仝信男，韓 軍，王肇嬴

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍96819部隊，北京 100015)

一種Ku頻段基于魔T的8合1合路器的設(shè)計

仝信男1，韓 軍1，王肇嬴2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍96819部隊，北京 100015)

針對大功率合成，對魔T特性、諧振腔微擾和匹配方法進(jìn)行了理論分析，設(shè)計了單個魔T的模型，并基于此模型對8合1合路器進(jìn)行了設(shè)計，使用HFSS軟件進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，該8合1合路器具有良好的端口駐波特性和傳輸系數(shù)，用于Ku頻段大功率放大器，可有效改善功放合成效率。

大功率合成；魔T；微擾；HFSS

0 引言

微波固態(tài)功放是雷達(dá)、通信、制導(dǎo)、電子對抗和射電天文等電子設(shè)備的重要元件，因此微波功放的研究一直受到微波設(shè)計人員的重視。近年來，隨著空間技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信所需的發(fā)射功率越來越大[1]，然而，受固態(tài)器件其自身物理特性的影響，單個功率模塊的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電子設(shè)備日益增大的功率需求，需要通過功率合成技術(shù)實現(xiàn)大功率輸出[2]。傳統(tǒng)的平面電路合成[3]方式有著插損大、功率容量低[4]和可擴(kuò)展性差等缺點，因此空間波導(dǎo)功率合成技術(shù)[5]日益成為研究的重點。

魔T[6]作為微波、毫米波電路中的重要器件，由于其具有功率容量高、端口性能好等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用在大功率放大器、微波集成電路和電子對抗等設(shè)備中。它以波導(dǎo)結(jié)構(gòu)傳輸信號，既能實現(xiàn)功率分配，又可以實現(xiàn)功率合成，使用魔T構(gòu)建波導(dǎo)功率合成器，可以大大減少在傳輸高功率微波信號時的能量損耗，提升功率放大器的功率容量，改善功率放大器的散熱特性。

本文針對Ku頻段大功率放大器，優(yōu)化設(shè)計了端口匹配良好、隔離度高、回波損耗低的波導(dǎo)魔T，并利用魔T，設(shè)計了具有良好駐波特性和傳輸系數(shù)的Ku功率合成器。

1 理論分析

1.1 魔T的特性

波導(dǎo)魔T是匹配的雙T。將波導(dǎo)E-T分支和波導(dǎo)H-T分支組合就可以構(gòu)成4端口的波導(dǎo)雙T，波導(dǎo)雙T本身是不匹配的，而且隔離度和頻帶寬度等很差。通過在E-T分支和H-T分支的匯合處放置調(diào)配元件(如螺釘、膜片或錐體等)，可以調(diào)節(jié)雙T使之成為匹配的雙T，又稱魔T，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 波導(dǎo)魔T

魔T具有如下主要特性[7]：

① 4個端口完全匹配；

② 不僅1臂(E臂)和4臂(H臂)相互隔離，而且兩側(cè)臂(即2臂和3臂)也相互隔離；

③ 進(jìn)入一側(cè)臂的信號，將由1臂和4臂等分輸出，而不進(jìn)入另一側(cè)臂；

④ 進(jìn)入4臂的信號，將由兩側(cè)臂等幅同相輸出，而不進(jìn)入1臂；進(jìn)入1臂的信號，將由兩側(cè)臂等幅反相輸出，而不進(jìn)入4臂；

波導(dǎo)魔T的上述特性可以用S矩陣表示為：

正是因為魔T具有這樣良好的匹配特性、平分特性和隔離度，因此選用魔T來構(gòu)造功率合成器。

1.2 諧振腔的微擾

魔T的各個波導(dǎo)端口常常需要接同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器、微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器或者短路器，將魔T構(gòu)成一個相對封閉的空腔結(jié)構(gòu)，這種空腔結(jié)構(gòu)是一種微波諧振器。

在諧振器的實際應(yīng)用中，經(jīng)常遇到其形狀發(fā)生微小的變化，或在腔體內(nèi)引入小片介質(zhì)或金屬材料等情況[8]，例如：利用旋入腔體內(nèi)的小螺釘(金屬或介質(zhì)的)來調(diào)整諧振頻率；在諧振腔內(nèi)放入小介質(zhì)樣品，通過測量諧振頻率的偏移來測定介質(zhì)常數(shù)[9]。諧振腔的這種擾動或微小改變稱為諧振腔的微擾[10]。

微擾前后的諧振腔模型如圖2和圖3所示，分別對2種情況使用麥克斯韋方程，可表示為：

，

(1)

，

(2)

，

(3)

。

(4)

圖2 原始諧振腔

圖3 被微擾諧振腔

經(jīng)過計算得到：

(5)

，

(6)

將式(5)與式(6)相加，在體積V上積分，用散度定理，得

∫V

(7)

因被微擾表面S=S0-ΔS，所以能表示為：

(8)

(9)

由式(9)可知，當(dāng)腔壁內(nèi)表面或其一部分朝內(nèi)推入時(變化的結(jié)果是體積減小△v)，如果微擾發(fā)生在磁場較強(qiáng)處，頻率將升高；如果發(fā)生在電場較強(qiáng)處，頻率將降低。反之，腔內(nèi)壁或其一部分朝外推出時(變化的結(jié)果是腔體體積增大△v)，如果微擾發(fā)生在磁場較強(qiáng)處，頻率將降低；如果發(fā)生在電場較強(qiáng)處，頻率將升高。因此，在雙T的連接處，引入調(diào)配體，可以有效調(diào)節(jié)諧振頻率以實現(xiàn)頻率諧振。

1.3 匹配方法

如果不加匹配元件，魔T是不匹配的，反射系數(shù)、隔離度和耦合度都很差。魔T的匹配主要在于E臂(1臂)和H臂(4臂)的匹配，只要E臂和H臂匹配了，2臂和3臂也就達(dá)到匹配了[11]。

魔T的匹配[12]可采用2種形式：① 金屬片和金屬圓桿匹配；② 金屬圓錐和金屬銷釘匹配。這里采用第2種匹配方式。銷釘是指垂直穿入波導(dǎo)的金屬圓棒，根據(jù)銷釘穿入波導(dǎo)的深度不同，可在波導(dǎo)中起電容或電感作用，穿入深度較淺時起電容作用，穿入深度較深時起電感作用[13-14]。銷釘?shù)母锌购腿菘惯€與棒的粗細(xì)有關(guān)，棒越細(xì)，電感量越大；棒越粗，電容量越大。圓錐和銷釘?shù)墓ぷ髟硐嗤?，二者結(jié)合可以更好地實現(xiàn)調(diào)諧和匹配[15]。

2 模型設(shè)計和仿真分析

2.1 魔T的模型設(shè)計與仿真設(shè)計

根據(jù)EIA國際標(biāo)準(zhǔn)，在13.75～15.35 GHz下，選用波導(dǎo)尺寸寬邊長15.799 mm，高邊長7.899 mm；H臂(4臂)凸出部分長22 mm：E臂(1臂)凸出部分長21 mm：側(cè)臂(2臂和3臂)凸出部分長21 mm。

在匹配上[16]，利用金屬圓錐來實現(xiàn)波的連續(xù)反射，以抵消E臂內(nèi)的反射，同時起到隔離2條側(cè)臂的作用；而銷釘則能起到消除H臂內(nèi)的反射作用[17-18]。采用有限元法在13.75～15.35 GHz范圍內(nèi)，通過改變參數(shù)值來優(yōu)化設(shè)計匹配體的幾何形狀和尺寸，尋找最優(yōu)的S參數(shù)狀態(tài)。最終確定其最優(yōu)參數(shù)為：魔T內(nèi)部匹配元件尺寸為圓錐臺軸心線離內(nèi)壁4 mm，錐臺低圓半徑10.4 mm，頂圓半徑1.31 mm，高4.551 mm：錐臺上圓柱體半徑1.31 mm，離錐臺頂部的高度為4.389 mm，模型如圖4所示。

圖4 魔T透視圖

通過HFSS仿真，得到仿真結(jié)果如下：魔T各端口的回波損耗如圖5所示，魔T端口的隔離度如圖6所示，魔T的平分特性如圖7所示。仿真結(jié)果表明，在13.75～15.35 GHz頻段內(nèi)，此魔T結(jié)構(gòu)獲得了較好的匹配特性、隔離特性和平分特性。

圖5 魔T各端口的回波損耗

圖6 魔T端

圖7 魔T的平分特性

2.2 合路器的模型設(shè)計與仿真設(shè)計

對8合1的合路器進(jìn)行了設(shè)計，如圖8所示。

圖8 合路器模型(8合1)

8合1合路器的端口傳輸系數(shù)與輸入端口駐波分別如圖9和圖10所示。由結(jié)果可知，該合路器獲得了極好的合路特性。

圖9 端口傳輸系數(shù)

圖10 輸入端口駐波

3 結(jié)束語

本文針對Ku頻段的大功率合成，對與功率合成器設(shè)計有關(guān)的微波諧振器微擾理論、匹配元件等理論進(jìn)行了分析，設(shè)計了一個具有實際應(yīng)用價值的魔T模型與8合1合路器，用HFSS軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化，研制了功率放大器，用HFSS軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化后均獲得了很好的應(yīng)用特性。通過實際電路測試，與仿真結(jié)果匹配良好，獲得了很好的應(yīng)用特性。對于通信系統(tǒng)在高功率方面的發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用，并可推廣其在功率合成技術(shù)上的工程應(yīng)用。

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仝信男 男，(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：電磁場與電磁波。

韓 軍 男，(1964—)，研究員。主要研究方向：微波通信設(shè)備與系統(tǒng)。

Design on a Ku-band Eight-in-one Combiner Based on Magic T

TONG Xin-nan1,HAN Jun1,WANG Zhao-ying2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.Unit96819,PLA,Beijing100015,China)

In order to solve high-power combing,this paper analyzes theoretically the magic T characteristics,cavity perturbations and matching method,and designs the model of a single magic T.Based on this model,an eight-in-one combiner is designed.The model and the combiner are simulated by HFSS,and the results show that the combiner has outstanding standing-wave characteristics and transmission coefficients,and that it can be applied in Ku-band high-power amplifier to improve the efficiency of combining.

high-power combining;magic T;perturbation;HFSS

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.16

仝信男,韓 軍,王肇嬴.一種Ku頻段基于魔T的8合1合路器的設(shè)計[J].無線電工程,2017,47(3):62-65.

2016-12-29

通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室開放基金資助項目(EX156410046)。

TN911

A

1003-3106(2017)03-0062-04