程 鴻，曹衛(wèi)平 ，耿光宇朱 華

1.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院， 桂林541004；

2.電子科技大學(xué)應(yīng)用物理研究所， 成都610054

毫米波頻段廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星保密通信、導(dǎo)彈精確制導(dǎo)、雷達(dá)、電子對抗等方面，提高發(fā)射機的輸出功率意味著具有更好的通信質(zhì)量、更大的作用半徑、更強的抗干擾能力，所以提高毫米波電路輸出功率對系統(tǒng)性能至關(guān)重要。功率合成在微電子芯片設(shè)計中就有提出[1-2]，但是在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，單片毫米波功放芯片(MMIC)的輸出功率是有限的，一般只能達(dá)到瓦級，采用功率合成技術(shù)是一種有效的解決問題的方法。功率合成的實現(xiàn)方式可分為電路合成和空間合成。電路合成具有帶寬寬的優(yōu)點，但是工作頻率較高時，合成效率低下，損耗增大，因而受到一定的限制；開槽波導(dǎo)空間功率合成[3-4]相比電路功率合成相對對帶寬較窄，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高，但因其合成效率與固態(tài)器件數(shù)量無關(guān)，而更適合多器件的大功率輸出，再加上其容易散熱、外形小等優(yōu)點，空間功率合成在國內(nèi)外得到學(xué)者的廣泛關(guān)注。徑向波導(dǎo)空間功率合成[5]雖然具有寬帶特性，但是采用的是同軸探針結(jié)構(gòu)耦合能量，不適用于毫米波功率合成。國外對準(zhǔn)光學(xué)功率合成技術(shù)也有多研究[6]，本文在綜合了電路合成和波導(dǎo)開槽結(jié)構(gòu)合成的優(yōu)點，設(shè)計了一種波導(dǎo)內(nèi)托盤結(jié)構(gòu)空間功率分配合成網(wǎng)絡(luò)，其具有寬帶、較低的插入損耗和足夠大的回波損耗等特點。

1 原理與結(jié)構(gòu)

波導(dǎo)(BJ320)內(nèi)空間功率分配合成網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用雙對極鰭線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)波導(dǎo)模式與微帶模式的轉(zhuǎn)換[7]。信號從波導(dǎo)口輸入，通過雙對極鰭線將波導(dǎo)主模-TE10模式轉(zhuǎn)化為微帶的準(zhǔn)TEM模式，實現(xiàn)功率的一分二，也將波導(dǎo)的高阻抗轉(zhuǎn)換為微帶線的低阻抗-50 Ω，從而與GaAs MMIC金絲互聯(lián)。結(jié)構(gòu)中的雙對極鰭線漸變線采用余弦平方漸變的方式，該漸變線可以提供20 ～25 dB回波損耗。兩路微帶線主要是用來連接GaAs MMIC，為了匹配，兩路微帶線阻抗通過漸變線的過度設(shè)為50 Ω。信號通過兩路分別放大后經(jīng)過鰭線-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換成波導(dǎo)主模-TE10模，經(jīng)波導(dǎo)輸出。本過度結(jié)構(gòu)相對于文獻(xiàn)[ 10]中的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步簡化了電路結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)其它物理尺寸，在不加抑制諧振的金屬半圓片條件下，同樣達(dá)到了抑制諧振點出現(xiàn)的目的。

圖1 功率合成結(jié)構(gòu)圖

2 2×1路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

雙對極鰭線過度結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，黑色部分為軟基片正面金屬層(Rogers RT Duroid5880 εr=2.2，厚度為0.254 mm)，虛線部分為反面金屬層。過度弧線采用余弦平方漸變線，公式為：

其中L為過度線長度， b為波導(dǎo)BJ320截面窄邊寬度， W為50 Ω微帶線寬， z為漸變線的縱向坐標(biāo)。漸變線的長度越長，引入的反射損耗越小，但是其越長同時引入的介質(zhì)損耗變大，設(shè)計的時候必須折中考慮，根據(jù)經(jīng)驗值一般取(1 ～1.5)λ0，其中λ0為TE10的波長。通過CST優(yōu)化仿真得到的結(jié)果如圖3所示，插入損耗小于0.2 dB，回波損耗優(yōu)于-18 dB，并且有足夠大的帶寬，遠(yuǎn)大于課題設(shè)計要求的頻帶寬度。加工實物圖如圖4所示，測試結(jié)果如圖5。

對比測試結(jié)果和仿真結(jié)果，插入損耗在1.8 dB左右，回波損耗大于10dB，滿足設(shè)計要求。

圖2 雙對鰭線過渡結(jié)構(gòu)正面圖

圖3 2×1 S曲線仿真圖

圖4 2×1路實物圖

圖5 2×1路測試結(jié)果

3 2×2路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

為了增加功率分配/合成的路數(shù)，在波導(dǎo)寬邊中心鑲?cè)胪斜P，使合成的路數(shù)由原來的2×1路，變成現(xiàn)在的2×2結(jié)構(gòu)，使得在不改變波導(dǎo)寬邊尺寸的條件下合成路數(shù)擴大一倍。

CST建立模型如圖7，過度段的S參數(shù)特性主要由托盤的厚度決定，通過優(yōu)化托盤的厚度C得到的曲線如圖8所示。結(jié)果顯示2×2 結(jié)構(gòu)的功率分配合成，插入損耗非常的小，回波損耗在20 dB以下，性能優(yōu)于2×1結(jié)構(gòu)。

加工實物如圖9，托盤的正反兩面分別貼有一路雙對極鰭線過度微帶板，背靠背貼在托盤中心位置。

測試結(jié)果如圖10所示，通帶內(nèi)插入損耗為2 dB左右，回波損耗大于10 dB。與2×1路對比，駐波特性更好，與仿真結(jié)構(gòu)吻合。

圖6 2×2托盤結(jié)構(gòu)的橫截面圖

圖7 2×2路仿真模型

圖8 2×2 S曲線仿真圖

圖9 2×2路實物圖

圖10 2×2路測試結(jié)果

4 2×4功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

鑒于波導(dǎo)BJ320的寬邊尺寸長度有限，再增加托盤會給安裝芯片和功放散熱帶來困難。為了進(jìn)一步增加合成路數(shù)，可以加入T型接頭，形成多分枝結(jié)構(gòu)。由于波導(dǎo)T型接頭是無耗三端口網(wǎng)絡(luò)，不可能做到三個端口同時完全匹配，但是可以通過一些特殊的調(diào)節(jié)部分來改善它的性能。圖11是三種ET形結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的仿真曲線如圖12。

通過對比S參數(shù)曲線圖， E面彎曲結(jié)構(gòu)2 在10 GHz帶寬內(nèi)的回波損耗大于30 dB，相對于其他的兩種E-T形節(jié)有著更好的駐波特性。

利用E面彎曲結(jié)構(gòu)2構(gòu)成多分支網(wǎng)路的結(jié)構(gòu)，使得在不增加托盤條件下，使合成的路數(shù)由2×2路擴大到2×4路， CST建模如圖13，仿真結(jié)果如圖14仿真的結(jié)果顯示高端頻段S11、S21相比2×2路合成網(wǎng)絡(luò)有些惡化，這與T型接頭的輸出兩端口的隔離度有關(guān)系。但是在設(shè)計的頻段內(nèi)部還是能滿足性能要求，驗證了方案的可行性。實物圖和測試結(jié)果如圖15和16所示。結(jié)果顯示插入損耗有些偏大，這與加工引起的誤差和各個部件之間的鏈接不緊密有很大關(guān)系，進(jìn)一步改善工藝結(jié)構(gòu)有助于損耗降低。

圖11 E面改進(jìn)型雙圓弧T形結(jié)構(gòu)

圖12 E面改進(jìn)型T形結(jié)構(gòu)S曲線仿真圖

圖13 2×4路仿真模型

圖14 2×4 S曲線仿真圖

圖15 2×4路實物圖

圖16 2×4路測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文提出了一種新型寬帶波導(dǎo)內(nèi)托盤結(jié)構(gòu)的空間功率分配合成，仿真和實驗測試數(shù)據(jù)顯示應(yīng)用于毫米波空間功率合成的可行性。隨后提出2×2結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，以及采用E面改進(jìn)型雙圓弧T形結(jié)構(gòu)的2×4功率分配網(wǎng)絡(luò)，大大的增加了合成的路數(shù)，仿真數(shù)據(jù)顯示這樣的網(wǎng)絡(luò)有充分小的插入損耗和足夠大的回波損耗，為高頻段的大功率合成提供了理論驗證。

[ 1] 曾軒，陳曉娟，劉果果.基于AlGaN/GaN HEMT的X波段內(nèi)匹配功率合成放大器的設(shè)計[J].電子器件， 2008，31(6)：1794-1996.

[ 2] 黃清華，劉訓(xùn)春，郝明麗，等.改進(jìn)型串聯(lián)諧振回路在寬帶功率合成中的應(yīng)用[ J] .電子器件， 2007， 30(3)： - .

[ 3] Bashirullah R， Mortazawi A.A Slotted Waveguide Quasi-Optical Power Amplifier.Microwave Symposium Digest[ J] .IEEE MTT-S International， 1999：671-674.

[ 4] Bashirullah R， Mortazawi A.A Slotted-Waveguide Power Amplifier for Spatial Power-Combining Applications[ J] .IEEE Trans Mircow Theory Tech， 2000， 48(7)：1142-1147.

[ 5] Kaijun Song， Yong Fan， ZongruiHe.Broadband RadialWaveguide Spatial Combiner[ J] .IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2008， 18(2).

[ 6] Hubert JF， Schoenberg J， Popovic ZB.High-Power Hybrid Quasi-Optical Ka-Band Amplifier Design[ J].IEEE MZT-S， W 3B-1，1995， 1(2)：585-588.

[ 7] Jinho Jeon， Youngwoo Kwon.1.6-and 3.3-W Power-Amplifier Modules at 24 GHz Using Waveguide—Based Power-Combining Structures[ J] .IEEE Transactionson Microwave Theory and Techniques， 20004， 8(12)：2700-2708.

[ 8] 喻夢霞，徐軍，薛良金.毫米波微帶波導(dǎo)過度設(shè)計[ J] .紅外與毫米波學(xué)報， 2003， 22(6)：473-476.