一种径向波导Ku波段空间功率合成器的设计和实现

摘 要：为了实现微波功分/合成电路低损耗、宽频带和小型化，采用等效电路法，探针沿径向等距分布在径向波导内，使用HFSS对结构进行仿真、优化，加工制作了四路、八路功分/合成器各一款，损耗在0.5 dB左右，带宽大于0.5 GHz。此类设计的应用可大幅度减小雷达发射机体积，并提高雷达工作效率。首次导出了径向波导功分/合成电路的简洁等效电路模型，此类设计也是首次投入实际应用。

关键词：径向波导； 空间功率合成； 同轴波导； 微波

中图分类号：TN95-34文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2011)01-0049-03

Design and Realization of Ku-Band Spatial Power Combiner in Radial Waveguide

SU Bin, ZHU Jian-li

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Abstract： For the sake of realizing efficient, broadband and pint-sized power-dividing/combining circuit, the equivalent-circuit method was used, and the peripheral probes were distributed in the radial waveguide on the radial direction. The design using HFSS was simulated and optimized. The 4-port and the 8-port power-dividing/combining circuits were actualized. The insertion loss is about 0.5 dB and the bandwidth is wider than 0.5 GHz. The application of this kind of design can decrease the volume of transmitter largely and improve the work efficiency. The simple equivalent-circuit model was deduced for the radial waveguide power dividing/combining circuits. The design was used in project for the first time.

Keywords： radial waveguide; spatial power-combining; coaxial waveguide; microwave

0 引 言

近年来，随着军用与民用通信系统的快速发展，对于高效率、宽频带大功率固态功放的需求与日俱增。然而，单个固态器件在微波毫米波频段输出的功率有限，不能满足系统的需求。基于径向波导的空间功率合成技术具有系统合成效率较高，带宽性能较好，有效防止了辐射损耗，散热性能良好，易于小型化，结构简单易实现等优点，较好地弥补了准光功率合成技术和自由空间功率合成技术的不足；同时，它可以不受工作频率及波导尺寸的限制，工作于微波、毫米波以及更高的亚毫米波频段，有效地解决了在更高频段实现高功率输出的难题。

1981年Durkin M.F.首次提出了空间功率合成技术概念［1］，他在IEEE微波理论与技术学术年会上报导了他的最新研究成果。波导内空间功率合成技术［2］是由A.Alexanian和R.A.York于1997年提出，当时在X波段采用基于规则矩形波导的2×4的MMIC功放阵列，实现了2.4 W的连续波功率输出，合成效率达68%，并具有良好的工作带宽和增益，预示了良好的发展前景。2004年文献［3］中Ka频段采用行波法级联缝隙波导实现空间功率合成，进一步提高了工作带宽及合成频率在32.2 GHz时输出功率为33 dBm，合成效率达80%。

1 径向波导空间功率合成器的原理与结构

1.1 径向波导空间功率合成器的原理

径向波导与同轴线［4］一样也可存在TEM模，是┮恢知柱面TEM模，У绯≈挥z向分量，在半径为R的圆周上电场相同；磁场只有Φ向分量，在半径为R的圆周上磁场大小相等，方向沿圆周切向。Ф猿品植嫉奶秸胝罅兴淙皇咕断虿ǖ寄诘绱懦〔生了巨大的改变，但其电磁场分布仍然保持轴向对称性。每个探针处电场分布相同，这就确保了每个探针从波导中耦合的能量相等，从而为实现探针阵列等功率分配提供了理论基础。┮恢知探针沿径向等距分布的径向波导功率分配/合成器磁场［5］分布如图1所示。

可以看出，其磁场是关于中心轴对称的，这样，只要保证其各输出端口探针尺寸相同，则分配到各输出端口的能量是相等的，其幅度及相位可以保持较好的一致性。TEM模是径向腔中传输主模，在设计径向腔时，只要保证主模传输条件，可较好抑制高次模的干扰，保证各端口良好的隔离度。

图1 径向传输线功率分配/合成网络场分布

1.2 径向波导空间功率合成器的结构

多端口径向波导功分/合成器电路［6］结构如图2所示。波导内包含一个中心探针和N个均匀分布的探针。N个探针只均匀分布在一个同心圆上。这样可简化功分/合成电路结构。为了保持电路结构的对称性，所有探针的形状和尺寸都相同，而中心探针可能与探针形状和尺寸相异。

图2 径向波导功分/合成电路结构

2 径向波导空间功率合成器的模型等效电路［7］

为了分析径向波导功分/合成电路，提出一种简化的电磁模型，如图3所示。参考面将整个径向波导合成器分为两个区域：半径为R0的包含中心探针的中心区域和中心区域以外的包含探针的区域。参考面选取半径为R0的柱面。根据电路结构的对称性，这种N路合成器的探针区域可以看成由N个相同的扇形波导组成，扇形波导间通过理想磁壁分开，如┩3所示。

图3 径向波导功分器简化的电磁模型

当合成器路数较多时，每个扇形波导可以用矩形波导来近似，这就极大地简化了合成器的分析与设计。

半径为R0的中心区域包含一个中心探针，它可以看作一个二端口电路，如图4所示。

图4 径向波导功分器中心区域电路结构及等效电路

图4也给出了它的等效电路，其中心探针的导纳为Yc=Gc+jBc，i是电流源。Т硬慰济BB′，到参考面AA′是一段标准的径向传输线，可以得到它的ABCD矩阵［8］。

区域又可以等效为N个矩形波导-探针过渡［9］，从每个波导-探针过渡可以得出其等效电路。综合以上分析，可以得出径向波导合成器的总体等效电路［10］，如图5所示。

图5 径向波导合成器总体等效电路

Yp=G+jB为探针导纳，从参考面AA′看向左边的导纳为Y1=GL+jBL，而从参考面AA′看向右边的探针阵列方向的导纳为Y2=GS+jBS。Ш铣傻缏芬达到良好匹配必须满足以下条件:

GL=GS;BL=－BS

当令Е氮1=0°时，Э梢缘玫酵馕探针阵列的总导纳为:

Y2=GS+jBS=N•(YP－jcot Φ2)=

N•(G+jB－jcot Φ2)

由以上分析可以看出，У比范了G，B和Φ2值后，也就是确定了Y2值后，那么中心探针的导纳值Yc=Gc+jBcШABCD矩阵也就确定下来。

3 四通道、八通道空间功率合成器的仿真及实现

利用HFSS对两款功率分配器建模并仿真，如┩6,图7所示，重点对中心探针和探针的长度和所在位置进行优化。虽然为多通道输出，但是探针对称分布，所优化的变量也不多，简化了设计的难度。对照图2给出八通道空间功率合成器仿真后的各参数，如表1所示。

表1 四通道合成器仿真后各参数值

abcdxB1B2B3B4RRgCC1

0.650.650.6536.112.12.23.214.8191344.6

图6 八通道合成器仿真模型及仿真结果

图7 四通道合成器仿真模型及仿真结果

对四通道合成器的结构进行了改进，并验证了等效电路的正确性。仿真后各参数如表2所示，假设矩形波导的宽度为C，长度为C1。由仿真结果可得，┧耐ǖ廓合成器在0.8 GHz的范围内dB(S(2,1))>- 6.1 dB,dB(S(1,1))- 9.1 dB, dB(S(1,1))

表2 八通道合成器仿真后各参数值

abcdxB1B2B3B4RRg

0.651.550.652.52.51.62.91.82.924.519

图8 四通道、八通道合成器实物图

表3 四通道合成器实测值

通道1通道2通道3通道4

dB(S(2,1))-6.5-6.4-6.4-6.3

表4 八通道合成器实测值

通道1通道2通道3通道4通道5通道6通道7通道8

dB(S(2,1)-9.4-9.2-9.2-9.8-9.7-9.4-9.5-9.4

4 结 论

本文所研究的波导内空间功率合成技术不同于传统的功率合成技术，从电路结构来看，功率分配与合成是在波导内采用电磁场祸合的形式完成，各端口间没有直接的电路接触，采用多端口形式，插入损耗小，工作频带宽，因而输出功率大，合成效率高，满足宽频带要求，对大功率、宽频带微波毫米波功率合成系统的研究具有极大的参考价值，对跟踪世界先进技术，发展国防，有着重要的现实意义。

参 考 文 献

［1］DURKIN M F, ECKSTEIN R J, MILLS M D. 35 GHz active aperture[C]// 1981 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. Los Angeles, CA, USA: IEEE, 1981，81(l):425-427.

［2］ALEXANIAN A, YORK R A. Broadband spatially combined amplifier array using tapered slot transitions in waveguide[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 1997, 7(2):42-44.

［3］JIANG X, ORTIZ S C, MORTAZAWI A. A Ka-band power amplifier based on the traveling-wave power-dividing/combining slotted-waveguide circuit[J]. IEEE Trans. on Mircrowave Theory Tech., 2004, 52(2):633-639.

［4］［美］POZAR Daadrei M.微波工程［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［5］顾继慧.微波技术［M］.北京：科学出版社，2004.

［6］赵晨曦.Ka波段空间功率合成功率放大器的研制［D］.成都：电子科技大学，2007.

［7］宋开军.基于波导的微波毫米波空间功率合成技术研究［D］.成都：电子科技大学，2007.

［8］［美］GREBENNIKOR Andrei.射频与微波功率放大器的设计［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［9］李绪益.微波技术与微波电路［M］.广州：华南理工大学出版社，2007.

［10］《中国集成电路大全》编委会.微波集成电路［M］.北京：国防工业出版社，1995.

作者简介： 苏 斌 男，1981年出生，河南南阳人，硕士，工程师。主要研究方向为微波电路系统与器件。

朱建立 男，1965年出生，河南洛阳人，博士，研究员。主要研究方向为微波电路系统。

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