一種新型W 波段寬帶波導(dǎo)功率合成器

李 磊 李 兵 邱林茂

(1.西安交通大學(xué) 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(fā)展，雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)發(fā)射機(jī)要求越來(lái)越高，工作頻率從L 波段已經(jīng)上升到W 波段，工作帶寬也從當(dāng)初的幾百兆赫茲拓寬到數(shù)千兆赫茲。然而W 波段內(nèi)的功率放大器輸出功率較小，無(wú)法滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指標(biāo)，因而必須進(jìn)行功率合成，才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

由于介質(zhì)損耗隨頻率的增高越來(lái)越大，而且對(duì)機(jī)械加工精度的要求越來(lái)越高，因此在W 波段，采用傳統(tǒng)微帶的介質(zhì)損耗和加工精度已無(wú)法滿足發(fā)射機(jī)功率合成的需要，必須采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能保證發(fā)射機(jī)的合成效率。雖然波導(dǎo)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(fā)射機(jī)中的應(yīng)用。

在總結(jié)前人的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，提出了一種新型的W 波段寬帶波導(dǎo)功率合成器的設(shè)計(jì)方法，為W 波段寬帶功率放大模塊、波導(dǎo)天線設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路。

2 波導(dǎo)T 型功率合成器的理論分析

根據(jù)簡(jiǎn)正模理論，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，當(dāng)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(dǎo)的主模)。本文所采用的W 波段波導(dǎo)，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?shù)臈l件，因而不存在TM 模及高次模。TE(橫電)模，其傳播常數(shù)為

對(duì)于TE10 模來(lái)說(shuō)，m=1，n=0，β 只與寬邊a的尺寸相關(guān)。

橫電場(chǎng)的波阻抗為

可以看出波阻抗與波導(dǎo)窄邊b 無(wú)關(guān)，只與寬邊a 有關(guān)。

由于合成與分配為一對(duì)互逆的過(guò)程，因此可將合成按照分配的方式做出如下分析:當(dāng)沿窄邊對(duì)矩形波導(dǎo)進(jìn)行剖分，其能量分割方式主要是對(duì)波導(dǎo)主模的電場(chǎng)的分割，如圖1(a)所示，而且根據(jù)仿真結(jié)果驗(yàn)證，在功率過(guò)程中高次模并未成為主導(dǎo)模式，這從圖1(b)中可以看出。因而其設(shè)計(jì)原則可看作為:是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)波導(dǎo)電場(chǎng)“平滑”的分割。通常的做法如圖1 所示，先將波導(dǎo)利用尖角功分為兩路，其高度為公共口(標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo))高度的一半，然后再逐漸過(guò)渡為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)尺寸［3，4］，這樣可以大大減少由于尺寸變化帶來(lái)的不連續(xù)性影響，降低端口駐波和插入損耗。

圖1 功率合成器電場(chǎng)示意圖

3 寬帶波導(dǎo)功率合成器的設(shè)計(jì)與測(cè)試

本文中設(shè)計(jì)的功率合成器頻段為90～100GHz，其標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)尺寸為2.54mm ×1.27mm。若采用通常壓縮窄邊的結(jié)構(gòu)方式，那分割開的兩波導(dǎo)窄邊尺寸將變?yōu)?.635mm，這不僅對(duì)機(jī)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(chǎng)擊穿，這對(duì)于發(fā)射機(jī)的功率合成不利;加之通常結(jié)構(gòu)內(nèi)部還需要一個(gè)過(guò)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(xiàn)“偏分割”的情況，這一點(diǎn)在X，Ku、Ka 頻段內(nèi)，波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于偏移量時(shí)，對(duì)整個(gè)器件性能產(chǎn)生的影響并不明顯，但是在90～100GHz 的范圍內(nèi)，它變得不可忽視，已嚴(yán)重影響兩端口的幅度一致性。

圖2 波導(dǎo)W 波段波導(dǎo)E-T 結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和理論分析［5，6］提出了新的設(shè)計(jì)方法:先將公共波導(dǎo)口窄邊b 緩慢增大，當(dāng)超過(guò)2 ×b 的尺寸后，然后再加入三角形劈尖，直接過(guò)渡為兩個(gè)窄邊為b 的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，過(guò)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(xù)性，也易于機(jī)械加工;再通過(guò)將內(nèi)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(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)形式既不違反簡(jiǎn)正模理論，也能保證波導(dǎo)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(guò)三維電磁仿真軟件HFSS 的計(jì)算與優(yōu)化，得到了表1中給出了的物理尺寸。從圖4 的對(duì)比圖中可以看到其仿真結(jié)果。

表1 E-T 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)尺寸(單位:mm)

圖3 為實(shí)際加工的功率合成器與1 角錢硬幣的實(shí)物對(duì)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(dǎo)法蘭尺寸與螺釘孔的排布，為了便于加工與測(cè)試才拉大了兩口間距。實(shí)際集成使用中可根據(jù)需求調(diào)整尺寸，最小可縮小到8mm 以內(nèi)?？梢钥闯鲞@種結(jié)構(gòu)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(dǎo)功率合成器實(shí)物圖

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

圖4 仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

而后經(jīng)過(guò)顯微鏡測(cè)量，發(fā)現(xiàn)加工出的f 尺寸比設(shè)計(jì)的大出0.3mm，經(jīng)仿真驗(yàn)證，這會(huì)抬高回波損耗，進(jìn)而使插入損耗少量增大;再考慮到高頻率下的導(dǎo)體損耗也比低頻率范圍的大，因此認(rèn)為此測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章介紹了一種新型的W 波段寬帶波導(dǎo)功率合成器的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了在W 波段進(jìn)行寬帶、低損耗功率分配/合成的功能，通過(guò)HFSS軟件進(jìn)行了三維電磁仿真計(jì)算，得出了功率合成器的物理模型，根據(jù)仿真尺寸進(jìn)行了實(shí)物加工并進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:文中提出的W 波段寬帶波導(dǎo)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(yōu)點(diǎn)，同時(shí)驗(yàn)證了理論分析和仿真計(jì)算的正確性，為W 波段的功率放大模塊、波導(dǎo)天線設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路和方法。

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