常 堅，湯袁亮，靳連根

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，江蘇 南京 211106)

0 引 言

隨著微波技術的發(fā)展，系統(tǒng)功率的大小決定了整個裝備的作用距離和抗干擾能力。單個固態(tài)器件的輸出功率是有限的，真空微波器件雖然能在高頻段提供穩(wěn)定的高功率輸出，但受限于體積、重量、可靠性，無法在嚴苛條件下大量使用；相比較而言，微波固態(tài)器件體積小、重量輕、可靠性高，能克服真空微波器件的絕大部分缺點。但是受限于半導體自身的物理特性，單個固態(tài)器件的輸出功率是有限的，就需要通過網絡將多路信號進行累加。因此，隨著固態(tài)技術的發(fā)展，功率合成技術隨之共同進步。而功率合成網絡拓撲結構是固定的，但是合成網絡的實現(xiàn)形式是多樣的。寬帶化、提高效率、可實現(xiàn)性成了目前研究的重點。

高功率合成技術中，最基礎的是將2路合成器進行多級級聯(lián)，形成一個二進制樹形結構實現(xiàn)多路合成。基本的2路合成器是在Wilkinson功分器的基礎上發(fā)展而來，一般有微帶型、板線型、波導型等等。這種級聯(lián)的結構形式隨著合成支路數(shù)量的增加，損耗變化不大，合成效率也不變。

本文設計了一種新穎的高效8路波導功率合成器，在X波段實現(xiàn)了固態(tài)組件的功率合成。在8～10 GHz的頻段內實現(xiàn)了低損耗、高隔離的脈沖功率合成，總的合成效率大于85%。

1 設計目標

針對產品性能要求，提出設計一種X波段功率合成網絡。寬頻帶、高功率、高效率、低損耗、高可靠性是功率合成網絡的最終目標[1]。設計過程為：首先根據(jù)功率容量要求確定傳輸線的類型，設計一個帶有隔離電阻和阻抗匹配的T型波導功分器，實現(xiàn)基本的一分二結構；然后通過波導-微帶探針耦合和相應的功分結構級聯(lián)，最終實現(xiàn)8路功率分配器。波導-微帶探針耦合通過多級阻抗變換實現(xiàn)信號輸出。

1.1 合成器選型

相對于微帶、帶狀線，波導具有低損耗、高功率容量、高可靠性、易加工的特性，X波段功率合成多采用基于波導結構的合成器。目前適用于X波段的波導合成器主要有2種類型：帶隔離端口的四端口波導電橋和無耗三端口波導合成器。其中四端口的波導合成器包括：電橋、波導魔T等；無耗三端口合成器包括：波導E-T和波導H-T。

目前普遍適用的魔T、波導3 dB電橋都是帶隔離的四端口功分器[2]。因為合成器帶隔離端口，支路之間有20 dB以上的隔離度，用于功率合成時可以避免復雜的調試。而四端口功分器體積較大，隔離端口的存在往往會破壞功分器的對稱性，造成幅度差和相位差，隔離端口對機械加工帶來了相當大的困難，并增加了調試的工作量。

而無耗三端口合成器加工簡單，一般不需要復雜的裝配；設計簡單；加工難度低；工作頻帶寬；后期不需要調試；因此，通過上述對比分析得出，根據(jù)設計目標，綜合選用三端口功率合成器。

1.2 基本單元合成器設計

設計三端口合成器，首先分析三端口合成網絡的S參數(shù)。在理想情況下，S參數(shù)為：

(1)

2、3口對稱：

S21=S31，S23=S32，S22=S33

無耗互易網絡，SS*=1，即：

從上式得出，三端口網絡無法達到完全匹配，2個輸入端口之間的理論隔離度只有6 dB，在設計中只對端口駐波進行優(yōu)化即可滿足設計要求。

通過上述分析，在ANSOFT公司的HFSS軟件中建模。普通的E-T模型無法達到滿意的工作帶寬，擴展帶寬需要在模型中3個端口的交接處引入錐體匹配塊。匹配塊的加入對E-T結構引入了電抗和容抗，并增加了調試的工作量。后期匹配塊的焊接或螺釘固定會帶來裝配誤差，影響性能。為了簡化加工難度，從工程化的角度出發(fā)，分析模型內部場，對波導窄邊進行切削也可以達到增加錐形匹配塊的效果。該E-T結構如圖1所示。

圖1 E-T結構示意圖

1.3 隔離度設計

通過上述S參數(shù)矩陣得知，三端口合成器2個端口之間的隔離度理論上也只能達到6 dB。當某一輸入支路出現(xiàn)損壞，輸出功率將嚴重惡化，性能嚴重下降。

圖2 Wilkinson功分器電路圖

功分器的電路，可以運用奇-偶模理論來分析。

1.3.1 奇模分析

圖3 奇模等效電路圖

1.3.2 偶模分析

圖4 偶模電路

本文采用類似于Larry W Epp等人提出的改進型T型波導結構[3]。通過上述分析，為了使端口之間具有隔離度，在T型結構的中央對稱區(qū)域加載一塊電阻卡。通過在T型結構的頂端開槽引入薄膜電阻，薄膜電阻是在低損耗介質材料表面涂覆TaN材料膜。TaN薄膜的厚度一般在微米級，低于毫米波頻率的趨膚深度。

平衡端口激勵引起薄膜電阻上的奇模表面電流。端口1激勵引起的表面電流分量與端口2引起的電流抵消。在這種情況下，薄膜電阻上的功率損耗理論上為零，因此增加薄膜電阻不會引起插入損耗的變化。然而，當輸入端口信號不平衡時，激勵在薄膜電阻上導致偶模電流分布，此時功率被薄膜電阻吸收。

1.4 單元仿真計算

E-T模型的隔離度仿真計算如圖5、圖6所示。

圖5 隔離度

圖6 E-T模塊內部電場

從圖5中可以看出，在E-T結構中增加了薄膜電阻后在設計頻率范圍內端口之間的隔離度大于26 dB。因此上述手段達到了預期效果。

2 八合一合成器的設計

通過拓撲結構將功分器進行級聯(lián)，見圖7。合成滿足性能要求的大功率合成器。在三維電磁場軟件HFSS中建模以及仿真，結果如圖8～10所示。

從仿真結果可以看出，這種X波導合成器在需要的工作頻帶內回波損耗小于-18 dB，插入損耗在0.3 dB以內。8路X波段合成網絡的合成效率滿足85%的性能要求。

3 結束語

本文介紹了一種新型的X波段寬帶高功率波導合成器的設計原理與設計方法，實現(xiàn)了在X波段寬帶、隔離度大于20 dB、損耗小于0.3 dB功率合成功能。通過HFSS軟件進行了三維電磁仿真計算，證明了該種合成器結構性能優(yōu)異，結構緊湊，易于加工等，為后續(xù)多路合成器拓展到毫米波領域應用提供了一種新的設計方法。

圖7 8路X波段波導合成器模型

圖9 端口駐波比

圖10 端口隔離度