一種新型W 波段寬帶波導功率合成器

李 磊 李 兵 邱林茂

(1.西安交通大學 西安 710048;2.西安電子工程研究所 西安 710100)

1 概述

隨著科技的發展，雷達系統對發射機要求越來越高，工作頻率從L 波段已經上升到W 波段，工作帶寬也從當初的幾百兆赫茲拓寬到數千兆赫茲。然而W 波段內的功率放大器輸出功率較小，無法滿足系統設計的指標，因而必須進行功率合成，才能達到設計要求。

由于介質損耗隨頻率的增高越來越大，而且對機械加工精度的要求越來越高，因此在W 波段，采用傳統微帶的介質損耗和加工精度已無法滿足發射機功率合成的需要，必須采用波導結構設計才能保證發射機的合成效率。雖然波導定向耦合器也能滿足功率合成的要求，但是其外形尺寸偏大［1-2］，限制了其在某些發射機中的應用。

在總結前人的設計基礎上，提出了一種新型的W 波段寬帶波導功率合成器的設計方法，為W 波段寬帶功率放大模塊、波導天線設計提供了新的設計思路。

2 波導T 型功率合成器的理論分析

根據簡正模理論，對于標準矩形波導，當工作頻率滿足條件a ＜λ ＜2a，只存在單一的TE10 模傳輸(矩形波導的主模)。本文所采用的W 波段波導，其a、b 分別為2.54mm、1.27mm，其工作頻率為75～110GHz，剛好滿足單一主模傳輸的條件，因而不存在TM 模及高次模。TE(橫電)模，其傳播常數為

對于TE10 模來說，m=1，n=0，β 只與寬邊a的尺寸相關。

橫電場的波阻抗為

可以看出波阻抗與波導窄邊b 無關，只與寬邊a 有關。

由于合成與分配為一對互逆的過程，因此可將合成按照分配的方式做出如下分析:當沿窄邊對矩形波導進行剖分，其能量分割方式主要是對波導主模的電場的分割，如圖1(a)所示，而且根據仿真結果驗證，在功率過程中高次模并未成為主導模式，這從圖1(b)中可以看出。因而其設計原則可看作為:是如何實現對波導電場“平滑”的分割。通常的做法如圖1 所示，先將波導利用尖角功分為兩路，其高度為公共口(標準波導)高度的一半，然后再逐漸過渡為標準波導尺寸［3，4］，這樣可以大大減少由于尺寸變化帶來的不連續性影響，降低端口駐波和插入損耗。

圖1 功率合成器電場示意圖

3 寬帶波導功率合成器的設計與測試

本文中設計的功率合成器頻段為90～100GHz，其標準矩形波導尺寸為2.54mm ×1.27mm。若采用通常壓縮窄邊的結構方式，那分割開的兩波導窄邊尺寸將變為0.635mm，這不僅對機械加工的精度要求更高，而且如此小的空氣間隙更容易被電場擊穿，這對于發射機的功率合成不利;加之通常結構內部還需要一個過渡所需的尖角，極易在銑削加工中被刀具擠壓偏向一邊，出現“偏分割”的情況，這一點在X，Ku、Ka 頻段內，波長遠大于偏移量時，對整個器件性能產生的影響并不明顯，但是在90～100GHz 的范圍內，它變得不可忽視，已嚴重影響兩端口的幅度一致性。

圖2 波導W 波段波導E-T 結構示意圖

通過經驗總結和理論分析［5，6］提出了新的設計方法:先將公共波導口窄邊b 緩慢增大，當超過2 ×b 的尺寸后，然后再加入三角形劈尖，直接過渡為兩個窄邊為b 的標準矩形波導，過渡部分采用直線漸變形式，既可降低了尺寸變化引起的不連續性，也易于機械加工;再通過將內部尖角的頂部削平(如圖2中的c 尺寸)，可完全避免“偏分割”情況的出現。這種結構形式既不違反簡正模理論，也能保證波導功率合成器具有良好的電氣性能，還能降低加工難度，提高成品率。其三維模型圖如圖2 所示，通過三維電磁仿真軟件HFSS 的計算與優化，得到了表1中給出了的物理尺寸。從圖4 的對比圖中可以看到其仿真結果。

表1 E-T 波導結構尺寸(單位:mm)

圖3 為實際加工的功率合成器與1 角錢硬幣的實物對比圖。從圖中可看出，兩分配口間的距離偏大(40mm)，這是受限于波導法蘭尺寸與螺釘孔的排布，為了便于加工與測試才拉大了兩口間距。實際集成使用中可根據需求調整尺寸，最小可縮小到8mm 以內。可以看出這種結構功率合成器的尺寸是非常小的，非常適合小體積的功率分配與合成。

圖3 W 波段波導功率合成器實物圖

圖4 將仿真結果和測試結果分別進行了插入損耗和回波損耗的對比。在90～100GHz 頻率范圍內，仿真優化出的插入損耗均大于-3.1dB，公共口回波損耗小于-15dB。而實際測試的插入損耗則大于-3.15～-3.9dB，較仿真結果大出0.8～0.1dB，公共口的回波損耗小于-12dB，較仿真結果高出約3dB。但是可以看出，測試結果與仿真結果曲線的變化趨勢類似，均為低頻率點插入損耗大于高頻率點，且頻帶內曲線交叉;回波損耗高頻率點低于低頻率點，中間部分最優。

圖4 仿真結果與測試結果對比圖

而后經過顯微鏡測量，發現加工出的f 尺寸比設計的大出0.3mm，經仿真驗證，這會抬高回波損耗，進而使插入損耗少量增大;再考慮到高頻率下的導體損耗也比低頻率范圍的大，因此認為此測試結果滿足設計要求。

4 結束語

文章介紹了一種新型的W 波段寬帶波導功率合成器的設計原理和設計方法，實現了在W 波段進行寬帶、低損耗功率分配/合成的功能，通過HFSS軟件進行了三維電磁仿真計算，得出了功率合成器的物理模型，根據仿真尺寸進行了實物加工并進行了相關測試。測試結果表明:文中提出的W 波段寬帶波導功率合成器具有寬工作帶寬、低插入損耗，高合成/分配效率等優點，同時驗證了理論分析和仿真計算的正確性，為W 波段的功率放大模塊、波導天線設計提供了新的設計思路和方法。

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