一種基于波導(dǎo)的K波段功率分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

張麗靜

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

隨著無線電通信、雷達等電子設(shè)備系統(tǒng)的快速發(fā)展，對更遠距離、更高通信質(zhì)量的要求越來越高，需要開發(fā)出適用于高頻段和大功率、高效率的射頻系統(tǒng)。在現(xiàn)階段單個功率單片輸出功率有限的前提下，普遍采用各種類型的功率合成方案，從而使系統(tǒng)在各個工作頻段獲得想要的輸出能力[1]。

在眾多類型分配網(wǎng)絡(luò)中，波導(dǎo)功率分配網(wǎng)絡(luò)具有功率容量大、合成損耗低、散熱好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于毫米波功率合成系統(tǒng)中。本文基于3 dB分支定向耦合器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)論[2-4]，基于BJ260標準矩形波導(dǎo)設(shè)計了一種3路波導(dǎo)功分器，并與雙探針波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進行級聯(lián)，形成了6路功率分配網(wǎng)絡(luò)，是針對具體應(yīng)用需求的一種較為靈活的功率分配網(wǎng)絡(luò)，同時采用奇數(shù)路分配結(jié)構(gòu)，減少了合成級數(shù)，有效提高了合成效率。

1 原理分析

在微波理論中，3 dB分支矩形波導(dǎo)電橋通過縫隙耦合來實現(xiàn)功率分配，如圖1所示。在該結(jié)構(gòu)中，主波導(dǎo)和副波導(dǎo)以串聯(lián)電路形式對稱分布在縫隙兩側(cè)，根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論，可以采用奇偶模理論進行分析，分別得到奇偶模傳輸矩陣[5]。

圖1 分支線耦合器結(jié)構(gòu)

偶模傳輸矩陣為

(1)

奇模傳輸矩陣為

(2)

奇偶模傳輸系數(shù)和反射系數(shù)為

(3)

式(3)中，Te和Γe分別為偶模傳輸和反射系數(shù)；T0和Γ0為奇模傳輸和反射系數(shù)。各端口的反射參數(shù)為

(4)

端口1和端口4的反射為零可知B=C，從而可以得到關(guān)于a和b的表達式，再由2、3端口的幅值條件可得另一表達式，幅值條件由設(shè)計的耦合度確定。兩式聯(lián)立即可求得a和b的值[6-8]。

2 設(shè)計方案和仿真結(jié)果

2.1 3路功率分配網(wǎng)絡(luò)

J.M.Rebollar等學(xué)者在3 dB波導(dǎo)分支定向耦合器的基礎(chǔ)上，提出了一種改進型功率分配器[9]。與傳統(tǒng)的兩路合成方式相比，3路合成具有更高的合成效率，還可以根據(jù)實際工作帶寬需要，靈活地獲得2n×3m(m、n非負整數(shù))路的功率合成。參考J.M. Rebollar的3路波導(dǎo)功分器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了K波段3路波導(dǎo)功分器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 3路功分器仿真模型

該3路波導(dǎo)功分器是基于BJ260標準矩形波導(dǎo)，通過將兩個3 dB分支波導(dǎo)定向耦合器進行直通端口合并，將兩路耦合端口對稱分布在直通端口兩側(cè)。通過優(yōu)化調(diào)整分支波導(dǎo)間的耦合孔尺寸和距離來實現(xiàn)3路輸出端口的功率幅度一致性。該結(jié)構(gòu)分布在同一水平面上，兩路耦合端口呈現(xiàn)對稱分布，保證了耦合端口的相位一致性。在規(guī)劃好耦合端口位置分布的前提下，通過在直通端口處增加一段拐彎波導(dǎo)來平衡3路輸出端口之間的傳輸路徑差異，進行了適當?shù)南辔谎a償，保證輸出相位一致性[10]。

圖3 插入損耗和回波損耗仿真結(jié)果

圖4 端口間相位仿真結(jié)果

為達到良好的阻抗匹配狀態(tài)，每個輸出端口的分支均設(shè)計了過渡結(jié)構(gòu)，并在直角拐角處進行圓角處理，保證了過渡段的駐波屬性。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體結(jié)構(gòu)對輸出波導(dǎo)位置進行細微調(diào)整，保證輸出端口位于同一平面，有利于整個電路的布局。

經(jīng)過優(yōu)化，由圖4仿真結(jié)果可以看出，該3路波導(dǎo)功分器在24～26 GHz頻帶內(nèi)，輸出端口插入損耗<0.19 dB，相位不平衡差<6.3°，輸入端口的回波損耗<-25 dB，達到了預(yù)期設(shè)計目標，可以應(yīng)用到相關(guān)工程中。

2.2 雙探針波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

在單片集成電路與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間的各類型連接形式中，波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)由于過渡性能良好被廣泛應(yīng)用。最早由 Vassilev V.等人提出在單探針的基礎(chǔ)上發(fā)展形成雙探針波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)[11-13]，是寬帶射頻應(yīng)用電路的重要部件。結(jié)合實際需要，設(shè)計了一種雙探針波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型，如圖5所示。

圖5 雙探針波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)仿真模型

在該結(jié)構(gòu)中，兩個探針作為功分器輸出口對稱伸進波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，形成了一個微波三端口網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論，微帶線探針上的準 TEM 模進入波導(dǎo)時會產(chǎn)生探針電流，使探針具有電抗性質(zhì)[14]。通常改變短路面的距離來調(diào)整波導(dǎo)短路面的電抗，還可以用來抵消微帶線探針的電抗[15]。

圖6 插入損耗和回波損耗仿真結(jié)果

圖7 端口間相位仿真結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化，從圖7仿真結(jié)果可以看出，該結(jié)構(gòu)在24～26 GHz頻帶內(nèi)，輸出端口插入損耗<0.1 dB，相位不平衡差<2.3°，輸入端口的回波損耗<-26 dB，達到了設(shè)計要求。

2.3 6路功率分配網(wǎng)絡(luò)

利用改進優(yōu)化的3路波導(dǎo)功分器作為第一級功率分配結(jié)構(gòu)，每個輸出端口與雙探針波導(dǎo)微帶過渡結(jié)構(gòu)進行級聯(lián)，從而形成了6路功率分配網(wǎng)絡(luò)，如圖8所示。

圖8 功率分配網(wǎng)絡(luò)仿真模型

圖9 插入損耗和回波損耗仿真結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化，由圖9仿真結(jié)果可以看出，6路功率分配網(wǎng)絡(luò)在24～26 GHz頻帶內(nèi)輸出端口插入損耗<0.26 dB，輸入端口回波損耗<-20 dB，達到了設(shè)計目標。綜上所述，該功率分配網(wǎng)絡(luò)在K波段體現(xiàn)出工作頻帶寬、插入損耗小的顯著特點；在具體應(yīng)用中，雙探針波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)正反面都能夠裝配功率芯片，利于散熱、結(jié)構(gòu)緊湊且空間利用率高，能夠用于小型化產(chǎn)品的模塊化設(shè)計。

3 結(jié)束語

經(jīng)過理論分析和仿真優(yōu)化，完成了一種基于波導(dǎo)的K波段6路功率分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。該分配網(wǎng)絡(luò)合成方式靈活，同時具有頻帶寬、低損耗、合成效率高、體積小、散熱好等優(yōu)點，并且可根據(jù)需要拓展和自由組合合成路數(shù)，在微波毫米波寬帶高功率分配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中具有較大的應(yīng)用潛力。

[1] 欒秀珍,房少軍,金紅.微波技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2009.

[2] 張娟,湛婷,廖原,等.Ku波段80W固態(tài)功率合成放大器的設(shè)計[J].電子科技,2014,27(6):35-38.

[3] 吳群.毫米波工程[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2015.

[4] 任重,成海峰,徐建華.基于3路功分器的Ka波段功率分配-合成的研究[J].電子元件與材料,2014,33(3):45-48.

[5] 才博,李鵬程.一種Ka頻段波導(dǎo)三路功分器設(shè)計[J].遙測遙控,2012,33(4):42-45.

[6] 薛良金.毫米波工程基礎(chǔ)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2004.

[7] 劉成帥,羅勇.3路功分器的 Ka 波段功率分配/合成的研究[J].電子元件與材料,2014(3):45-48.

[8] 吳中川.一種新型毫米波8路功分器-合成器的設(shè)計[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報,2014,12(2):233-235.

[9] Rebollar J M.Design of a compact Ka-band three-way power divider[J].IEEE Antennas and Propagation Society, AP-S International Symposium,1994(2): 1074-1077.

[10] 劉成帥,羅勇.一種Ka波段6路功率分配/合成模塊的設(shè)計[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報,2014,12(3):420-422.

[11] 王文祥.微波工程技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

[12] 潘海波.基于毫米波的奇數(shù)波導(dǎo)功率合成器的研究[J].艦船電子對抗,2014,12(2):233-235.

[13] 張春艷. K波段波導(dǎo)-微帶探針轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計[J].真空電子技術(shù),2013(2):39-42.

[14] 伍星.基于薄膜電路工藝的毫米波功分器設(shè)計[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報,2011,9(6):722-724.

[15] 王潔,宋志東,張娟,等.V波段波導(dǎo)-微帶探針轉(zhuǎn)換器設(shè)計[J].電子科技,2016,39(2):79-81.