gòu)圖

2.1 同軸漸變波導

徑向波導與同軸線類似，微波信號在波導內(nèi)傳輸TEM模，是一種柱面TEM模，在截面上電場只有徑向分量，且在半徑為r的圓周上電場相同；磁場只有切向分量，在半徑為r的圓周上磁場大小相等。為保證在整個通帶內(nèi)同軸線到徑向波導有良好的阻抗匹配，該合成器選用了錐形同軸波導提供連續(xù)的漸變方式，這種結(jié)構(gòu)更簡單且易于加工。

2.2 徑向波導探針

分路器采用微帶耦合探針結(jié)構(gòu)實現(xiàn)微波信號微帶傳輸與徑向波導傳輸之間的轉(zhuǎn)換。采用Rogers 5880介質(zhì)板制作微帶探針，通過50 Ω微帶線傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘柾ㄟ^探針輻射轉(zhuǎn)換為波導傳輸。

利用電路結(jié)構(gòu)的對稱性，可以將N路合成器的外圍探針區(qū)域看成由N個相同的扇形波導組成,從而可以對每個扇形波導進行建模仿真計算。徑向波導探針仿真模型如圖2所示。

圖2 徑向波導探針

采用HFSS電磁仿真軟件對該模型進行優(yōu)化仿真，優(yōu)化過程中充分考慮合成結(jié)構(gòu)的寬帶工作特性以及不同傳輸路徑直接的阻抗匹配，探針仿真結(jié)果如圖3所示。在6～18 GHz頻段內(nèi)，輸出端口駐波小于1.5，損耗小于0.5 dB。

以上述單個扇形波導同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立10通道空間合成結(jié)構(gòu)，合成器模型如圖4所示。

使用HFSS軟件進行優(yōu)化，仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖5的仿真結(jié)果可以看出，在6～18 GHz頻段內(nèi)，該合成結(jié)構(gòu)的輸出駐波小于1.7，合成損耗小于1dB。

圖3 合成結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

圖4 10路合成器仿真模型

圖5 功率合成器仿真結(jié)果

3 結(jié)論

本文根據(jù)同軸徑向波導的特點設(shè)計了一款10路寬帶同軸徑向波導合路器，該合路器通過徑向波導內(nèi)空間功率合成，功率分配與合成是在波導內(nèi)采用電磁場耦合的形式完成的；采用多端口形式，并借助高頻電磁場仿真軟件HFSS對電路進行了優(yōu)化仿真。仿真結(jié)果顯示，該10路合路器在6～18 GHz頻段內(nèi)插損≤1 dB，通過該合成器10路合成效率≥80%。