Ku波段四路徑向功率合成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉永旺

(中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所物資處，河北石家莊 050051)

隨著微波毫米波技術(shù)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得相應(yīng)的微波固態(tài)功放的需求量也在逐步增加。并且固態(tài)功放的輸出功率越來越大。但由于單只功率器件的輸出功率有限，因此難以獲得較大的輸出功率。功率合成技術(shù)的出現(xiàn)，有效地解決了這一問題。其具有較好的寬帶性能、防止輻射損耗和結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

在微波毫米波領(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。目前，常見的是一分二合成網(wǎng)絡(luò)、一分多波導(dǎo)分配/合成、空間功率合成等方案［1］。本文研究了一種新型的Ku波段四路徑向波導(dǎo)空間合成器，不但滿足較大輸出功率的需求，同時(shí)具備良好的插損和駐波特性。

1 徑向合成原理和設(shè)計(jì)研究

1.1 徑向合成原理

徑向合成，是指N路空氣介質(zhì)非諧振徑向傳輸線結(jié)構(gòu)。徑向合成要使輸出阻抗和源阻抗匹配。徑向波導(dǎo)中的主模為TM00，它的場結(jié)構(gòu)可表示為［2］

TM00橫向電磁模式，在軸向上具有場對稱的結(jié)構(gòu)。其徑向結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 徑向結(jié)構(gòu)

場由r=0處的線源激勵，沿半徑r傳播，場限制在間距為b的兩個圓盤半導(dǎo)體之間。

(1)E模場方程。

就E模而言，場沒有H2分量，場可由赫茲電勢位函數(shù)表達(dá)

Пe滿足波動方程

定義

何東從小就是老何家的好孩子，三個堂弟的學(xué)習(xí)榜樣，不負(fù)家族眾望地活到這么大。他不是天生就這樣，也不是喜歡這樣，小時(shí)候爸爸媽媽老打架，他怕他們離婚，小孩能做的就是裝乖，裝著裝著就習(xí)慣成自然了。

則在柱坐標(biāo)系中，有

分離變量，經(jīng)過推導(dǎo)，得

進(jìn)一步得到E模場分量表達(dá)式

式中，Vi表示沿+r方向波幅;Vr表示沿-r方向波幅。定義r處的電壓電流反射系數(shù)［3］

歸一化導(dǎo)納

當(dāng)kr?1時(shí)，

空氣介質(zhì) ζ=377 Ω，則R=5 92b/λ =50 Ω，可以得到b=0.085 λ。

1.2 合成器的設(shè)計(jì)研究

四端口徑向波導(dǎo)合成器電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。在波導(dǎo)內(nèi)部含有5個探針，分別是一個中心探針和4個在外圍均勻分布的探針。整個徑向波導(dǎo)合成器可以分成兩部分:中心區(qū)域和外圍區(qū)域。中心區(qū)域是指以半徑r0為中心探針?biāo)幍膮^(qū)域。外圍區(qū)域是指中心區(qū)域以外的區(qū)域。四路合成器的外圍區(qū)域可以等分為4個扇形區(qū)域。單個扇形區(qū)域可用矩形區(qū)域來近似［4］，如圖3所示。

經(jīng)過分析后，四路徑向波導(dǎo)合成器的電路可等效為如圖4所示的電路圖［5］。

圖2 四路徑向波導(dǎo)合成器結(jié)構(gòu)

圖3 徑向波導(dǎo)近似模型

圖4 四路徑向波導(dǎo)合成器總體等效電路

外圍探針導(dǎo)納

從AA'面看向左邊的導(dǎo)納

從AA'面看向右邊陣列的導(dǎo)納

電路若達(dá)到良好的匹配結(jié)果，應(yīng)滿足下列條件

在Φ1=0°時(shí)，外圍探針陣列的總導(dǎo)納為［4］

因此，已知G、B和Φ2值后，就可以獲得Y2的值，類推中心探針的導(dǎo)納

和矩陣ABCD也可以獲得。

2 設(shè)計(jì)研究仿真結(jié)果

經(jīng)過設(shè)計(jì)，利用CST軟件進(jìn)步對該合成器結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真優(yōu)化，工作頻率13～17 GHz，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示。

圖5 外部結(jié)構(gòu)

圖6 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

利用CST軟件對該四路合成器進(jìn)行仿真，圖7為該合成器的表面電流分布圖，圖8為電能量密度圖。可以看出四路端口和中心端口處的電流和電能量密度［5］較大。圖9為插損和駐波仿真結(jié)果。從圖中可以看出該四路合成器的插損＜-6.041 7 dB，即合成損耗＜0.041 7 dB。而駐波＜-25.437 dB，在16 GHz時(shí)駐波甚至優(yōu)于-33 dB。因此，根據(jù)以上合成器的表面電流分布、電能量密度、插損和駐波的仿真結(jié)果說明，這種合成器是一種具有較高合成效率的功率合成系統(tǒng)，適用于Ku波段的功率合成，能獲得較大的功率輸出。

圖7 表面電流分布

圖8 電能量密度圖

圖9 仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

利于徑向合成技術(shù)設(shè)計(jì)了一種工作于Ku頻段的四路合成器，并利用CST對該合成器進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明基于徑向理論設(shè)計(jì)的合成器不僅大幅提高了輸出功率，解決了單只功率器件輸出功率有限的問題，而且還具有工作插損小、駐波低的特性。該種合成器已成功應(yīng)用于研制的功率放大器上，并取得了良好的效果。

［1］GREBENNIKOR A.射頻與微波功率放大器的設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［2］POZAR D M.微波工程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［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(jì)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，1999，14(2):129-135.

［4］LIU X J，DOU W B.A novel type of rectangular-to-radial waveguide transformer for rwsa at ka-band［C］.China2 Japan Joint Microwave Conference(CJMW)，2008:147-149.

［5］ALYEF，LEE S W，DAVID K A.Simplied design approach for radial power combiners［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory Technology，2006，54(1):247-255.