基于雙對(duì)極鰭線(xiàn)的空間功率合成器設(shè)計(jì)

安士全,張 瑞,金雁冰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所,合肥 230088)

工程與應(yīng)用

基于雙對(duì)極鰭線(xiàn)的空間功率合成器設(shè)計(jì)

安士全,張 瑞,金雁冰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所,合肥 230088)

介紹了基于雙對(duì)極鰭線(xiàn)的矩形波導(dǎo)空間功率合成技術(shù),利用余弦平方漸變鰭線(xiàn),在微波仿真軟件CST中對(duì)漸變鰭線(xiàn)電路進(jìn)行了優(yōu)化仿真,有效提高了工作帶寬和合成效率。在X波段研制了一套雙對(duì)極鰭線(xiàn)的空間功率合成系統(tǒng),并進(jìn)行了測(cè)試,在相對(duì)帶寬25%的寬帶范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)合成效率大于80%,輸出功率大于30 W。

空間功率合成；對(duì)極鰭線(xiàn)；單片微波集成電路

0 引 言

在雷達(dá)、制導(dǎo)、射電天文、遙感等電子系統(tǒng)中，微波功率源作為系統(tǒng)的重要元件之一，其研究一直是微波理論與技術(shù)研究的重要課題。由于受到半導(dǎo)體自身物理特性及加工工藝等方面的限制，單個(gè)固態(tài)功率器件產(chǎn)生的功率不能滿(mǎn)足系統(tǒng)日益增大的功率要求。因此，功率合成技術(shù)一直以來(lái)是微波技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。從實(shí)現(xiàn)的方式來(lái)分，目前功率合成技術(shù)可分為電路功率合成和空間功率合成兩種[1，2]。

空間功率合成技術(shù)在20世紀(jì)80年代初首先提出，其最初主要應(yīng)用于光學(xué)頻率。到上世紀(jì)九十年代出現(xiàn)了一股空間功率合成技術(shù)研究的熱潮，并逐漸將該技術(shù)推廣到準(zhǔn)光和毫米波以外的頻段?？臻g功率合成主要是通過(guò)將多個(gè)功率輻射單元，按照一定的相位關(guān)系實(shí)現(xiàn)功率的疊加。合成后的功率可以通過(guò)天線(xiàn)接收后進(jìn)行傳輸，也可以直接在高功率需求處進(jìn)行功率合成?？臻g功率合成技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）合成效率高，空間合成的效率不隨合成路數(shù)的增加而劇烈下降，更適合多器件大功率合成的場(chǎng)合。（2）帶寬更寬，空間功率合成一般采用漸變鰭線(xiàn)作為收發(fā)天線(xiàn)，可以利用微波仿真軟件對(duì)鰭線(xiàn)過(guò)渡電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證良好的寬帶性能和系統(tǒng)的輸入輸出隔離度。（3）可擴(kuò)充性，擴(kuò)大波束的截面就可增大合成單元的數(shù)目，實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出。（4）適度惡化性能，由于各合成單元為并聯(lián)關(guān)系，相互間的影響很小。當(dāng)少數(shù)單元失效時(shí)系統(tǒng)仍能正常工作，而不會(huì)出現(xiàn)毀滅性的后果。因此，空間功率合成技術(shù)是提高輸出功率非常有效的方法，也是當(dāng)前最熱門(mén)的功率合成技術(shù)[3-5]。

本文結(jié)合矩形波導(dǎo)空間功率合成系統(tǒng)的特點(diǎn)，基于對(duì)已有漸變鰭線(xiàn)過(guò)渡電路的研究，在微波仿真軟件CST中進(jìn)行了漸變鰭線(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制了一款X波段對(duì)極鰭線(xiàn)結(jié)構(gòu)的空間功率合成器，較好地提高了空間功率合成系統(tǒng)的帶寬和合成效率。

1 原理與方法

1.1 矩形波導(dǎo)空間功率合成的工作原理

兩托架結(jié)構(gòu)矩形波導(dǎo)空間功率合成系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。其中，輸入輸出端口是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)；射頻信號(hào)在輸入端從波導(dǎo)模式經(jīng)過(guò)空間功率合成系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)轹捑€(xiàn)，經(jīng)過(guò)鰭線(xiàn)漸變過(guò)渡轉(zhuǎn)變?yōu)槲问?，到達(dá)功率芯片進(jìn)行信號(hào)放大，之后經(jīng)過(guò)與輸入相同的過(guò)渡以波導(dǎo)形式輸出[6-10]。

圖1 矩形波導(dǎo)空間功率合成示意圖

一種基于雙對(duì)極鰭線(xiàn)的2×2路功率分配器在CST軟件中的仿真模型如圖2所示。這種2×2路功率分配器的兩個(gè)波導(dǎo)-對(duì)極鰭線(xiàn)過(guò)渡分別制作在兩塊基片上，然后對(duì)稱(chēng)地放置在嵌入波導(dǎo)E面中心位置處的金屬托架上，從而完成四路功率分配。模式變換的原理如圖3所示。在圖2的a、b之間的區(qū)域，錐形對(duì)極鰭線(xiàn)逐漸把TE10模的電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)成橫向場(chǎng)。此區(qū)域同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗變換，把波導(dǎo)高阻抗變換成微帶線(xiàn)的低阻抗。當(dāng)波到達(dá)c點(diǎn)時(shí)，電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)90°，并幾乎與微帶線(xiàn)的電場(chǎng)分布和阻抗一致。最后到達(dá)d點(diǎn)時(shí)，變成微帶線(xiàn)中的準(zhǔn)TEM模，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)到微帶的過(guò)渡。微帶的后面是對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行放大的功率芯片，放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)與輸入相同的微帶到波導(dǎo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行功率合成，以波導(dǎo)接口輸出，從而完成了射頻信號(hào)的空間功率合成[11-13]。

圖2 2×2路功率合成器波導(dǎo)微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)

圖3 過(guò)渡上各個(gè)點(diǎn)的電場(chǎng)分布

在矩形波導(dǎo)空間功率合成器中，由于在空波導(dǎo)到介質(zhì)波導(dǎo)轉(zhuǎn)換中，介質(zhì)的不連續(xù)性使轉(zhuǎn)換產(chǎn)生反射損耗，因此設(shè)計(jì)反射損耗盡量小的漸變過(guò)渡鰭線(xiàn)電路是提高空間功率合成器性能指標(biāo)的關(guān)鍵。

1.2 鰭線(xiàn)電路設(shè)計(jì)

漸變鰭線(xiàn)電路設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是選擇一種沿漸變方向的平滑阻抗變換曲線(xiàn)，射頻信號(hào)在漸變鰭線(xiàn)上傳輸時(shí)反射系數(shù)和插入損耗都盡可能的小，而漸變線(xiàn)的長(zhǎng)度也盡可能短。一般來(lái)說(shuō)，漸變段的長(zhǎng)度與反射系數(shù)成反比，漸變線(xiàn)越長(zhǎng)反射越小，但傳輸線(xiàn)越長(zhǎng)路徑損耗會(huì)越大，因此漸變鰭線(xiàn)的長(zhǎng)度與其損耗是一對(duì)矛盾，需要進(jìn)行折中設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是選擇一種漸變鰭線(xiàn)，在滿(mǎn)足插損要求的情況下長(zhǎng)度盡量短。

目前，在實(shí)際工程應(yīng)用中，漸變鰭線(xiàn)已有指數(shù)、拋物線(xiàn)、余弦、余弦平方等比較成熟的四種漸變線(xiàn)，對(duì)于一般的工程應(yīng)用是可以滿(mǎn)足要求的。在實(shí)際應(yīng)用中余弦平方和指數(shù)形式的漸變鰭線(xiàn)使用較多。一般回波損耗在20～25 dB左右的指標(biāo)要求時(shí)，漸變長(zhǎng)度要在一個(gè)波長(zhǎng)量級(jí)，而且其漸變線(xiàn)的外形差別明顯減小。因此為了盡量?jī)?yōu)化漸變鰭線(xiàn)的性能，進(jìn)一步提高電路帶寬，縮小插入損耗，需要對(duì)漸變鰭線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本電路的設(shè)計(jì)中使用余弦平方漸變線(xiàn)，漸變線(xiàn)公式如下

其中b為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的寬邊，由于本系統(tǒng)采用的是對(duì)極鰭線(xiàn)，因此建模時(shí)b取波導(dǎo)寬邊10.16 mm的一半。W表示的是鰭線(xiàn)的縫隙寬度，取值與微帶線(xiàn)的加工工藝有關(guān)，一般不小于0.1 mm，l是漸變段的長(zhǎng)度，與半波長(zhǎng)相當(dāng)，設(shè)計(jì)中需對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

由于三維微波仿真軟件CST在此類(lèi)漸變曲線(xiàn)的建模比HFSS軟件更方便，建模和計(jì)算選擇在CST軟件中進(jìn)行，也可將CST中的模型導(dǎo)入HFSS進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，兩種軟件的仿真結(jié)果基本一致。實(shí)際在CST中的模型如圖4所示。

圖4 漸變鰭線(xiàn)電路仿真模型

漸變鰭線(xiàn)電路的板材選用Rogers公司的RT5880介質(zhì)基板，其介電常數(shù)為2.22，厚度0.254 mm，微帶板表面鍍金2 um。首先對(duì)加工好的漸變鰭線(xiàn)進(jìn)行無(wú)源測(cè)試，無(wú)源測(cè)試滿(mǎn)足要求后方可進(jìn)行芯片裝配，無(wú)源測(cè)試與仿真結(jié)果的對(duì)比如圖5所示。無(wú)源測(cè)試的結(jié)果表明，漸變鰭線(xiàn)在工作頻段內(nèi)插入損耗小于0.5 dB，輸入回波損耗大于15 dB，測(cè)試曲線(xiàn)與仿真結(jié)果基本吻合。無(wú)源測(cè)試結(jié)果表明滿(mǎn)足指標(biāo)要求，可以進(jìn)行芯片裝配了。

圖5 漸變鰭線(xiàn)S參數(shù)-頻率測(cè)試與仿真的比較

1.3 MMIC裝配

在X波段，可供選擇的單片微波集成電路（MMIC）廠家比較多，綜合各方面考慮，本設(shè)計(jì)選擇了Mimix公司的XP1006，該功率芯片飽和輸出功率40 dBm，增益19 dB。

由于功率芯片為靜電敏感芯片器件，需選擇恰當(dāng)?shù)难b配工藝并在專(zhuān)門(mén)的凈化間內(nèi)進(jìn)行。矩形波導(dǎo)空間功率合成器中，漸變鰭線(xiàn)微帶板與托架的粘結(jié)采用真空釬焊，首先將MMIC的焊接到鉬銅襯底上，之后帶有襯底的MMIC焊接到微帶板和托架上，最后進(jìn)行金絲鍵合后完成整體的裝配，裝配好的矩形波導(dǎo)空間功率合成器如圖6所示。

圖6 矩形波導(dǎo)空間功率合成器實(shí)物圖

2 結(jié)果與分析

利用微波信號(hào)源和功率計(jì)搭好測(cè)試平臺(tái)，對(duì)空間功率合成器進(jìn)行測(cè)試，按照?qǐng)D7所示搭好測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試條件為脈沖周期1ms，脈寬100 us。首先固定射頻頻率在中心頻率f0，逐漸增大輸入信號(hào)的功率，記錄下合成器飽和輸出時(shí)的輸入功率，如圖8所示，表明在輸入功率28 dBm時(shí)，功率合成器輸出功率達(dá)到飽和45 dBm。

圖7 空間功率合成器測(cè)試框圖

圖8 中心頻率f0時(shí)合成器Pout-Pin曲線(xiàn)

之后，固定功率合成器的輸入功率為28 dBm，對(duì)工作頻率進(jìn)行測(cè)試，對(duì)工作頻帶內(nèi)功率合成器的輸出功率和合成效率的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理如圖9所示，功率合成器在整個(gè)頻帶內(nèi)的飽和輸出功率大于45 dBm，合成效率大于80%。最近國(guó)內(nèi)公開(kāi)報(bào)道的一些空間功率合成產(chǎn)品的性能對(duì)比如表1所示，可以看出本文在寬帶性能上具有一定優(yōu)勢(shì)。

圖9 飽和輸出功率和合成效率隨頻率的曲線(xiàn)

表1 公開(kāi)發(fā)表的空間功率合成產(chǎn)品性能對(duì)比

需要說(shuō)明的是，以上測(cè)試是脈沖信號(hào)的測(cè)試，如果選用最新上市的效率更高的功率芯片，采取風(fēng)冷的散熱條件，該合成器可以連續(xù)波工作。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用余弦平方漸變鰭線(xiàn)，在微波仿真軟件CST中對(duì)漸變鰭線(xiàn)電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了寬帶、低損耗的漸變鰭線(xiàn)過(guò)渡電路，研制了一款X波段對(duì)極鰭線(xiàn)的空間功率合成器。經(jīng)測(cè)試，在相對(duì)帶寬25%的寬帶內(nèi)，合成效率大于80%。在X波段微波固態(tài)功率的寬帶、高效合成具有一定的使用價(jià)值和積極的推動(dòng)作用，并可推廣至毫米波等更高頻段的工程應(yīng)用中。

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安士全(1977—),男,山東新泰人,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)槲⒉ü虘B(tài)電路；

E-mail：anshiquan@126.com

張 瑞(1977—),男,安徽金寨人,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)槲⒉ü虘B(tài)電路；

金雁冰(1978—),女,河南南陽(yáng)人,工程師,主要研究方向?yàn)樯漕l微系統(tǒng)。

Design of Spatial Power Combiner Based on Double Antipodal Finline

AN Shi-quan，ZHANG Rui，JIN Yan-bing
（The 38thResearch Institute of CETC，Hefei230088，China）

The technology of rectangular waveguide spatial power combining based on double antipodal finline is introduced.The cosine square taper line is utilized.The taper finline circuit is optimized bymicrowave simulation software CST，so that the bandwidth of the transition circuit is broadened significantly，and the combining efficiency is improved.The spatial power combiner system in style of double antipodal taper finline is implemented in X band.The measured results show that a combining efficiency of 80%is achieved across a relative bandwidth of 25%，and the output power is beyond 30W.

spatial power combining；double antipodal finline；MMIC

TN73

A

1673-5692（2015）04-432-04

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.04.019

2015-01-16

2015-07-09

中國(guó)電子科技集團(tuán)科技創(chuàng)新基金（JJ06023）