一種新型E面功率合成器

常 堅(jiān)，湯袁亮，靳連根

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，江蘇 南京 211106)

0 引 言

隨著微波技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)功率的大小決定了整個(gè)裝備的作用距離和抗干擾能力。單個(gè)固態(tài)器件的輸出功率是有限的，真空微波器件雖然能在高頻段提供穩(wěn)定的高功率輸出，但受限于體積、重量、可靠性，無法在嚴(yán)苛條件下大量使用；相比較而言，微波固態(tài)器件體積小、重量輕、可靠性高，能克服真空微波器件的絕大部分缺點(diǎn)。但是受限于半導(dǎo)體自身的物理特性，單個(gè)固態(tài)器件的輸出功率是有限的，就需要通過網(wǎng)絡(luò)將多路信號(hào)進(jìn)行累加。因此，隨著固態(tài)技術(shù)的發(fā)展，功率合成技術(shù)隨之共同進(jìn)步。而功率合成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是固定的，但是合成網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)形式是多樣的。寬帶化、提高效率、可實(shí)現(xiàn)性成了目前研究的重點(diǎn)。

高功率合成技術(shù)中，最基礎(chǔ)的是將2路合成器進(jìn)行多級(jí)級(jí)聯(lián)，形成一個(gè)二進(jìn)制樹形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多路合成?；镜?路合成器是在Wilkinson功分器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，一般有微帶型、板線型、波導(dǎo)型等等。這種級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式隨著合成支路數(shù)量的增加，損耗變化不大，合成效率也不變。

本文設(shè)計(jì)了一種新穎的高效8路波導(dǎo)功率合成器，在X波段實(shí)現(xiàn)了固態(tài)組件的功率合成。在8～10 GHz的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了低損耗、高隔離的脈沖功率合成，總的合成效率大于85%。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

針對(duì)產(chǎn)品性能要求，提出設(shè)計(jì)一種X波段功率合成網(wǎng)絡(luò)。寬頻帶、高功率、高效率、低損耗、高可靠性是功率合成網(wǎng)絡(luò)的最終目標(biāo)[1]。設(shè)計(jì)過程為：首先根據(jù)功率容量要求確定傳輸線的類型，設(shè)計(jì)一個(gè)帶有隔離電阻和阻抗匹配的T型波導(dǎo)功分器，實(shí)現(xiàn)基本的一分二結(jié)構(gòu)；然后通過波導(dǎo)-微帶探針耦合和相應(yīng)的功分結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)8路功率分配器。波導(dǎo)-微帶探針耦合通過多級(jí)阻抗變換實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出。

1.1 合成器選型

相對(duì)于微帶、帶狀線，波導(dǎo)具有低損耗、高功率容量、高可靠性、易加工的特性，X波段功率合成多采用基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的合成器。目前適用于X波段的波導(dǎo)合成器主要有2種類型：帶隔離端口的四端口波導(dǎo)電橋和無耗三端口波導(dǎo)合成器。其中四端口的波導(dǎo)合成器包括：電橋、波導(dǎo)魔T等；無耗三端口合成器包括：波導(dǎo)E-T和波導(dǎo)H-T。

目前普遍適用的魔T、波導(dǎo)3 dB電橋都是帶隔離的四端口功分器[2]。因?yàn)楹铣善鲙Ц綦x端口，支路之間有20 dB以上的隔離度，用于功率合成時(shí)可以避免復(fù)雜的調(diào)試。而四端口功分器體積較大，隔離端口的存在往往會(huì)破壞功分器的對(duì)稱性，造成幅度差和相位差，隔離端口對(duì)機(jī)械加工帶來了相當(dāng)大的困難，并增加了調(diào)試的工作量。

而無耗三端口合成器加工簡(jiǎn)單，一般不需要復(fù)雜的裝配；設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；加工難度低；工作頻帶寬；后期不需要調(diào)試；因此，通過上述對(duì)比分析得出，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，綜合選用三端口功率合成器。

1.2 基本單元合成器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)三端口合成器，首先分析三端口合成網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)。在理想情況下，S參數(shù)為：

(1)

2、3口對(duì)稱：

S21=S31，S23=S32，S22=S33

無耗互易網(wǎng)絡(luò)，SS*=1，即：

從上式得出，三端口網(wǎng)絡(luò)無法達(dá)到完全匹配，2個(gè)輸入端口之間的理論隔離度只有6 dB，在設(shè)計(jì)中只對(duì)端口駐波進(jìn)行優(yōu)化即可滿足設(shè)計(jì)要求。

通過上述分析，在ANSOFT公司的HFSS軟件中建模。普通的E-T模型無法達(dá)到滿意的工作帶寬，擴(kuò)展帶寬需要在模型中3個(gè)端口的交接處引入錐體匹配塊。匹配塊的加入對(duì)E-T結(jié)構(gòu)引入了電抗和容抗，并增加了調(diào)試的工作量。后期匹配塊的焊接或螺釘固定會(huì)帶來裝配誤差，影響性能。為了簡(jiǎn)化加工難度，從工程化的角度出發(fā)，分析模型內(nèi)部場(chǎng)，對(duì)波導(dǎo)窄邊進(jìn)行切削也可以達(dá)到增加錐形匹配塊的效果。該E-T結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 E-T結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 隔離度設(shè)計(jì)

通過上述S參數(shù)矩陣得知，三端口合成器2個(gè)端口之間的隔離度理論上也只能達(dá)到6 dB。當(dāng)某一輸入支路出現(xiàn)損壞，輸出功率將嚴(yán)重惡化，性能嚴(yán)重下降。

圖2 Wilkinson功分器電路圖

功分器的電路，可以運(yùn)用奇-偶模理論來分析。

1.3.1 奇模分析

圖3 奇模等效電路圖

1.3.2 偶模分析

圖4 偶模電路

本文采用類似于Larry W Epp等人提出的改進(jìn)型T型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[3]。通過上述分析，為了使端口之間具有隔離度，在T型結(jié)構(gòu)的中央對(duì)稱區(qū)域加載一塊電阻卡。通過在T型結(jié)構(gòu)的頂端開槽引入薄膜電阻，薄膜電阻是在低損耗介質(zhì)材料表面涂覆TaN材料膜。TaN薄膜的厚度一般在微米級(jí)，低于毫米波頻率的趨膚深度。

平衡端口激勵(lì)引起薄膜電阻上的奇模表面電流。端口1激勵(lì)引起的表面電流分量與端口2引起的電流抵消。在這種情況下，薄膜電阻上的功率損耗理論上為零，因此增加薄膜電阻不會(huì)引起插入損耗的變化。然而，當(dāng)輸入端口信號(hào)不平衡時(shí)，激勵(lì)在薄膜電阻上導(dǎo)致偶模電流分布，此時(shí)功率被薄膜電阻吸收。

1.4 單元仿真計(jì)算

E-T模型的隔離度仿真計(jì)算如圖5、圖6所示。

圖5 隔離度

圖6 E-T模塊內(nèi)部電場(chǎng)

從圖5中可以看出，在E-T結(jié)構(gòu)中增加了薄膜電阻后在設(shè)計(jì)頻率范圍內(nèi)端口之間的隔離度大于26 dB。因此上述手段達(dá)到了預(yù)期效果。

2 八合一合成器的設(shè)計(jì)

通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將功分器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，見圖7。合成滿足性能要求的大功率合成器。在三維電磁場(chǎng)軟件HFSS中建模以及仿真，結(jié)果如圖8～10所示。

從仿真結(jié)果可以看出，這種X波導(dǎo)合成器在需要的工作頻帶內(nèi)回波損耗小于-18 dB，插入損耗在0.3 dB以內(nèi)。8路X波段合成網(wǎng)絡(luò)的合成效率滿足85%的性能要求。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種新型的X波段寬帶高功率波導(dǎo)合成器的設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了在X波段寬帶、隔離度大于20 dB、損耗小于0.3 dB功率合成功能。通過HFSS軟件進(jìn)行了三維電磁仿真計(jì)算，證明了該種合成器結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)緊湊，易于加工等，為后續(xù)多路合成器拓展到毫米波領(lǐng)域應(yīng)用提供了一種新的設(shè)計(jì)方法。

圖7 8路X波段波導(dǎo)合成器模型

圖9 端口駐波比

圖10 端口隔離度