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，實現(xiàn)寬帶波導(dǎo)器件高功率的關(guān)鍵是設(shè)計出寬帶低損耗波導(dǎo)合成器?；诖耍疚膶θ丝趯拵Р▽?dǎo)合路器以及四端口寬帶波導(dǎo)合路器進行比較優(yōu)缺點，提出高功率寬帶波導(dǎo)合成器的設(shè)計方案，采用電磁場仿真軟件進行對寬帶波導(dǎo)功率合成器的設(shè)計仿真和建模，由此對功率合成器進行了在25-27吉赫工作范圍的設(shè)計與制作，在此基礎(chǔ)上對比分析了仿真曲線和測試指標(biāo)。通過對所設(shè)計的高功率寬帶器件的實際測試，結(jié)果表明其具有一定的實踐應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】寬帶波導(dǎo) 器件 高功率 設(shè)計

為了實現(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，本文對寬帶波導(dǎo)器件進行了高功率設(shè)計。

1寬帶波導(dǎo)器件的高功率設(shè)計方案

1.1 設(shè)計目標(biāo)

在一定的設(shè)計要求下，針對某寬帶波導(dǎo)器件的功率合成高效放大的需求，采用合成器的兩個功率模塊進行高功率設(shè)計，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)計目標(biāo)：即合成兩路頻率在25-27吉赫工作范圍內(nèi)的相對寬帶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)電橋以及無耗損的合成波導(dǎo)其，其中根據(jù)不同的實現(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)實現(xiàn)形式的不同，無損耗三端口的波導(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，主要由其需要一定的外接波導(dǎo)負載，或是進行一定吸波材料的填充，以此確保良好的散熱效果，以此對功率放大器的體積和成本進行有效地增加，波導(dǎo)的散熱負載能力對波導(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)電橋進行寬帶波導(dǎo)器件的設(shè)計上存在一定的不足；另外，可謂成也“自帶隔”，敗也“自帶隔離”，隔離端口的存在會破壞寬帶波導(dǎo)器件的對稱結(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。隔離端口也給機械加工及電路布局工作帶來一定的困難，而且，其使用的帶寬較為狹窄[2]。

然而相對于四端口自帶隔離端口的波導(dǎo)電橋，無損耗三端口3分貝電橋具有電路布局設(shè)計簡單，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)，大大簡化了加工及電路設(shè)計難度。而且其在端口的分配上具有較為理想的對稱性質(zhì)，能夠有效地與幅度相位保持一定的一致性。采用無損耗三端口3分貝電橋其具有較寬的帶寬，因此，可以在對帶寬設(shè)計時，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現(xiàn)設(shè)計性能的最大化，不需要進行任何的調(diào)整和試驗。另外，由于無損耗三端口3分貝電橋沒有隔離端口，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受到負載散熱能力的限制。

綜上所述，無耗損3分貝波導(dǎo)電橋相對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，因此，本設(shè)計采用無耗損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，實現(xiàn)高功率寬帶波導(dǎo)器件的低寬帶消耗。在設(shè)計過程中，改進傳統(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，對寬帶的性能進行改進和完善。

2寬帶波導(dǎo)器件的高功率設(shè)計建模

2.1 H-T波導(dǎo)分支

對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加工椎體結(jié)構(gòu)進行單獨方式，然后與T型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進行良好的配合。從工程的實際情況出發(fā)，為簡化加工的難度系數(shù)，本設(shè)計通過以直代曲的方法，將錐形體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉脚_的結(jié)構(gòu)體系，以此實現(xiàn)了在銑床上整個功率分配結(jié)構(gòu)額一次成型[3]。在電磁場仿真軟件該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)計是采取緩變圓錐的匹配方式，在寬帶范圍實現(xiàn)寬帶匹配能夠?qū)﹄娍乖淖兓M行補償。由于E-T波導(dǎo)分支的導(dǎo)腔體與圓錐結(jié)構(gòu)無法達成加工的一體成型。但是在實際加工過程中，單獨對匹配的圓錐體進行單獨加工。加工完成后采用螺釘固定或焊接的方式對腔體與匹配的圓錐體進行綜合，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)，其對加工和裝配工藝的要求較高。所以，本設(shè)計通過對加工工藝的綜合考量，為了降低加工難度，實現(xiàn)匹配達到良好的帶寬性能，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，實現(xiàn)了波導(dǎo)實阻抗的寬帶匹配，而感性柱有效地對串聯(lián)分支所帶來的一定電抗分量進行了抵消。在電磁場仿真軟件該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

3.1高功率寬帶波導(dǎo)器件仿真

對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)采用電磁場仿真軟件方式進行確定。選擇三維電磁仿真軟件，采用有限元方法，對其進行設(shè)計。三維電磁仿真軟件具有高真精準(zhǔn)度與可靠性，能夠快捷地進行仿真操作，其速度非?？?，而且擁有易用方便的操作界面。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)計的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及首選設(shè)計工具。

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)計手段下實現(xiàn)的E-T和H-T波導(dǎo)合路器均具有一定的標(biāo)準(zhǔn)的相對寬帶40%的波導(dǎo)帶寬，所運用的展寬帶寬手段達到了良好的設(shè)計效果。

3.2器件性能測試

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對實際制作的寬帶波導(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。對加工出來的體積約為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)器件進行了測試，測試結(jié)果顯示，單個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)計的寬帶波導(dǎo)器件具有高功率效能。

4結(jié)語

本設(shè)計對器件進行了較為嚴密的仿真測試，但是仍然具有一定的不真實性，因此，應(yīng)加入實際應(yīng)用測試，來對其進行更高的判定。本設(shè)計對寬帶波導(dǎo)器件進行了仿真設(shè)計和機構(gòu)建模，設(shè)計出了具有高功率、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，具有一定的實踐工程價值。

參考文獻：

[1]崔焱，田兵.毫米波寬帶波導(dǎo)功率合成器設(shè)計[J].無線電工程，2011，06：54-57.

[2]李磊，李兵，邱林茂.一種新型W波段寬帶波導(dǎo)功率合成器[J].火控雷達技術(shù)，2013，02：64-66.

[3]藍永海.一種寬帶多路功率合成器設(shè)計[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報，2013，05：21-24.