L波段介質(zhì)型大功率徑向合成器設(shè)計(jì)分析

閆紹卿

【摘要】 徑向波導(dǎo)的功率合成器因?yàn)榫哂泻铣尚矢邇?yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也得到了人們的重視。徑向合成器的性能受其設(shè)計(jì)的影響較大，合理的設(shè)計(jì)會(huì)使徑向合成器的性能得到提升，并且在具體應(yīng)用中發(fā)揮更好的作用，因此加強(qiáng)對(duì)其設(shè)計(jì)的分析具有現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】 介質(zhì)型 徑向合成器 功率放大

目前常用的和成功率方法的種類有很多，其中比較常用的方法有二進(jìn)制合成法和徑向合成法。前者在具體實(shí)時(shí)過程中，簡單方便，并且具有安全可靠特點(diǎn)，但是該方法在應(yīng)用中有個(gè)致命的缺點(diǎn)，隨著合成級(jí)數(shù)的增加，合成效率將會(huì)逐漸降低，這將會(huì)對(duì)其應(yīng)用造成不良影響。而后者則具有功率容量大、合成效率高等缺點(diǎn)，但是該方面在具體實(shí)施上，工藝相對(duì)來說更加復(fù)雜，并且穩(wěn)定性也偏低，因此對(duì)其應(yīng)用過程中，需要加強(qiáng)對(duì)相應(yīng)的徑向合成器設(shè)計(jì)的研究。

一、設(shè)計(jì)徑向合成器的結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的徑向合成器的結(jié)構(gòu)有中心探針、徑向波導(dǎo)、周圍探針三個(gè)部分共同構(gòu)成。中心探針在徑向波導(dǎo)中能夠起到激勵(lì)波的作用。從結(jié)構(gòu)上看，分布子徑向波動(dòng)合成器的內(nèi)外探針都是對(duì)陣的，由于場的波分布是對(duì)稱的，因此分布在外圍各探針的激勵(lì)電磁場也是相同的[1]。

此外，需要注意，雖然對(duì)稱分布探針列使徑向波動(dòng)內(nèi)部電磁場分布發(fā)生了改變，但是電磁場的整體分布仍然是對(duì)稱分布的。在各個(gè)外圍探針分布著相同的電場，這也確保了探針獲取從波導(dǎo)耦合中獲取相同的能量，確保探針列能夠?qū)崿F(xiàn)等功率分配。

二、構(gòu)建徑向合成器模型

利用HFSS完成對(duì)徑向合成器模型構(gòu)建，同時(shí)要做好相應(yīng)的仿真計(jì)算。依據(jù)最注重的仿真結(jié)果，完成對(duì)合徑向合成器結(jié)構(gòu)尺寸的合理優(yōu)化，然后依據(jù)最終的優(yōu)化結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)尺寸。確定的結(jié)構(gòu)尺寸如下：圓盤高度與半徑分別為41.5mm和76.5mm；中心探針的高度和半徑分別為28.5和8.0mm；周圍探針高度和半徑分別為12.0和12.0mm；周圍探針與中心探針距離為43.0mm。

通過分析可發(fā)現(xiàn)，電場能量在周圍探針上均勻分布，在某端口饋入的信號(hào)的功率大小為10kW，形成的最大場強(qiáng)大小為285kV/m，該數(shù)值與聚四氟乙烯介質(zhì)的擊穿電壓相比，要小很多，因此在具體應(yīng)用中，并不需要擔(dān)心發(fā)生擊穿問題，這也使徑向合成內(nèi)部本身具有不錯(cuò)的高功率容量，提高了其應(yīng)用性能[2]。

在具體設(shè)計(jì)中，選用7/16型連接器，通過大量的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可以確定該連接其承受的電功率容量大小約為 1.48kW，N型連接器在具體應(yīng)用中能夠承受的功率容量大小約為0.28kW，由此可以判斷徑向合成的功率容量可以達(dá)到千瓦量級(jí)，在應(yīng)用中能夠發(fā)揮出不錯(cuò)的效果。

通過試驗(yàn)可以判斷，頻段在處于1-2GHz階段時(shí)，每個(gè)支路的振幅大小都相同，反射系數(shù)不會(huì)超過-15.4dB，插損數(shù)也不會(huì)超過0.16dB。通過觀測相位的具體情況也可以發(fā)現(xiàn)，不同支路的相位都處于一致，各個(gè)支路相位差不會(huì)超過0.5°，因此相位差對(duì)該系統(tǒng)合成效率也不會(huì)造成較大影響。通過各項(xiàng)仿真結(jié)果來看，徑向波動(dòng)合成器理論效率可以超過97.5%，因此在應(yīng)用中可以發(fā)揮不錯(cuò)的效果。

三、徑向合成器組裝與測試

介質(zhì)型徑向功率合成器部件其組裝過程如下：金屬腔體結(jié)構(gòu)、腔體內(nèi)包含聚四氟乙烯截介質(zhì)塊、將介質(zhì)放入到金屬腔體內(nèi)。

測試合成器，主要是針對(duì)測試無源系統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)數(shù)和發(fā)射系數(shù)進(jìn)行測試。在測試過程中需要應(yīng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，具體測試的頻率大小集中在1GHz-2GHz范圍內(nèi)，在測試時(shí)，六個(gè)輸入端口中的一個(gè)端口與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀器進(jìn)行連接，其余五個(gè)端口在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載端口相連。

通過具體測試能后獲取到徑向功率合成器的反射系數(shù)和傳輸系數(shù)，由試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，整體上來說，徑向功率合成器傳輸系數(shù)相對(duì)來說比較平緩，其波動(dòng)主要集中在-7.85到 -8.05dB之間，而插入損耗則為0.28-0.32dB之間；1GHz頻點(diǎn)周圍，徑向功合成反射系數(shù)的最大值為-11.92dB，總的來說，實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果之間的吻合度很高，因此各項(xiàng)內(nèi)容都能夠滿足設(shè)計(jì)中的具體要求，最終設(shè)計(jì)的徑向功率能夠發(fā)揮出應(yīng)有的作用[3]。在具體測試過程中，涉及到的六個(gè)端口，每個(gè)端口的傳輸系數(shù)的相位都保持一致。測試中也可以發(fā)現(xiàn)實(shí)測數(shù)據(jù)要與仿真結(jié)果相比略小，并且會(huì)存在一定波動(dòng)，實(shí)測與相對(duì)發(fā)展結(jié)果來說插損較大，但是考慮到加工和裝配都存在誤差，因此具有一定的誤差還是可以接受的。

四、結(jié)束語

徑向合成器的應(yīng)用越來越廣泛，其在具體應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，因此在應(yīng)用之前，要對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行合理分析，使其更加合理，從而發(fā)揮出更好的性能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張園，奚松濤. 一種3路徑向高功率合成器的設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，2016，（02）：62-65.

[2]邵美婷，寧曰民，劉祖深. 一種新型的漸變脊徑向波導(dǎo)空間功率合成器設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制，2014，（11）：3787-3789.

[3]王海龍，廖秋平，楊光. 寬帶徑向功率合成器設(shè)計(jì)[J]. 電子信息對(duì)抗技術(shù)，2011，（04）：64-68.