一種矩形波導(dǎo)空間功率合成器的設(shè)計(jì)

安士全，張洪川，張　瑞(.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥30088; .揚(yáng)州藍(lán)劍電子系統(tǒng)工程有限公司，江蘇揚(yáng)州5000)

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一種矩形波導(dǎo)空間功率合成器的設(shè)計(jì)

安士全1，張洪川2，張瑞1
(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥230088; 2.揚(yáng)州藍(lán)劍電子系統(tǒng)工程有限公司，江蘇揚(yáng)州225000)

摘要:介紹了矩形波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)的工作原理，利用小反射理論和譜域法原理，結(jié)合微波仿真軟件，對(duì)漸變鰭線過(guò)渡電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使工作頻率帶寬和合成效率得到了有效提高。在X波段實(shí)現(xiàn)了雙對(duì)極鰭線的空間功率合成系統(tǒng)，在相對(duì)帶寬大于25%的寬帶范圍內(nèi)得到的合成效率大于70%，輸出功率大于25 W。

關(guān)鍵詞:矩形波導(dǎo);空間功率合成;漸變鰭線;單片微波集成電路

0　引言

微波固態(tài)功率源是雷達(dá)、通信、制導(dǎo)、電子對(duì)抗、射電天文等電子設(shè)備的重要元件，因此微波功率源的研究一直受到微波設(shè)計(jì)人員的重視。然而，受固態(tài)器件其自身物理特性的影響，單個(gè)管功率的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電子設(shè)備日益增大的功率需求。功率合成技術(shù)成為解決這一難題的有效方法，并得到了迅速發(fā)展。目前，功率合成技術(shù)主要分為電路式功率合成和空間功率合成兩種方法［1］。

空間功率合成技術(shù)在20世紀(jì)80年代初由W.Lothar等人提出，其主要原理是利用多個(gè)功率輻射單元通過(guò)正確的相位關(guān)系實(shí)現(xiàn)功率的疊加。功率合成后可以通過(guò)天線進(jìn)行接收，也可以將功率直接合成到高功率需求處。相比電路式功率合成方式，空間功率合成技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)合成效率更高，而且合成效率跟合成路數(shù)無(wú)關(guān)，不會(huì)隨合成路數(shù)的增加而降低，因此更適合多器件合成的場(chǎng)合;(2)帶寬更寬，空間功率合成一般采用過(guò)渡結(jié)構(gòu)作為收發(fā)天線，通過(guò)對(duì)過(guò)渡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，具有良好的寬帶性能，輸入輸出的隔離性能也更好;(3)可擴(kuò)充性，通過(guò)擴(kuò)大波束的截面即可實(shí)現(xiàn)更多單元的功率合成和更高的功率輸出;(4)適度惡化性能，空間功率合成的各單元間為并聯(lián)關(guān)系，相互之間互不影響，因此某單元的失效不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的劇烈下降和毀滅性后果。由于空間功率合成技術(shù)的以上優(yōu)點(diǎn)，在20世紀(jì)90年代國(guó)際上曾掀起一股空間功率合成技術(shù)研究的熱潮。

本文結(jié)合矩形波導(dǎo)空間功率合成系統(tǒng)的特點(diǎn)，基于對(duì)已有漸變鰭線過(guò)渡電路的研究，利用小反射理論和譜域法原理對(duì)對(duì)極鰭線過(guò)渡電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，較好地提高了空間功率合成系統(tǒng)的帶寬和合成效率［2-3］。

1　原理與方法

1.1工作原理

基于矩形波導(dǎo)的空間功率合成系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示，在物理結(jié)構(gòu)上對(duì)波導(dǎo)寬邊進(jìn)行剖分，將標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)切分成相同的多層托盤平面結(jié)構(gòu)，各層組合后形成等效傳輸波導(dǎo)。在每層托盤上實(shí)現(xiàn)功率放大電路結(jié)構(gòu)。在波導(dǎo)主模式傳輸工作條件下，功率合成在等效波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行。利用波導(dǎo)-微帶的多路過(guò)渡結(jié)構(gòu)，將波導(dǎo)傳輸能量耦合到各層平面微帶電路。在平面電路上使用MMIC或功放組件分別對(duì)各支路功率進(jìn)行放大，而各平面輸出端的微帶-波導(dǎo)過(guò)渡將經(jīng)過(guò)平面電路放大的各路能量耦合到波導(dǎo)空間實(shí)現(xiàn)功率合成并最終在波導(dǎo)端口實(shí)現(xiàn)能量合成輸出［4］。

圖1　矩形波導(dǎo)空間功率合成器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2所示的是本文采用兩托架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)2×2路功率合成的一層托盤的裝配示意圖?？臻g功率合成器的輸入輸出是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，端口為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo);射頻信號(hào)在輸入端從波導(dǎo)模式經(jīng)過(guò)托盤結(jié)構(gòu)的漸變鰭線電路轉(zhuǎn)變微帶，到達(dá)MMIC進(jìn)行信號(hào)放大，之后經(jīng)過(guò)輸入的逆過(guò)程將微帶電路轉(zhuǎn)換為波導(dǎo)形式輸出。

在矩形波導(dǎo)空間功率合成器中，由于在波導(dǎo)到漸變鰭線的轉(zhuǎn)換中介質(zhì)的不連續(xù)性會(huì)引起信號(hào)反射產(chǎn)生反射損耗，因此設(shè)計(jì)反射損耗盡量小的漸變過(guò)渡鰭線電路是提高合成器性能指標(biāo)的關(guān)鍵。

圖2　2×2路功率合成一層托盤的結(jié)構(gòu)

1.2鰭線電路設(shè)計(jì)

過(guò)渡鰭線的設(shè)計(jì)包括選擇一種阻抗?jié)u變的曲線，使得由它引入的反射損耗盡可能的小，并要求漸變段的長(zhǎng)度盡量短。一般來(lái)說(shuō)，過(guò)渡鰭線越長(zhǎng)其反射就越小，但隨著傳輸線變長(zhǎng)同時(shí)帶來(lái)的路徑損耗也會(huì)變大，也不利于系統(tǒng)的小型化。因此，漸變鰭線的長(zhǎng)度與其損耗是一對(duì)矛盾，需要進(jìn)行折中，其設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是選擇一種漸變鰭線，在滿足差損要求的情況下長(zhǎng)度盡量短。

目前，在實(shí)際工程應(yīng)用中，漸變鰭線已有比較成熟的公式，對(duì)于一般的工程應(yīng)用是可以滿足要求的。這些公式，在實(shí)現(xiàn)一般的工程要求的20～25 dB的回波損耗時(shí)，漸變長(zhǎng)度要在一個(gè)波長(zhǎng)量級(jí)，而且其漸變線的外形差別明顯減小。因此，為了盡量?jī)?yōu)化漸變鰭線的性能，進(jìn)一步提高電路帶寬，縮小插入損耗，需要對(duì)漸變鰭線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為此采用了小反射理論方法進(jìn)行計(jì)算［5-7］。

漸變鰭線看作是多節(jié)的階梯鰭線，對(duì)多節(jié)變換器作近似分析。設(shè)負(fù)載阻抗ZL通過(guò)電長(zhǎng)度為βL=θ且特性阻抗為Z2傳輸線的中間段接到特性阻抗為Z1的傳輸線上，如圖3所示。每一個(gè)接頭處的反射系數(shù)為

傳輸系數(shù)為

圖3　漸變鰭線多次反射示意圖

設(shè)入射波的振幅為1，總的反射波的復(fù)振幅為Γ，它等于總的反射系數(shù)。當(dāng)入射波投射到第1個(gè)接頭時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)振幅為Γ1的部分反射波。而振幅為T21的傳輸波則入射到第2個(gè)接頭處。其中的一部分被反射，即有一個(gè)振幅為Γ3T21e－2jθ的波自右邊入射到第1個(gè)接頭處。而此波的一部分以振幅T12T21Γ3e－2jθ向前傳輸，另一部分以振幅Γ2Γ3T12T21e－2jθ反射回負(fù)載ZL。振幅為Γ的總反射波，是通過(guò)第1個(gè)接頭處向左邊傳輸?shù)乃懈鞑糠植ǖ目偤?。此和?/p>

n=0求這個(gè)幾何級(jí)數(shù)的和，不難得到

用1 +Γ2=1－Γ1代替T12，用1 +Γ1代替T21得

若Γ1和Γ3都比1小得多，則上式很好地近似為

此結(jié)果表明，在小反射時(shí)，總的反射系數(shù)正好是只考慮一次反射時(shí)所得到的反射系數(shù)。

由此可以得出非TEM漸變鰭線輸入反射系數(shù)表達(dá)式為

式中

不同槽縫鰭線對(duì)應(yīng)的傳播常數(shù)可以借助微波仿真軟件HFSS進(jìn)行參數(shù)掃描計(jì)算得出，之后用數(shù)值的方法對(duì)漸變鰭線電路的總反射系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，最終得到最優(yōu)的漸變鰭線。

實(shí)際設(shè)計(jì)中選用Rogers公司的RT5880介質(zhì)基板進(jìn)行了仿真計(jì)算，其具體參數(shù)為介電常數(shù)2.22，厚度0.254 mm，傳輸線表面鍍金3 μm。進(jìn)行了實(shí)際加工和無(wú)源測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比如圖4所示?？梢钥闯?，漸變鰭線在相對(duì)帶寬大于25%頻段內(nèi)輸入回波損耗都在－10 dB以下，測(cè)試曲線與仿真結(jié)果趨勢(shì)是一致的，說(shuō)明該設(shè)計(jì)方法是可行的。

圖4　漸變鰭線S參數(shù)隨頻率的測(cè)試與仿真比較

1.3 MMIC裝配

在X波段市面上的功放芯片MMIC生產(chǎn)廠家比較多，綜合各方面考慮選擇了mimix公司的XP1006。該功率芯片飽和輸出功率40 dBm，增益19dB。該芯片是靜電敏感器件，使用過(guò)程要進(jìn)行熱沉設(shè)計(jì)。

由于功率芯片MMIC的靜電敏感和大功率特性，其裝配工藝要求比較高，需選擇恰當(dāng)?shù)难b配工藝并在專門的凈化間內(nèi)進(jìn)行。矩形波導(dǎo)空間功率合成器中，漸變鰭線微帶板與托架的粘結(jié)采用真空釬焊。MMIC的裝配首先焊接到鉬銅襯底上，之后帶有襯底的MMIC焊接到微帶板和托架上，進(jìn)行金絲鍵合后完成整體的裝配。裝配好的矩形波導(dǎo)空間功率合成器如圖5所示。

2　結(jié)果與分析

采用SMR20信號(hào)源和E4417A功率計(jì)，對(duì)矩形波導(dǎo)空間功率合成器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為:脈沖調(diào)制的射頻信號(hào)，重復(fù)頻率為1 kHz，脈寬100 μs，MMIC漏極電壓8V，柵極電壓－5 V。

首先將射頻信號(hào)源頻率固定在中心頻率f0，增大輸入信號(hào)的功率，空間功率合成器的輸出功率的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，在輸入功率27 dBm時(shí)，輸出功率達(dá)到飽和44.15 dBm。

圖6　中心頻率時(shí)合成器Pout-Pin曲線

圖7　輸入功率27 dBm時(shí)合成器Pout-頻率曲線

將輸入功率固定為27 dBm，對(duì)工作頻率全帶寬進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。在整個(gè)頻帶內(nèi)輸出功率都在44 dBm以上，合成效率在70%以上，在頻率高端和頻率低端的合成效率比中間頻率偏低，而輸出功率在頻率兩端偏高，這是由于功率芯片在頻帶內(nèi)輸出功率的起伏造成的。

3　結(jié)束語(yǔ)

利用小反射理論和譜域計(jì)算方法，對(duì)漸變鰭線電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了超寬帶、低損耗的漸變鰭線過(guò)渡電路，并應(yīng)用于矩形波導(dǎo)空間功率合成器，在X波段研制了合成效率、帶寬等性能優(yōu)良的微波固態(tài)功率合成器。對(duì)于雷達(dá)等通訊系統(tǒng)在小型化、高效率、高功率等方面的發(fā)展具有積極的推進(jìn)作用，并可推廣其在毫米波等更高頻段上功率合成技術(shù)的工程應(yīng)用。

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Design of a spatial power combiner for rectangular waveguide

AN Shi-quan1，ZHANG Hong-chuan2，ZHANG Rui1
(1.No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088; 2.Yangzhou Blue Sword Electronic System Engineering Corporation，Yangzhou 225000)

Abstract:The working principle of the spatial power combining technology for the rectangular waveguide is introduced.Based on the theory of small reflections and the spectral domain approach(SDA)，the tapered fin-line transition circuit is optimized through the microwave simulation software，which effectively improves the bandwidth of the working frequency and the combining efficiency.The spatial power combining system of the double antipodal fin-line is realized at X band.The results show that within the relative bandwidth of more than 25%，the combining efficiency is over 70% and the output power is more than 25 W.

Keywords:rectangular waveguide; spatial power combining; tapered fin-line; MMIC

作者簡(jiǎn)介:安士全(1977-)，男，高級(jí)工程師，碩士，研究方向:固態(tài)收發(fā)技術(shù);張洪川(1992-)，男，研究方向:電子信息技術(shù);張瑞(1977-)，男，高級(jí)工程師，碩士，研究方向:固態(tài)收發(fā)技術(shù)。

收稿日期:2014-09-14

文章編號(hào):1009－0401(2015)01－0042－04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TN925