毫米波寬帶波導(dǎo)功率合成器設(shè)計(jì)

崔 焱,田 兵

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

毫米波頻段是目前軍事電子技術(shù)發(fā)展的主要頻段,廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈精確制導(dǎo)、雷達(dá)、保密通信、電子對(duì)抗和測(cè)試技術(shù)等方面。在毫米波電子對(duì)抗系統(tǒng)中,毫米波功率放大器的輸出功率是電子對(duì)抗系統(tǒng)干擾距離的直接決定因素之一。同時(shí)為了滿足現(xiàn)代電子對(duì)抗系統(tǒng)對(duì)寬帶的要求,功率放大器的帶寬要求越寬越好。由于毫米波頻段商業(yè)的固態(tài)MMIC放大器的輸出功率比較小,一般只有幾瓦,為了獲得大功率發(fā)射機(jī)的功率輸出,必須采用功率合成的辦法將多個(gè)有源放大器并聯(lián)合成輸出。這樣,合成放大器的帶寬就由以下2個(gè)因素決定:放大器的帶寬和功率合成器的帶寬。因此寬帶低損耗功率合成器是實(shí)現(xiàn)毫米波寬帶大功率合成放大器的關(guān)鍵。

近年來,國(guó)內(nèi)多個(gè)科研院所對(duì)基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的功率合成器進(jìn)行了相應(yīng)的研究,文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[4]分別對(duì)Ka頻段波導(dǎo)合路器進(jìn)行了相應(yīng)的研究設(shè)計(jì),但合路器的相對(duì)帶寬較窄,只有10%;文獻(xiàn)[3]對(duì)Ku頻段寬帶波導(dǎo)合路器進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)帶寬可以到一個(gè)波導(dǎo)帶寬,但其采用的匹配形式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,要求比較復(fù)雜的加工工藝和裝配工藝。

針對(duì)某寬帶功率合成放大器的高效合成的設(shè)計(jì)要求,結(jié)合國(guó)內(nèi)的加工工藝和工程實(shí)際,對(duì)經(jīng)典匹配方式進(jìn)行了改進(jìn),改善了匹配結(jié)構(gòu)的帶寬性能,降低了加工難度,改善了裝配工藝,提出了適用于Ka頻段寬帶波導(dǎo)功率合成器。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

針對(duì)某寬帶功率合成放大器高效合成的設(shè)計(jì)要求,要求采用合成器對(duì)2個(gè)功率模塊進(jìn)行合成,合成效率大于85%。由文獻(xiàn)[2]可知,合成器的合成效率由插入損耗、幅度相位一致性共同決定。為了獲得高效寬帶合成,要求功率合成器具有寬帶特性、低的插入損耗和良好的幅度相位一致性。根據(jù)合成效率的設(shè)計(jì)要求,提出合路器設(shè)計(jì)目標(biāo)如下:

頻率:26～40GHz;

相對(duì)帶寬:39%;

合成路數(shù):兩路;

兩路輸入支路幅度平衡度＜0.3 dB;

兩路輸入支路相位平衡度＜5°;

插入損耗:＜0.5 dB。

1.2 合路器選擇

相對(duì)微帶而言,波導(dǎo)具有低損耗和高功率容量的特性,因此毫米波功率合成多采用基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的合成器。目前適用于毫米波頻段的波導(dǎo)合路器主要有2種類型:自帶隔離端口的四端口波導(dǎo)3 dB電橋和無耗三端口的波導(dǎo)合路器,其中四端口的波導(dǎo)合路器根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同,包括波導(dǎo)環(huán)形電橋、波導(dǎo)分支線電橋、波導(dǎo)魔T和波導(dǎo)H面耦合電橋等;無耗三端口波導(dǎo)合路器根據(jù)實(shí)現(xiàn)形式的不同,可分為波導(dǎo)E-T分支和波導(dǎo)H-T分支兩類。

目前國(guó)內(nèi)外采用的波導(dǎo)3 dB電橋多是自帶隔離端口的四端口的波導(dǎo)合路器,因?yàn)樽詭Ц綦x端口用于功率合成時(shí),由于支路之間良好的隔離度,用于功率合成可以避免復(fù)雜的調(diào)試,但是四端口的波導(dǎo)電橋在使用的時(shí)候也有以下缺點(diǎn):①四端口的波導(dǎo)3 dB電橋一般需要外接波導(dǎo)負(fù)載或是填充一定的吸波材料,并保證波導(dǎo)負(fù)載良好散熱,從而增加功率放大器的成本和體積,而且波導(dǎo)負(fù)載的散熱能力直接決定波導(dǎo)電橋的功率容量;②隔離端口的存在往往會(huì)破壞功率合成器結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,造成功率合成端口出現(xiàn)一定的幅度差和相位差;③隔離端口的存在會(huì)給電路布局和機(jī)械加工帶來相當(dāng)大的困難,特別時(shí)波導(dǎo)魔T,匹配件的加工和調(diào)試工作量很大;④四端口波導(dǎo)電橋的使用帶寬較窄,一般只有10%。綜上所述,在寬帶大功率合成中,基于四端口結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)電橋的使用的受到較大的限制。

相對(duì)四端口結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)電橋而言,無耗三端口的3 dB電橋具有以下優(yōu)點(diǎn):①加工簡(jiǎn)單,電路布局設(shè)計(jì)方便;去掉隔離端口以后,輸入端口和輸出端口就是一個(gè)純平面結(jié)構(gòu),電路設(shè)計(jì)和加工難度大大簡(jiǎn)化;②功率分配端口具有理想的對(duì)稱性,具有良好的幅度相位一致性;2個(gè)輸入端口對(duì)輸入端口在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)理想的軸對(duì)稱關(guān)系;③帶寬很寬,設(shè)計(jì)帶寬可以到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)帶寬;④設(shè)計(jì)可以保證性能,不需要復(fù)雜的裝配工藝,一般不需要調(diào)試;⑤功率容量較大。去掉了隔離端口以后,功率合成器的功率容量就不受限于負(fù)載的散熱能力。

因此,從上面的比較可以看出,相對(duì)四端口的波導(dǎo)3dB合路器來說,無耗3 dB波導(dǎo)電橋具有帶寬很寬、幅度相位一致性好等優(yōu)點(diǎn),因此為了獲得寬帶低耗的波導(dǎo)功率合成器,根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo),綜合采用無耗3 dB波導(dǎo)合成器。然而經(jīng)典的E-T和H-T結(jié)構(gòu)的匹配形式往往存在帶寬窄,加工和裝配比較困難等缺點(diǎn),為了獲得寬帶匹配,需要對(duì)波導(dǎo)H-T分支和E-T分支結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,采用相應(yīng)的寬帶匹配結(jié)構(gòu),對(duì)經(jīng)典匹配結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),改善其帶寬性能。

1.3 合成器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)分析

無耗3 dB波導(dǎo)電橋理論上是一個(gè)無耗三端口網(wǎng)絡(luò),在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前,對(duì)無耗三端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的分析。設(shè)理想情況下,網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)為:

由2,3口對(duì)稱:

而且有網(wǎng)絡(luò)互易,有

對(duì)無耗互易網(wǎng)絡(luò):SS*=1,即

假設(shè)=0,可以得到無耗三端口網(wǎng)絡(luò)理想S參數(shù)為:

從式(3)可以看出,三端口無耗網(wǎng)絡(luò)不可能達(dá)到完全匹配,2個(gè)輸入端口之間的理論隔離度只有6 dB,在設(shè)計(jì)中僅需要對(duì)合成端口的輸出回波進(jìn)行優(yōu)化,就是設(shè)計(jì)無耗三端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)在理想情況下需要滿足的關(guān)系,已此為目標(biāo)對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,滿足設(shè)計(jì)要求。

1.4 合成器建模

3 dB無耗波導(dǎo)合路器可分為波導(dǎo)E-T分支和波導(dǎo)H-T分支。分別對(duì)波導(dǎo)E-T分支和H-T分支結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和建模。

1.4.1 波導(dǎo)H-T分支

波導(dǎo)H-T分支是在主波導(dǎo)窄邊面上的分支,其軸線平行于主波導(dǎo)TE 10模的磁場(chǎng)方向,波導(dǎo)H面T分支相當(dāng)于并聯(lián)于主波導(dǎo)的分支線。通常對(duì)H-T采用的匹配形式為在波導(dǎo)中加入感性柱,或是加入漸變的圓錐結(jié)構(gòu),前者的匹配沒有考慮H-T結(jié)構(gòu)的容抗。因而帶寬相對(duì)較窄,相對(duì)帶寬只有10%,后者的匹配加入可漸變的圓錐,綜合考慮了H面T型結(jié)的電抗和容抗的影響,帶寬較寬,然而這個(gè)結(jié)構(gòu)需要采用的匹配形式需要單獨(dú)加工錐體結(jié)構(gòu)然后和T型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)良好配合,錐形結(jié)構(gòu)的加工較為復(fù)雜,特別是到了毫米波頻段,加工的難度比較大,且錐體和T型結(jié)的配合和固定也直接影響匹配的性能。為了簡(jiǎn)化加工難度,從工程實(shí)際出發(fā),采取了化曲為直的辦法,把錐形體結(jié)構(gòu)變成一個(gè)方臺(tái)結(jié)構(gòu),這樣整個(gè)功率分配結(jié)構(gòu)可以在銑床上一次成型。該兩路H-T結(jié)構(gòu)在HFSS中模型的俯視示意圖如圖1所示。

圖1 兩路H-T在HFSS中模型俯視示意圖

1.4.2 波導(dǎo)E-T分支

波導(dǎo)E-T分支是在主波導(dǎo)寬邊面上的分支,其軸線平行于主波導(dǎo)的TE 10模的電場(chǎng)方向,是一種串聯(lián)分支。E-T分支在通常對(duì)E-T結(jié)構(gòu)的匹配在的T型結(jié)的位置加入感性的柱來改善其匹配,一般窄帶的多采用矩形柱或是圓形柱的,為了實(shí)現(xiàn)寬帶匹配補(bǔ)償電抗元件在寬帶范圍的變化,也可采取緩變圓錐匹配,同樣這種圓錐結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)腔體無法一體加工成型。在實(shí)際加工中,匹配的圓錐體必須單獨(dú)加工,然后和腔體采用焊接或是螺釘固定,這樣一來,必然帶來二次裝配的誤差。因此采用圓錐體的匹配結(jié)構(gòu)對(duì)加工和裝配的工藝要求較高。特別是到了毫米波頻段,波長(zhǎng)變短,匹配件的尺寸變小,加工的難度比較大。為了實(shí)現(xiàn)匹配良好帶寬性能,綜合考慮加工工藝,降低加工難度,采用的匹配形式是在T型結(jié)的中間位置加入三角錐型的感性柱和波導(dǎo)漸變,三角感性柱的匹配有效的抵消了串聯(lián)分支帶來的電抗分量,而波導(dǎo)漸變則有效的實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)實(shí)阻抗的寬帶匹配,從而展寬了帶寬。該兩路E-T結(jié)構(gòu)在HFSS中模型的俯視示意圖如圖2所示。

圖2 兩路E-T在HFSS中模型俯視示意圖

1.5 合成器仿真

采用電磁場(chǎng)仿真軟件確定波導(dǎo)E-T和H-T結(jié)構(gòu)中匹配結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)。電磁場(chǎng)仿真軟件選擇的是Ansoft HFSS。Ansoft HFSS采用有限元方法,有高的仿真精度和可靠性,快捷的仿真速度,方便易用的操作界面,穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù),成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)HFSS的使用參見文獻(xiàn)[5]。

兩路E-T分支合波導(dǎo)路器輸出端口反射系數(shù)仿真曲線如圖3所示。從圖3中可以看出,兩路E-T結(jié)構(gòu)在頻率范圍26～40 GHz內(nèi)合成端口的反射都小于-24 dB。

圖3 E-T分支的仿真曲線和測(cè)試曲線

兩路H-T分支波導(dǎo)合路器輸出端口反射系數(shù)仿真曲線如圖4所示。從仿真曲線可以看出,兩路H-T結(jié)構(gòu)在頻率范圍26～40 GHz內(nèi)合成端口的輸出反射系數(shù)小于-20 dB。

圖4 H-T分支的仿真曲線和測(cè)試曲線

從圖3和圖4的仿真曲線可以看出,采用的帶寬展寬手段達(dá)到了設(shè)計(jì)效果,設(shè)計(jì)出的E-T和HT波導(dǎo)合路器的帶寬都達(dá)到了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)帶寬,相對(duì)帶寬約為39%。

2 性能測(cè)試

實(shí)際制作的寬帶波導(dǎo)E-T合路器的體積約為80mm×40mm×22 mm,寬帶波導(dǎo)H-T合路器體積約為65mm×50 mm×22mm。合路器的輸入輸出端口均采用BJ 320波導(dǎo)端口,尺寸為7.12mm×3.56 mm。

用Agilent 8722 ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,采用雙端口校準(zhǔn)方式校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀。

對(duì)加工出來的波導(dǎo)E-T和波導(dǎo)H-T合路器進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試的E-T波導(dǎo)合路器的輸出端口的回波見圖3所示,單個(gè)E-T波導(dǎo)合路器的插入損耗在0.2～0.4 dB之間,兩路幅度一致性最大為0.15 dB,相位不一致性在40 GHz最大為 4.5°,均符合指標(biāo)要求。測(cè)試的H-T波導(dǎo)合路器的輸出端口的回波如圖4所示,插入損耗在0.1～0.25 dB之間,幅度一致性最大為0.18 dB,相位不一致性在38 GHz最大為4.2°,符合指標(biāo)要求。用于兩路功率合成可望獲得大于超過85%的高效合成。

3 測(cè)試結(jié)果分析

從圖3和圖4的測(cè)試曲線可以看出,兩路H-T背靠背連接時(shí)合路輸出端口的反射在26～40 GHz都小于-17 dB,兩路E-T背靠背連接時(shí)合路輸出端口的反射在頻率范圍26～40GHz都小于-20 dB,H-T結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)合路器和E-T結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)合路器的輸出端口的回波的測(cè)試值和仿真曲線的走勢(shì)吻合得很好。但和仿真值存在一定的差別,插入損耗也比理論值略大,這主要是由于仿真的時(shí)候采用得理想波導(dǎo)模型,未記入波導(dǎo)本身的歐姆損耗和波導(dǎo)內(nèi)壁的粗糙度帶來的損耗。

4 結(jié)束語

對(duì)毫米波頻段的寬帶功率合成器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)建模和仿真設(shè)計(jì),具有低插入損耗和幅度相位高度一致等優(yōu)點(diǎn),雖然只是具體設(shè)計(jì)了Ka頻段兩路的功率合成器,只要做適當(dāng)擴(kuò)展,就可以用來設(shè)計(jì)其他頻率范圍和多路合成的功率合成器,在毫米波大功率合成系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景,也可應(yīng)用到其他相關(guān)領(lǐng)域。

[1]張肇儀.微波工程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2]趙晨曦.空間功率合成技術(shù)研究[C].成都:電子科技大學(xué)碩士論文,2007:33-37.

[3]黨 章.Ku頻段高效大功率合成放大器設(shè)計(jì)[C].成都:電子科技大學(xué)碩士論文,2008:57-58.

[4]劉 曉.毫米波功率合成技術(shù)研究[C].成都:電子科技大學(xué)碩士論文,2009:18-29.

[5]謝擁軍,王 鵬.Ansoft HFSS基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2007.