寬帶波導器件的高功率設計

張秦琿

【摘 要】高功率寬帶器件也稱高功率合成器，是一種微波毫米波功率合成技術下產生的功率容量大，端口之間具有較高隔離度，工作頻帶寬的合成器件。然而，實現寬帶波導器件高功率的關鍵是設計出寬帶低損耗波導合成器。基于此，本文對三端口寬帶波導合路器以及四端口寬帶波導合路器進行比較優缺點，提出高功率寬帶波導合成器的設計方案，采用電磁場仿真軟件進行對寬帶波導功率合成器的設計仿真和建模，由此對功率合成器進行了在25-27吉赫工作范圍的設計與制作，在此基礎上對比分析了仿真曲線和測試指標。通過對所設計的高功率寬帶器件的實際測試，結果表明其具有一定的實踐應用價值。

【關鍵詞】寬帶波導 器件 高功率 設計

為了實現微波毫米波功率合成技術下產生大功率容量，端口之間具有較高隔離度，工作頻帶寬的器件，本文對寬帶波導器件進行了高功率設計。

1寬帶波導器件的高功率設計方案

1.1 設計目標

在一定的設計要求下，針對某寬帶波導器件的功率合成高效放大的需求，采用合成器的兩個功率模塊進行高功率設計，其功率效率大于86%。從相關定義可知，寬帶波導器件的高功率合成其效率與幅度相位及插入的耗損程度有著一定的相關性。因此，必須實現功率波導器件具有良好的寬帶特性、精準的幅度相位及低耗損插入度，從而實現與寬帶的高效合成，據此，筆者提出寬帶波導器件的設計目標：即合成兩路頻率在25-27吉赫工作范圍內的相對寬帶40%的合成器件，其相位平衡度小于5.001°，其插入的耗損在0.5分貝以下，其相位平衡度小于0.3分貝[1]。

1.2器件選擇

波導相對于微帶而言具有高功率和低損耗的特性，因此本文采用波導結構的高功率器件。由于當前技術的局限性，適合該設計的波導合路器主要有兩種類型，一是四端口的自帶隔離端口3分貝的波導電橋以及無耗損的合成波導其，其中根據不同的實現方式，可以四端口自帶隔離端的波導合成器分為波導分支線電橋、波導H面耦合電橋、波導環形電橋和波導魔T等；根據實現形式的不同，無損耗三端口的波導合路器可分為波導H-T分支及波導E-T分支。

自帶隔離端口的四端口波導電橋具有一定的缺點，主要由其需要一定的外接波導負載，或是進行一定吸波材料的填充，以此確保良好的散熱效果，以此對功率放大器的體積和成本進行有效地增加，波導的散熱負載能力對波導電橋功率容量有著一定的直接決定性作用，因此，在選用自帶自帶隔離端口的四端口波導電橋進行寬帶波導器件的設計上存在一定的不足；另外，可謂成也“自帶隔”，敗也“自帶隔離”，隔離端口的存在會破壞寬帶波導器件的對稱結構，導致功率合成端口在一定程度上出現相位差和幅度差。隔離端口也給機械加工及電路布局工作帶來一定的困難，而且，其使用的帶寬較為狹窄[2]。

然而相對于四端口自帶隔離端口的波導電橋，無損耗三端口3分貝電橋具有電路布局設計簡單，加工方便、功率容量大，輸入和輸出端口在去掉隔離端口之后，形成一組單純的平面的結構，大大簡化了加工及電路設計難度。而且其在端口的分配上具有較為理想的對稱性質，能夠有效地與幅度相位保持一定的一致性。采用無損耗三端口3分貝電橋其具有較寬的帶寬，因此，可以在對帶寬設計時，完成標準的波導帶寬，而且不需要特別及復雜的工藝配置處理便可以實現設計性能的最大化，不需要進行任何的調整和試驗。另外，由于無損耗三端口3分貝電橋沒有隔離端口，有效地提高了散熱功能，也就是其技術下的功率合成器在功率容量上不會受到負載散熱能力的限制。

綜上所述，無耗損3分貝波導電橋相對于四端口自帶隔離端口的3分貝波導合路器，其具有與幅度相位高度一致，大帶寬的優點，因此，本設計采用無耗損3分貝波導電橋與四端口自帶隔離端口的3分貝波導合路器的綜合處理方式，實現高功率寬帶波導器件的低寬帶消耗。在設計過程中，改進傳統的E-T和H-T結構的匹配形式，采用寬帶的結構匹配，對寬帶的性能進行改進和完善。

2寬帶波導器件的高功率設計建模

2.1 H-T波導分支

對T型H面的容抗及電抗結影響的綜合考慮，加入感性柱或圓錐結構到波導中，采用H-T匹配方式。但是該結構需要采用匹配形式對加工椎體結構進行單獨方式，然后與T型波導結構進行良好的配合。從工程的實際情況出發，為簡化加工的難度系數，本設計通過以直代曲的方法，將錐形體結構轉變為方臺的結構體系，以此實現了在銑床上整個功率分配結構額一次成型[3]。在電磁場仿真軟件該H-T兩路結構的俯視效果如圖一所示。

2.2 E-T波導分支

主波導寬邊面上的分支為E-T波導分支，主波導TE 10模電場方向與其軸線平行，此分支屬于串聯分支的一種。傳統色設計是采取緩變圓錐的匹配方式，在寬帶范圍實現寬帶匹配能夠對電抗元件的變化進行補償。由于E-T波導分支的導腔體與圓錐結構無法達成加工的一體成型。但是在實際加工過程中，單獨對匹配的圓錐體進行單獨加工。加工完成后采用螺釘固定或焊接的方式對腔體與匹配的圓錐體進行綜合，但是，這就在很大程度上出現二次裝配誤差。采用圓錐體的匹配結構，其對加工和裝配工藝的要求較高。所以，本設計通過對加工工藝的綜合考量，為了降低加工難度，實現匹配達到良好的帶寬性能，采用了將三角錐型的波導漸變和感性柱加入到T型結中間，其中波導漸變則有效地展寬了帶寬，實現了波導實阻抗的寬帶匹配，而感性柱有效地對串聯分支所帶來的一定電抗分量進行了抵消。在電磁場仿真軟件該E-T兩路結構的俯視效果如圖二所示。

3高功率寬帶波導器件的仿真設計

3.1高功率寬帶波導器件仿真

對H-T和E-T波導結構中的匹配結構具體參數采用電磁場仿真軟件方式進行確定。選擇三維電磁仿真軟件，采用有限元方法，對其進行設計。三維電磁仿真軟件具有高真精準度與可靠性，能夠快捷地進行仿真操作，其速度非常快，而且擁有易用方便的操作界面。當前此技術自適應網格剖分技術具有一定的穩定成熟性，該方法已經成為高頻結構設計的行業標準及首選設計工具。

從H-T兩路分支波導合路器的輸出端口反射系數的仿真曲線上可看出，在頻率范圍25-27 吉赫內H-T結構兩路合成端口的輸出反射系數小于21分貝。從E-T兩路分支合波導路器輸出端口的反射系數仿真曲線能夠看出在頻率范圍25-27 吉赫內E-T兩路結構的合成端口反射均小于25分貝。因此，本設計手段下實現的E-T和H-T波導合路器均具有一定的標準的相對寬帶40%的波導帶寬，所運用的展寬帶寬手段達到了良好的設計效果。

3.2器件性能測試

通過矢量網絡分析儀對實際制作的寬帶波導E-T合路器的體積約為80 mm×40 mm×22 mm，寬帶波導H-T合路器體積約為65 mm×50 mm×22 mm。對加工出來的體積約為80 mm×40 mm×22 mm的波導E-T合路器和體積約為65 mm×50 mm×22 mm的波導H-T合路器組合而成的采用BJ 320波導端口的7.12 mm×3.56 mm高功率寬帶波導器件進行了測試，測試結果顯示，單個E-T波導合路器其存在0.3和0.4分貝之間插入損耗，最大兩路幅度一致性達0.16 分貝，具有40吉赫的相位不一致性最大為4.6，符合相關指標要求。H-T波導合路器在測試中，其插入的損耗程度在0.1分貝和0.25分貝之間，存在最大為0.17分貝的幅度一致性，在38吉赫的不一致性相位不一致性最大為4.2°，符合一定的指標要求，所設計的寬帶波導器件具有高功率效能。

4結語

本設計對器件進行了較為嚴密的仿真測試，但是仍然具有一定的不真實性，因此，應加入實際應用測試，來對其進行更高的判定。本設計對寬帶波導器件進行了仿真設計和機構建模，設計出了具有高功率、低損耗及相位幅度高度一致的寬帶波導器件，具有一定的應用前景，值得推廣使用，具有一定的實踐工程價值。

參考文獻：

[1]崔焱，田兵.毫米波寬帶波導功率合成器設計[J].無線電工程，2011，06：54-57.

[2]李磊，李兵，邱林茂.一種新型W波段寬帶波導功率合成器[J].火控雷達技術，2013，02：64-66.

[3]藍永海.一種寬帶多路功率合成器設計[J].杭州電子科技大學學報，2013，05：21-24.