一種基于波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換的X波段功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

臧 恒，徐小帆， 裴 政，夏 熙

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所, 南京 211153)

0 引 言

隨著無線電通信和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，為滿足更遠(yuǎn)的通信距離、更高的通信質(zhì)量的要求，需要開發(fā)出適用于高頻段、大功率、高效率的射頻系統(tǒng)。目前，在單個(gè)固態(tài)功率放大器芯片輸出功率有限的情況下普遍采用功率合成技術(shù)來提高射頻系統(tǒng)的輸出功率。[1]

在眾多的功率分配/合成方案中，因?yàn)椴▽?dǎo)分配/合成網(wǎng)絡(luò)具有功率容量大、合成損耗小、散熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微波高功率合成系統(tǒng)中[2-3]。現(xiàn)階段，由于固態(tài)功率器件常用微帶線為傳輸線，因此需要波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)在波導(dǎo)和微帶線之間的模式轉(zhuǎn)換[4-5]。本文基于波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換理論設(shè)計(jì)了一種基于BJ100標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，是針對(duì)具體的工程應(yīng)用需求提出的一種高可靠性、低損耗功率分配/合成方案。

1 設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的基于波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換的波導(dǎo)功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)原理圖如圖1所示。設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：四路波導(dǎo)功分/合成器設(shè)計(jì)和波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。

圖1 基于波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)

四路波導(dǎo)功分/合成器有兩級(jí)構(gòu)成，第1級(jí)為1個(gè)一分二的波導(dǎo)功分/合成器，第2級(jí)有2個(gè)一分二波導(dǎo)功分/合成器構(gòu)成，分別連接在第1級(jí)的兩個(gè)分支端口處。為達(dá)到良好的阻抗匹配狀態(tài)，對(duì)每個(gè)一分二的波導(dǎo)功分/合成器進(jìn)行了阻抗過渡優(yōu)化，并在直角拐角處進(jìn)行倒角處理。波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換采用探針耦合轉(zhuǎn)換的形式，分別連接在第2級(jí)波導(dǎo)功分/合成器的分支波導(dǎo)上，有效實(shí)現(xiàn)了信號(hào)在微帶與波導(dǎo)之間的模式轉(zhuǎn)換。

2 理論分析和仿真結(jié)果

2.1 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換探針設(shè)計(jì)

目前，常用的微帶-波導(dǎo)過渡方式主要有脊波導(dǎo)過渡、鰭線過渡、絕緣子探針過渡、微帶探針過渡等幾種形式[6-8]，其中微帶探針形式的過渡具有回波損耗小、結(jié)構(gòu)緊湊、易加工裝配、插入損耗較低的優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用較為廣泛的波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換方式之一。

波導(dǎo)-微帶探針的功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)在波導(dǎo)和微帶間傳輸方式的轉(zhuǎn)換，其原理圖如圖2所示。微帶探針插入腔體內(nèi)部，由電磁理論可知：波導(dǎo)中任意一個(gè)沿著微帶線方向具有非零電場(chǎng)分量的波導(dǎo)模會(huì)在探針表面激勵(lì)起電流。根據(jù)互易定理，微帶探針中傳輸?shù)臏?zhǔn)TEM模信號(hào)向波導(dǎo)入射時(shí)在波導(dǎo)內(nèi)部會(huì)激勵(lì)起相應(yīng)的波導(dǎo)模。為了使得探針和波導(dǎo)中的基模TE10電場(chǎng)耦合強(qiáng)度最大，微帶探針應(yīng)該從波導(dǎo)腔體的寬面插入，放置在TE10電場(chǎng)強(qiáng)度最大的地方。

圖2 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換探針結(jié)構(gòu)

矩形波導(dǎo)在TE10模式下微帶探針的輸入阻抗表達(dá)式為[9]

Zin=Rin+jXin

(1)

式中

(2)

(3)

由公式(2)、(3)可知，微帶探針的特性阻抗和微帶探針到短路面的距離L、微帶探針插入波導(dǎo)腔的深度d有關(guān)。通過調(diào)節(jié)L和d的大小，使插入探針的電阻Rin和微帶線的特征阻抗相等，調(diào)節(jié)輸入探針的電抗Xin以抵消各高次模引入的電抗，從而使得入射功率盡可能地耦合到波導(dǎo)內(nèi)。

在三維電磁仿真軟件中建立仿真模型如圖3所示。本文微帶探針的設(shè)計(jì)采用厚度為0.508 mm的Rogers RT/Duroid 5880基板，其介電常數(shù)為2.2，金屬厚度為0.018 mm，波導(dǎo)選用BJ100(22.86 mm×10.16 mm)標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)。通過調(diào)整微帶線插入波導(dǎo)內(nèi)的寬度、長(zhǎng)度和微帶線距離短路面的距離，使得輸入阻抗在工作頻帶內(nèi)的變化盡可能平穩(wěn)，從而保證波導(dǎo)-微帶探針在工作頻帶內(nèi)的良好性能。對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化后，波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換探針的回波損耗和插入損耗的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換探針仿真模型

由仿真結(jié)果可看出，在仿真頻段內(nèi)，該波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換探針的回波損耗大于24 dB，插入損耗小于0.06 dB。

2.2 波導(dǎo)功分/合成器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的波導(dǎo)功分/合成器工作在X頻段，選用標(biāo)準(zhǔn)BJ100型波導(dǎo)為主傳輸線，波導(dǎo)橫截面尺寸為22.86 mm×10.16 mm，相應(yīng)主模的截止頻率為12.4 GHz。

圖4 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換探針仿真結(jié)果

四路波導(dǎo)功分/合成器由兩級(jí)一分二波導(dǎo)功分/合成器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。一分二波導(dǎo)功分/合成器的仿真模型如圖5所示。該結(jié)構(gòu)為E-T型波導(dǎo)功分器，結(jié)構(gòu)上是主波導(dǎo)串聯(lián)分支波導(dǎo)[10-11]。在主波導(dǎo)和分支波導(dǎo)連接位置設(shè)計(jì)有改善駐波和降低傳輸損耗的倒角槽，在主波導(dǎo)和分支波導(dǎo)連接位置兩側(cè)設(shè)計(jì)有改善駐波和匹配過渡的切角。在三維電磁仿真軟件中建立仿真模型，通過對(duì)T型結(jié)處倒角的尺寸、主波導(dǎo)拐角處倒角尺寸仿真優(yōu)化，可得到各個(gè)倒角的尺寸。一分二波導(dǎo)功分/合成器的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 一分二波導(dǎo)功分/合成器仿真模型

圖6 一分二波導(dǎo)功分/合成器仿真結(jié)果

2.3 波導(dǎo)功分/合成器和微帶探針級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)

在波導(dǎo)功分/合成器和波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換探針分別設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上把波導(dǎo)功分/合成器模型和波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換探針模型相級(jí)聯(lián)。四路波導(dǎo)功分/合成器作為功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的第1級(jí)，波導(dǎo)功分/合成器的每個(gè)輸出端口和波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換探針級(jí)聯(lián)，從而形成四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，在三維電磁仿真軟件中建立仿真模型如圖7所示。

圖7 功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)仿真模型

對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，仿真結(jié)果如圖8所示。在仿真頻率范圍內(nèi)，功率分配網(wǎng)絡(luò)的輸入端口回波損耗大于19 dB，4個(gè)輸出端口的幅度一致性優(yōu)于±0.1 dB，相位一致性優(yōu)于±0.7°，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖8 功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

3 實(shí)物及測(cè)試結(jié)果

基于仿真優(yōu)化的尺寸，加工波導(dǎo)功分/合成器和波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換探針，裝配完成后如圖9所示。

圖9 功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)物圖

對(duì)裝配完成的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試使用Agilent公司的N5242A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，校準(zhǔn)件選用Agilent公司的85052D 3.5 mm校準(zhǔn)件。

實(shí)測(cè)結(jié)果如圖10所示。在f0±0.55 GHz的頻段內(nèi)，該功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的插入損耗小于0.5 dB，回波損耗小于-15 dB，四路輸出端口的幅度一致性優(yōu)于±0.35 dB，相位一致性優(yōu)于±3.5°，與仿真結(jié)果基本一致。

該波導(dǎo)功率合成/分配網(wǎng)絡(luò)成功應(yīng)用于某雷達(dá)末級(jí)功放組件，峰值功率承受能力大于1 200 W，組件通過三溫實(shí)驗(yàn)，無故障現(xiàn)象產(chǎn)生，設(shè)計(jì)完全滿足工程應(yīng)用。

圖10 功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換的X波段功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)。文中對(duì)功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的組成進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，并用HFSS軟件進(jìn)行建模仿真，根據(jù)仿真優(yōu)化尺寸進(jìn)行機(jī)械加工，對(duì)實(shí)物性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。從仿真和測(cè)試結(jié)果可以看出，功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)在插入損耗、幅度相位一致性、回波損耗上表現(xiàn)了良好的性能。該設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于某雷達(dá)末級(jí)功放組件上，使用效果良好，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。