寬帶波導(dǎo)器件的高功率設(shè)計(jì)

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(shù)下產(chǎn)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(shí)現(xiàn)寬帶波導(dǎo)器件高功率的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)出寬帶低損耗波導(dǎo)合成器。基于此，本文對(duì)三端口寬帶波導(dǎo)合路器以及四端口寬帶波導(dǎo)合路器進(jìn)行比較優(yōu)缺點(diǎn)，提出高功率寬帶波導(dǎo)合成器的設(shè)計(jì)方案，采用電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行對(duì)寬帶波導(dǎo)功率合成器的設(shè)計(jì)仿真和建模，由此對(duì)功率合成器進(jìn)行了在25-27吉赫工作范圍的設(shè)計(jì)與制作，在此基礎(chǔ)上對(duì)比分析了仿真曲線和測(cè)試指標(biāo)。通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的高功率寬帶器件的實(shí)際測(cè)試，結(jié)果表明其具有一定的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】寬帶波導(dǎo) 器件 高功率 設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)微波毫米波功率合成技術(shù)下產(chǎn)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(duì)寬帶波導(dǎo)器件進(jìn)行了高功率設(shè)計(jì)。

1寬帶波導(dǎo)器件的高功率設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

在一定的設(shè)計(jì)要求下，針對(duì)某寬帶波導(dǎo)器件的功率合成高效放大的需求，采用合成器的兩個(gè)功率模塊進(jìn)行高功率設(shè)計(jì)，其功率效率大于86%。從相關(guān)定義可知，寬帶波導(dǎo)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(guān)性。因此，必須實(shí)現(xiàn)功率波導(dǎo)器件具有良好的寬帶特性、精準(zhǔn)的幅度相位及低耗損插入度，從而實(shí)現(xiàn)與寬帶的高效合成，據(jù)此，筆者提出寬帶波導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)目標(biāo)：即合成兩路頻率在25-27吉赫工作范圍內(nèi)的相對(duì)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(dǎo)相對(duì)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(dǎo)結(jié)構(gòu)的高功率器件。由于當(dāng)前技術(shù)的局限性，適合該設(shè)計(jì)的波導(dǎo)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(dǎo)電橋以及無(wú)耗損的合成波導(dǎo)其，其中根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)方式，可以四端口自帶隔離端的波導(dǎo)合成器分為波導(dǎo)分支線電橋、波導(dǎo)H面耦合電橋、波導(dǎo)環(huán)形電橋和波導(dǎo)魔T等；根據(jù)實(shí)現(xiàn)形式的不同，無(wú)損耗三端口的波導(dǎo)合路器可分為波導(dǎo)H-T分支及波導(dǎo)E-T分支。

自帶隔離端口的四端口波導(dǎo)電橋具有一定的缺點(diǎn)，主要由其需要一定的外接波導(dǎo)負(fù)載，或是進(jìn)行一定吸波材料的填充，以此確保良好的散熱效果，以此對(duì)功率放大器的體積和成本進(jìn)行有效地增加，波導(dǎo)的散熱負(fù)載能力對(duì)波導(dǎo)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(dǎo)電橋進(jìn)行寬帶波導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)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(huì)破壞寬帶波導(dǎo)器件的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致功率合成端口在一定程度上出現(xiàn)相位差和幅度差。隔離端口也給機(jī)械加工及電路布局工作帶來(lái)一定的困難，而且，其使用的帶寬較為狹窄[2]。

然而相對(duì)于四端口自帶隔離端口的波導(dǎo)電橋，無(wú)損耗三端口3分貝電橋具有電路布局設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)，大大簡(jiǎn)化了加工及電路設(shè)計(jì)難度。而且其在端口的分配上具有較為理想的對(duì)稱性質(zhì)，能夠有效地與幅度相位保持一定的一致性。采用無(wú)損耗三端口3分貝電橋其具有較寬的帶寬，因此，可以在對(duì)帶寬設(shè)計(jì)時(shí)，完成標(biāo)準(zhǔn)的波導(dǎo)帶寬，而且不需要特別及復(fù)雜的工藝配置處理便可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)性能的最大化，不需要進(jìn)行任何的調(diào)整和試驗(yàn)。另外，由于無(wú)損耗三端口3分貝電橋沒(méi)有隔離端口，有效地提高了散熱功能，也就是其技術(shù)下的功率合成器在功率容量上不會(huì)受到負(fù)載散熱能力的限制。

綜上所述，無(wú)耗損3分貝波導(dǎo)電橋相對(duì)于四端口自帶隔離端口的3分貝波導(dǎo)合路器，其具有與幅度相位高度一致，大帶寬的優(yōu)點(diǎn)，因此，本設(shè)計(jì)采用無(wú)耗損3分貝波導(dǎo)電橋與四端口自帶隔離端口的3分貝波導(dǎo)合路器的綜合處理方式，實(shí)現(xiàn)高功率寬帶波導(dǎo)器件的低寬帶消耗。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，改進(jìn)傳統(tǒng)的E-T和H-T結(jié)構(gòu)的匹配形式，采用寬帶的結(jié)構(gòu)匹配，對(duì)寬帶的性能進(jìn)行改進(jìn)和完善。

2寬帶波導(dǎo)器件的高功率設(shè)計(jì)建模

2.1 H-T波導(dǎo)分支

對(duì)T型H面的容抗及電抗結(jié)影響的綜合考慮，加入感性柱或圓錐結(jié)構(gòu)到波導(dǎo)中，采用H-T匹配方式。但是該結(jié)構(gòu)需要采用匹配形式對(duì)加工椎體結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)方式，然后與T型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行良好的配合。從工程的實(shí)際情況出發(fā)，為簡(jiǎn)化加工的難度系數(shù)，本設(shè)計(jì)通過(guò)以直代曲的方法，將錐形體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉脚_(tái)的結(jié)構(gòu)體系，以此實(shí)現(xiàn)了在銑床上整個(gè)功率分配結(jié)構(gòu)額一次成型[3]。在電磁場(chǎng)仿真軟件該H-T兩路結(jié)構(gòu)的俯視效果如圖一所示。

2.2 E-T波導(dǎo)分支

主波導(dǎo)寬邊面上的分支為E-T波導(dǎo)分支，主波導(dǎo)TE 10模電場(chǎng)方向與其軸線平行，此分支屬于串聯(lián)分支的一種。傳統(tǒng)色設(shè)計(jì)是采取緩變圓錐的匹配方式，在寬帶范圍實(shí)現(xiàn)寬帶匹配能夠?qū)﹄娍乖淖兓M(jìn)行補(bǔ)償。由于E-T波導(dǎo)分支的導(dǎo)腔體與圓錐結(jié)構(gòu)無(wú)法達(dá)成加工的一體成型。但是在實(shí)際加工過(guò)程中，單獨(dú)對(duì)匹配的圓錐體進(jìn)行單獨(dú)加工。加工完成后采用螺釘固定或焊接的方式對(duì)腔體與匹配的圓錐體進(jìn)行綜合，但是，這就在很大程度上出現(xiàn)二次裝配誤差。采用圓錐體的匹配結(jié)構(gòu)，其對(duì)加工和裝配工藝的要求較高。所以，本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)加工工藝的綜合考量，為了降低加工難度，實(shí)現(xiàn)匹配達(dá)到良好的帶寬性能，采用了將三角錐型的波導(dǎo)漸變和感性柱加入到T型結(jié)中間，其中波導(dǎo)漸變則有效地展寬了帶寬，實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)實(shí)阻抗的寬帶匹配，而感性柱有效地對(duì)串聯(lián)分支所帶來(lái)的一定電抗分量進(jìn)行了抵消。在電磁場(chǎng)仿真軟件該E-T兩路結(jié)構(gòu)的俯視效果如圖二所示。

3高功率寬帶波導(dǎo)器件的仿真設(shè)計(jì)

3.1高功率寬帶波導(dǎo)器件仿真

對(duì)H-T和E-T波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的匹配結(jié)構(gòu)具體參數(shù)采用電磁場(chǎng)仿真軟件方式進(jìn)行確定。選擇三維電磁仿真軟件，采用有限元方法，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。三維電磁仿真軟件具有高真精準(zhǔn)度與可靠性，能夠快捷地進(jìn)行仿真操作，其速度非?？欤覔碛幸子梅奖愕牟僮鹘缑?。當(dāng)前此技術(shù)自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)具有一定的穩(wěn)定成熟性，該方法已經(jīng)成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及首選設(shè)計(jì)工具。

從H-T兩路分支波導(dǎo)合路器的輸出端口反射系數(shù)的仿真曲線上可看出，在頻率范圍25-27 吉赫內(nèi)H-T結(jié)構(gòu)兩路合成端口的輸出反射系數(shù)小于21分貝。從E-T兩路分支合波導(dǎo)路器輸出端口的反射系數(shù)仿真曲線能夠看出在頻率范圍25-27 吉赫內(nèi)E-T兩路結(jié)構(gòu)的合成端口反射均小于25分貝。因此，本設(shè)計(jì)手段下實(shí)現(xiàn)的E-T和H-T波導(dǎo)合路器均具有一定的標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)寬帶40%的波導(dǎo)帶寬，所運(yùn)用的展寬帶寬手段達(dá)到了良好的設(shè)計(jì)效果。

3.2器件性能測(cè)試

通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)實(shí)際制作的寬帶波導(dǎo)E-T合路器的體積約為80 mm×40 mm×22 mm，寬帶波導(dǎo)H-T合路器體積約為65 mm×50 mm×22 mm。對(duì)加工出來(lái)的體積約為80 mm×40 mm×22 mm的波導(dǎo)E-T合路器和體積約為65 mm×50 mm×22 mm的波導(dǎo)H-T合路器組合而成的采用BJ 320波導(dǎo)端口的7.12 mm×3.56 mm高功率寬帶波導(dǎo)器件進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，單個(gè)E-T波導(dǎo)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(dá)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(guān)指標(biāo)要求。H-T波導(dǎo)合路器在測(cè)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(biāo)要求，所設(shè)計(jì)的寬帶波導(dǎo)器件具有高功率效能。

4結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)對(duì)器件進(jìn)行了較為嚴(yán)密的仿真測(cè)試，但是仍然具有一定的不真實(shí)性，因此，應(yīng)加入實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，來(lái)對(duì)其進(jìn)行更高的判定。本設(shè)計(jì)對(duì)寬帶波導(dǎo)器件進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)建模，設(shè)計(jì)出了具有高功率、低損耗及相位幅度高度一致的寬帶波導(dǎo)器件，具有一定的應(yīng)用前景，值得推廣使用，具有一定的實(shí)踐工程價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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