一種小型化波導(dǎo)合成器的設(shè)計

張國強　張生春　周立學(xué)　楊　莉　華根瑞

(西安電子工程研究所　西安　710100)

0　引言

在現(xiàn)代相控陣雷達系統(tǒng)中，T/R組件作為核心部件而廣泛采用。組件對元器件的基本要求就是小型化、易集成。傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)具有結(jié)構(gòu)簡單，功率容量大的優(yōu)點，微帶電路具有體積小、易集成的特點。如何結(jié)合這兩種傳輸形式的特點，設(shè)計出滿足要求的功率合成器件是研究的重點。

隨著微波毫米波固態(tài)器件的發(fā)展，固態(tài)微波毫米波高功率放大技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注。由于單個MMIC輸出功率能力有限，難于滿足工程應(yīng)用的要求，功率合成技術(shù)是獲得大功率固態(tài)微波毫米波源的最重要、最有效途徑。功率分配/合成技術(shù)性能的好壞直接影響到整個系統(tǒng)能量的分配和合成效率。近年來，基于波導(dǎo)功率合成研究越來越關(guān)注，相繼提出基于波導(dǎo)、微帶線的合成形式以及徑向合成等多種新型模式[1-6]。

1　理論分析

在毫米波頻段，由于微帶介質(zhì)本身的性質(zhì)造成插損較大，應(yīng)用比較多的就是采用波導(dǎo)形式進行能量傳輸，而從合成角度來講，主要分為以下幾種。

1.1　分支波導(dǎo)

分支波導(dǎo)是一種三端口元件，在微波系統(tǒng)中用作功率的分配和合成。常見的分支波導(dǎo)有T形接頭和Y形分支，其中波導(dǎo)T形接頭包括E-T接頭和H-T接頭兩種，它們除了可以用來進行微波分路或合并外，也可以作阻抗變換器進行調(diào)配。

1.1.1E-T接頭

E-T接頭的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，它由一段波導(dǎo)及從波導(dǎo)寬邊(E面)接出來的分支波導(dǎo)構(gòu)成，端口1與2呈幾何對稱，端口3的中截面是它們的幾何對稱面，它的等效電路為串聯(lián)的雙根線。

圖1　分支波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖

E-T接頭的特點：

1)由端口1入射的TE10波，將被分配到端口2與3，同樣，由端口2輸入的TE10波會從端口1與3 輸出。

2)若在端口1與2同時輸入等幅同相的TE10波，則端口3將無能量輸出。

3)若在端口1與2同時輸入等幅反相的TE10波，則端口3將獲得最大能量輸出。

4)根據(jù)互易原理，若在端口3輸入TE10波，它將在端口1與2等幅但反相輸出。

1.1.2H-T接頭

若在波導(dǎo)窄邊(H面)接出一段分支波導(dǎo)，就形成H-T接頭。同樣，端口1與2相對于端口3的中截面對稱分布，它的等效電路為并聯(lián)的雙根線。

H-T接頭特點：

1)由端口1入射的TE10波，將被分配到端口2與3，同樣，由端口2輸入的TE10波會從端口1與3 輸出。

2)若在端口1與2同時輸入等幅同相的TE10波，則端口3將獲得最大能量輸出。

3)若在端口1與2同時輸入等幅反相的TE10波，則端口3將無能量輸出。

4) 根據(jù)互易原理，若在端口3輸入TE10波，它將在端口1與2等幅但同相輸出。

1.2　微帶探針過渡

微帶探針過渡是從同軸探針發(fā)展而來，實質(zhì)上是通過一段起耦合作用的微帶線把波導(dǎo)中的電場耦合到微帶線上。能使波導(dǎo)以垂直和平行于微帶電路所在平面的方向與微帶相連接，矩形波導(dǎo)的短路活塞使探針處于波導(dǎo)內(nèi)電場最強的位置，微帶探針經(jīng)過一段高阻抗線變換到 50Ω微帶線[7]。

圖2　微帶探針過渡示意圖

微帶線的特性阻抗[8]：

(1)

根據(jù)公式(1)繪出微帶線寬與特性阻抗關(guān)系圖，從而給出微帶線的初始尺寸。

2　仿真設(shè)計

根據(jù)上述設(shè)計思想，在微波仿真設(shè)計軟件HFSS中建模，基片材料采用Rogers5880，介電常數(shù)為2.2，厚度為0.254mm，表1為微帶-探針過渡主要參數(shù)的初始值。

表1　微帶-探針過渡主要參數(shù)的初始值

在得到模型的初始值后，在HFSS中仿真，并進行小范圍的優(yōu)化，直至得到滿意的仿真結(jié)果。優(yōu)化中可以采用手動方式進行浮動，如果利用軟件中的Tune功能，需要較高的硬件配置，而且優(yōu)化時間較長。

圖3(b)是波導(dǎo)合成器內(nèi)部電磁場仿真分布圖，由圖可以看出，電磁場在合成器中能夠良好傳輸，也印證了該微波器件的合成功能。下面是具體仿真結(jié)果分析：

圖3　合成器仿真與電磁場分布圖

圖4　合成器仿真結(jié)果

由圖4(a)、(b)、(c)可以看出，在頻帶內(nèi)該合成器的插入損耗為0.2dB，端口反射為20dB，可以保證合成信號的幅度要求；圖4(d)可以看出，輸入端口到輸出端口之間的信號相位基本一致，這也保證了合成信號的相位要求。

在以上的仿真分析設(shè)計的基礎(chǔ)上，采取Triquint 公司TGA2575的芯片進行兩路功率合成，輸出功率及合成效率如圖6所示。

圖5　合成器實物圖

圖6　合成器輸出功率及合成效率曲線

4　結(jié)束語

采用這種新型波導(dǎo)合成結(jié)構(gòu)，可以使頻帶內(nèi)反

射達到20dB，駐波比達到1.25，插損為0.2dB，合成效率可以達到95.2%，尺寸較傳統(tǒng)波導(dǎo)合成器減小40%，而且結(jié)構(gòu)簡單，易于集成，使微波器件的小型化成為可能，具有良好的應(yīng)用前景。