一種基于波導-微帶轉換的X波段功率分配/合成網絡設計

臧 恒，徐小帆， 裴 政，夏 熙

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所, 南京 211153)

0 引 言

隨著無線電通信和雷達技術的發展，為滿足更遠的通信距離、更高的通信質量的要求，需要開發出適用于高頻段、大功率、高效率的射頻系統。目前，在單個固態功率放大器芯片輸出功率有限的情況下普遍采用功率合成技術來提高射頻系統的輸出功率。[1]

在眾多的功率分配/合成方案中，因為波導分配/合成網絡具有功率容量大、合成損耗小、散熱性能好等優點，廣泛應用于微波高功率合成系統中[2-3]。現階段，由于固態功率器件常用微帶線為傳輸線，因此需要波導-微帶轉換，實現信號在波導和微帶線之間的模式轉換[4-5]。本文基于波導-微帶轉換理論設計了一種基于BJ100標準波導的功率分配/合成網絡，是針對具體的工程應用需求提出的一種高可靠性、低損耗功率分配/合成方案。

1 設計方案

本文設計的基于波導-微帶轉換的波導功率分配/合成網絡原理圖如圖1所示。設計分為兩個部分：四路波導功分/合成器設計和波導-微帶轉換設計。

圖1 基于波導-微帶轉換的功率分配/合成網絡

四路波導功分/合成器有兩級構成，第1級為1個一分二的波導功分/合成器，第2級有2個一分二波導功分/合成器構成，分別連接在第1級的兩個分支端口處。為達到良好的阻抗匹配狀態，對每個一分二的波導功分/合成器進行了阻抗過渡優化，并在直角拐角處進行倒角處理。波導-微帶轉換采用探針耦合轉換的形式，分別連接在第2級波導功分/合成器的分支波導上，有效實現了信號在微帶與波導之間的模式轉換。

2 理論分析和仿真結果

2.1 波導-微帶轉換探針設計

目前，常用的微帶-波導過渡方式主要有脊波導過渡、鰭線過渡、絕緣子探針過渡、微帶探針過渡等幾種形式[6-8]，其中微帶探針形式的過渡具有回波損耗小、結構緊湊、易加工裝配、插入損耗較低的優點，是目前應用較為廣泛的波導-微帶轉換方式之一。

波導-微帶探針的功能是實現信號在波導和微帶間傳輸方式的轉換，其原理圖如圖2所示。微帶探針插入腔體內部，由電磁理論可知：波導中任意一個沿著微帶線方向具有非零電場分量的波導模會在探針表面激勵起電流。根據互易定理，微帶探針中傳輸的準TEM模信號向波導入射時在波導內部會激勵起相應的波導模。為了使得探針和波導中的基模TE10電場耦合強度最大，微帶探針應該從波導腔體的寬面插入，放置在TE10電場強度最大的地方。

圖2 波導-微帶轉換探針結構

矩形波導在TE10模式下微帶探針的輸入阻抗表達式為[9]

Zin=Rin+jXin

(1)

式中

(2)

(3)

由公式(2)、(3)可知，微帶探針的特性阻抗和微帶探針到短路面的距離L、微帶探針插入波導腔的深度d有關。通過調節L和d的大小，使插入探針的電阻Rin和微帶線的特征阻抗相等，調節輸入探針的電抗Xin以抵消各高次模引入的電抗，從而使得入射功率盡可能地耦合到波導內。

在三維電磁仿真軟件中建立仿真模型如圖3所示。本文微帶探針的設計采用厚度為0.508 mm的Rogers RT/Duroid 5880基板，其介電常數為2.2，金屬厚度為0.018 mm，波導選用BJ100(22.86 mm×10.16 mm)標準波導。通過調整微帶線插入波導內的寬度、長度和微帶線距離短路面的距離，使得輸入阻抗在工作頻帶內的變化盡可能平穩，從而保證波導-微帶探針在工作頻帶內的良好性能。對各個參數進行仿真優化后，波導-微帶轉換探針的回波損耗和插入損耗的仿真結果如圖4所示。

圖3 波導-微帶轉換探針仿真模型

由仿真結果可看出，在仿真頻段內，該波導-微帶轉換探針的回波損耗大于24 dB，插入損耗小于0.06 dB。

2.2 波導功分/合成器設計

本文設計的波導功分/合成器工作在X頻段，選用標準BJ100型波導為主傳輸線，波導橫截面尺寸為22.86 mm×10.16 mm，相應主模的截止頻率為12.4 GHz。

圖4 波導-微帶轉換探針仿真結果

四路波導功分/合成器由兩級一分二波導功分/合成器級聯實現。一分二波導功分/合成器的仿真模型如圖5所示。該結構為E-T型波導功分器，結構上是主波導串聯分支波導[10-11]。在主波導和分支波導連接位置設計有改善駐波和降低傳輸損耗的倒角槽，在主波導和分支波導連接位置兩側設計有改善駐波和匹配過渡的切角。在三維電磁仿真軟件中建立仿真模型，通過對T型結處倒角的尺寸、主波導拐角處倒角尺寸仿真優化，可得到各個倒角的尺寸。一分二波導功分/合成器的仿真結果如圖6所示。

圖5 一分二波導功分/合成器仿真模型

圖6 一分二波導功分/合成器仿真結果

2.3 波導功分/合成器和微帶探針級聯設計

在波導功分/合成器和波導-微帶轉換探針分別設計完成的基礎上把波導功分/合成器模型和波導-微帶轉換探針模型相級聯。四路波導功分/合成器作為功率分配/合成網絡的第1級，波導功分/合成器的每個輸出端口和波導-微帶轉換探針級聯，從而形成四路功率分配/合成網絡，在三維電磁仿真軟件中建立仿真模型如圖7所示。

圖7 功率分配/合成網絡仿真模型

對模型參數進行仿真優化，仿真結果如圖8所示。在仿真頻率范圍內，功率分配網絡的輸入端口回波損耗大于19 dB，4個輸出端口的幅度一致性優于±0.1 dB，相位一致性優于±0.7°，滿足設計指標要求。

圖8 功率分配/合成網絡仿真結果

3 實物及測試結果

基于仿真優化的尺寸，加工波導功分/合成器和波導-微帶轉換探針，裝配完成后如圖9所示。

圖9 功率分配/合成網絡實物圖

對裝配完成的功率分配/合成網絡進行測試，測試使用Agilent公司的N5242A矢量網絡分析儀，校準件選用Agilent公司的85052D 3.5 mm校準件。

實測結果如圖10所示。在f0±0.55 GHz的頻段內，該功率分配/合成網絡的插入損耗小于0.5 dB，回波損耗小于-15 dB，四路輸出端口的幅度一致性優于±0.35 dB，相位一致性優于±3.5°，與仿真結果基本一致。

該波導功率合成/分配網絡成功應用于某雷達末級功放組件，峰值功率承受能力大于1 200 W，組件通過三溫實驗，無故障現象產生，設計完全滿足工程應用。

圖10 功率分配/合成網絡實試結果

4 結束語

本文提出了一種基于波導-微帶轉換的X波段功率分配/合成網絡。文中對功率分配/合成網絡的組成進行了分析設計，并用HFSS軟件進行建模仿真，根據仿真優化尺寸進行機械加工，對實物性能指標進行測試。從仿真和測試結果可以看出，功率分配/合成網絡在插入損耗、幅度相位一致性、回波損耗上表現了良好的性能。該設計已成功應用于某雷達末級功放組件上，使用效果良好，具有重要的工程應用價值。