牛海君

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

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一種Ka波段徑向波導(dǎo)功率合成器設(shè)計

牛海君

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

分析了徑向波導(dǎo)中電磁波的傳播特性，設(shè)計了一種Ka 波段六路波導(dǎo)功率合成器，并運用軟件進(jìn)行建模和仿真優(yōu)化,制作實物并進(jìn)行測試驗證，結(jié)果表明該合成器在30～34 GHz的插入損耗小于0.6 dB，反射損耗小于-14 dB，與仿真結(jié)果趨勢相吻合，在毫米波功率合成與小型化領(lǐng)域具有應(yīng)用價值。

徑向波導(dǎo);毫米波;微波;功率合成;小型化

0 引 言

隨著微波毫米波技術(shù)在雷達(dá)、衛(wèi)星通信、遙感等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對高效率、寬頻帶、大功率毫米波固態(tài)器件的需求也越來越多。但是目前在毫米波段，單個固態(tài)器件輸出功率能力有限，很難有較大的功率輸出，一般難于滿足工程應(yīng)用的要求。通常需要將多個固態(tài)器件通過功率合成技術(shù)來獲得更大的功率輸出[1]。因此，功率分合成技術(shù)受到了更加廣泛的關(guān)注，而且功率合成技術(shù)性能的優(yōu)劣直接影響到整個系統(tǒng)功率能量的分配和合成效率。

目前在微波毫米波功率合成領(lǐng)域中，已經(jīng)對多種結(jié)構(gòu)的功率合成方案進(jìn)行了研究。常用的合成方式包括電路合成網(wǎng)絡(luò)、混合合成網(wǎng)絡(luò)、空間功率合成等方案，其中空間功率合成技術(shù)可以利用電磁波的似光性，在空間上實現(xiàn)功率疊加，具有體積小、重量輕、散熱好、功率容量大的特點[1]，在毫米波段大功率放大技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文分析了徑向波導(dǎo)的電磁波傳播模式,基于其軸向?qū)ΨQ原理,設(shè)計了一種毫米波六路徑向波導(dǎo)功率合成網(wǎng)絡(luò)，仿真和測試結(jié)果表明該合成網(wǎng)絡(luò)使用頻帶寬，能夠容納較大的輸出功率，具備較低的插入損耗和良好的駐波特性，具有較強的工程應(yīng)用價值。

1 徑向波導(dǎo)傳輸理論分析

徑向波導(dǎo)一般由軸心重合的上下2塊圓形金屬板構(gòu)成。模型如圖1所示。圖中r為波導(dǎo)半徑，ψ為旋轉(zhuǎn)角度且逆時針方向為正方向，b為波導(dǎo)腔體的高度[2]。

在求解過程中，設(shè)徑向波導(dǎo)壁為理想導(dǎo)體，波導(dǎo)內(nèi)是介電常數(shù)為ε和磁導(dǎo)率為μ的無損理想介質(zhì)。其波函數(shù)所滿足的Helmholtz方程為：

圖1 徑向波導(dǎo)示意圖

(1)

式中:κ2=ω2με。

如果只考慮電磁波沿徑向傳播，可求解的波函數(shù)形式為：

(2)

式中:Hm(1)(κrr)為第一類Hankel函數(shù)，表示為向內(nèi)傳播的行波;Hm(2)(κrr)為第二類Hankel函數(shù)，表示為向外傳播的行波。

當(dāng)z=0和z=b時，滿足邊界條件：

Er=Eψ=0

(3)

從而得到TM波波函數(shù)表達(dá)式為：

(4)

在徑向波導(dǎo)中，主要傳輸?shù)碾姶挪門M00模，由上述TM波的解可以得到TM00模的場分布為[3]：

(5)

由式(5)可以看出,徑向波導(dǎo)的TM00模電場只有z向分量,在同一個半徑為R的圓周上電場相同;磁場只有ψ向分量,在半徑為R的圓周上磁場大小相等,方向沿圓周切向[4]。因此,徑向波導(dǎo)TM00模的電磁場分布具有軸向?qū)ΨQ性，這樣就為制作N端口的功率合成網(wǎng)絡(luò)提供了理論依據(jù)。

2 軟件仿真與優(yōu)化

利用上述原理構(gòu)建的毫米波六路功率分配網(wǎng)絡(luò)仿真軟件中模型如圖2所示。在該模型中，六路輸出端口為標(biāo)準(zhǔn)BJ320波導(dǎo)，在徑向上等距分布，波導(dǎo)的寬邊與軸線垂直，便于通過波導(dǎo)同軸過渡轉(zhuǎn)換將能量耦合至輸出端口，這樣有利于各支路的相位平衡及后續(xù)微波功率單片的安裝與調(diào)試。

圖2 徑向波導(dǎo)一分六功分網(wǎng)絡(luò)仿真模型圖

6個輸出端口的轉(zhuǎn)換探針結(jié)構(gòu)完全一致，雖然使徑向波導(dǎo)內(nèi)電磁場產(chǎn)生了巨大的改變,但其電磁場分布仍然保持軸向?qū)ΨQ性，每個探針處的電場分布相同，這樣就可確保從輸入端口傳輸?shù)哪芰磕軌虮坏攘糠峙洳Ⅰ詈现粮鱾€輸出端口[5]，其幅度和相位具有較好的一致性，可以有效地提高合成效率，而且這種功分網(wǎng)絡(luò)還具有尺寸小的特點，方便應(yīng)用于毫米波功率小型化、模塊化集成領(lǐng)域。

在仿真優(yōu)化過程中，通過反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化探針的長短粗細(xì)、探針插入波導(dǎo)腔的深度、距離波導(dǎo)短路面的距離，以及徑向波導(dǎo)的直徑和尺寸等關(guān)鍵參數(shù)，來使該功分網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求。

圖3 徑向波導(dǎo)六路功分器仿真結(jié)果圖

從圖3(a)的幅頻關(guān)系可以看出,在30～34 GHz,各支路輸出振幅基本相同，在-7.9 dB附近。相對比理論上六路功分網(wǎng)絡(luò)的-7.7 dB，各支路插損都小于0.3 dB,各端口幅度不平衡度為0.28 dB，并且主端口的反射損耗小于-20 dB，整個帶內(nèi)沒有諧振點。在功率合成領(lǐng)域，各個輸出端口的相位一致性對整個系統(tǒng)的合成效率有著重要的影響，由圖3(b)的相頻關(guān)系圖中可以看出,各輸出支路相位一致性比較好，在整個仿真頻帶內(nèi),相位差小于8°，滿足使用要求。

在六路功分網(wǎng)絡(luò)仿真完后，將2個同結(jié)構(gòu)的功分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行背靠背連接，就組成了六路功率合成網(wǎng)絡(luò)，其仿真模型和仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 六路合成網(wǎng)絡(luò)模型及仿真結(jié)果圖

從圖4(b)的幅頻關(guān)系可以看出,在30～34 GHz,合成插損小于0.15 dB,并且輸入、輸出端口的反射損耗小于-22 dB時，整個帶內(nèi)沒有諧振點，達(dá)到了設(shè)計要求。

3 試驗測試

根據(jù)優(yōu)化仿真結(jié)果，加工了該合成網(wǎng)絡(luò)試驗樣件。該徑向波導(dǎo)腔體及探針均采用鋁型材銑制，同時對波導(dǎo)腔表面進(jìn)行鍍銀處理，探針進(jìn)行鍍金處理，這樣可以提高波導(dǎo)平面的平整性，以待獲得更好的微波傳輸性能。同時功分和合成網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的探針采用微帶線進(jìn)行連接，為了減小損耗，基板選用介電常數(shù)為2.2的RT5880。為了便于測試和級聯(lián)，其輸入輸出端口均采用了適用于毫米波段的2.92 mmK接頭。

圖5 徑向波導(dǎo)一分六功分器仿真結(jié)果圖

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對該合成網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖5所示，在30～34 GHz范圍內(nèi)，插入損耗均小于0.6 dB，反射系數(shù)均小于-14 dB。由于在腔體加工和裝配時存在誤差以及微帶線的損耗，實際測試結(jié)果要差于仿真結(jié)果，但在總體趨勢上該試驗樣件的測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較好，今后將在此基礎(chǔ)上研制損耗更低的合成網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語

本文首先分析了徑向波導(dǎo)中的電磁場解，根據(jù)徑向波導(dǎo)傳輸主模TM00模的軸向?qū)ΨQ性特點,設(shè)計了一款毫米波段六路微波功率合成網(wǎng)絡(luò)。然后運用仿真軟件進(jìn)行建模和仿真優(yōu)化,對電路結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整,根據(jù)優(yōu)化后的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸加工制作了功率合成網(wǎng)絡(luò)試驗件,并對其進(jìn)行了驗證測試。

仿真與實際測試結(jié)果表明,該徑向波導(dǎo)功率合成網(wǎng)絡(luò)在30～34 GHz具有體積小、頻帶寬、插入損耗低，合成效率高等特點，是一種較為理想的功率合成系統(tǒng)。因此,這種功率合成技術(shù)在微波毫米波大功率合成和小型化集成應(yīng)用領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價值。

[1] Grebennikor Andrei[美].射頻與微波功率放大器的設(shè)計[M].張玉興譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2] 劉永旺.Ku波段四路徑向功率合成器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子科技,2013,26(6):22-24.

[3] 邸英杰,章日榮,李渠塘,等.同軸2徑向波導(dǎo)接頭分析與設(shè)計[J].電波科學(xué)學(xué)報,1999,14(2):129-135.

[4] 駱新江，項鐵銘.寬帶高效徑向波導(dǎo)基空間功率合成技術(shù)[J].壓電與聲光,2010,32(2):333-336.

[5] 陳明勇，竇文斌.Ka波段徑向波導(dǎo)功率合成網(wǎng)絡(luò)[J].電波科學(xué)學(xué)報,2010,25(4) :745-748.

Design of A Ka-band Power Sythesizer Based on Radial Waveguide

NIU Hai-jun

(The 13th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050051,China)

This paper analyzes the propagation characteristic of electromagnetic wave in axial waveguide,designs a Ka-band 6-channel waveguide power sythesizer,and uses software to perform modeling and simulation optimizing,makes practical object and performs test validation.The result shows that the insert loss of the synthesizer is less than 0.6 dB and the reflection loss is less than -14 dB in 30～34 GHz,which accord with the trend of simulation result,and the synthesizer has application value in the fields of millimeter wave power synthesis and miniaturization.

radial waveguide;millimeter wave;microwave;power synthesis;miniaturization

2015-01-05

TN73

B

CN32-1413(2015)02-0101-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.026