一種小型化波導合成器的設計

張國強　張生春　周立學　楊　莉　華根瑞

(西安電子工程研究所　西安　710100)

0　引言

在現代相控陣雷達系統中，T/R組件作為核心部件而廣泛采用。組件對元器件的基本要求就是小型化、易集成。傳統的矩形波導具有結構簡單，功率容量大的優點，微帶電路具有體積小、易集成的特點。如何結合這兩種傳輸形式的特點，設計出滿足要求的功率合成器件是研究的重點。

隨著微波毫米波固態器件的發展，固態微波毫米波高功率放大技術引起了人們的廣泛關注。由于單個MMIC輸出功率能力有限，難于滿足工程應用的要求，功率合成技術是獲得大功率固態微波毫米波源的最重要、最有效途徑。功率分配/合成技術性能的好壞直接影響到整個系統能量的分配和合成效率。近年來，基于波導功率合成研究越來越關注，相繼提出基于波導、微帶線的合成形式以及徑向合成等多種新型模式[1-6]。

1　理論分析

在毫米波頻段，由于微帶介質本身的性質造成插損較大，應用比較多的就是采用波導形式進行能量傳輸，而從合成角度來講，主要分為以下幾種。

1.1　分支波導

分支波導是一種三端口元件，在微波系統中用作功率的分配和合成。常見的分支波導有T形接頭和Y形分支，其中波導T形接頭包括E-T接頭和H-T接頭兩種，它們除了可以用來進行微波分路或合并外，也可以作阻抗變換器進行調配。

1.1.1E-T接頭

E-T接頭的結構如圖1(a)所示，它由一段波導及從波導寬邊(E面)接出來的分支波導構成，端口1與2呈幾何對稱，端口3的中截面是它們的幾何對稱面，它的等效電路為串聯的雙根線。

圖1　分支波導結構圖

E-T接頭的特點：

1)由端口1入射的TE10波，將被分配到端口2與3，同樣，由端口2輸入的TE10波會從端口1與3 輸出。

2)若在端口1與2同時輸入等幅同相的TE10波，則端口3將無能量輸出。

3)若在端口1與2同時輸入等幅反相的TE10波，則端口3將獲得最大能量輸出。

4)根據互易原理，若在端口3輸入TE10波，它將在端口1與2等幅但反相輸出。

1.1.2H-T接頭

若在波導窄邊(H面)接出一段分支波導，就形成H-T接頭。同樣，端口1與2相對于端口3的中截面對稱分布，它的等效電路為并聯的雙根線。

H-T接頭特點：

1)由端口1入射的TE10波，將被分配到端口2與3，同樣，由端口2輸入的TE10波會從端口1與3 輸出。

2)若在端口1與2同時輸入等幅同相的TE10波，則端口3將獲得最大能量輸出。

3)若在端口1與2同時輸入等幅反相的TE10波，則端口3將無能量輸出。

4) 根據互易原理，若在端口3輸入TE10波，它將在端口1與2等幅但同相輸出。

1.2　微帶探針過渡

微帶探針過渡是從同軸探針發展而來，實質上是通過一段起耦合作用的微帶線把波導中的電場耦合到微帶線上。能使波導以垂直和平行于微帶電路所在平面的方向與微帶相連接，矩形波導的短路活塞使探針處于波導內電場最強的位置，微帶探針經過一段高阻抗線變換到 50Ω微帶線[7]。

圖2　微帶探針過渡示意圖

微帶線的特性阻抗[8]：

(1)

根據公式(1)繪出微帶線寬與特性阻抗關系圖，從而給出微帶線的初始尺寸。

2　仿真設計

根據上述設計思想，在微波仿真設計軟件HFSS中建模，基片材料采用Rogers5880，介電常數為2.2，厚度為0.254mm，表1為微帶-探針過渡主要參數的初始值。

表1　微帶-探針過渡主要參數的初始值

在得到模型的初始值后，在HFSS中仿真，并進行小范圍的優化，直至得到滿意的仿真結果。優化中可以采用手動方式進行浮動，如果利用軟件中的Tune功能，需要較高的硬件配置，而且優化時間較長。

圖3(b)是波導合成器內部電磁場仿真分布圖，由圖可以看出，電磁場在合成器中能夠良好傳輸，也印證了該微波器件的合成功能。下面是具體仿真結果分析：

圖3　合成器仿真與電磁場分布圖

圖4　合成器仿真結果

由圖4(a)、(b)、(c)可以看出，在頻帶內該合成器的插入損耗為0.2dB，端口反射為20dB，可以保證合成信號的幅度要求；圖4(d)可以看出，輸入端口到輸出端口之間的信號相位基本一致，這也保證了合成信號的相位要求。

在以上的仿真分析設計的基礎上，采取Triquint 公司TGA2575的芯片進行兩路功率合成，輸出功率及合成效率如圖6所示。

圖5　合成器實物圖

圖6　合成器輸出功率及合成效率曲線

4　結束語

采用這種新型波導合成結構，可以使頻帶內反

射達到20dB，駐波比達到1.25，插損為0.2dB，合成效率可以達到95.2%，尺寸較傳統波導合成器減小40%，而且結構簡單，易于集成，使微波器件的小型化成為可能，具有良好的應用前景。