Ku波段四路径向功率合成器的设计与实现

刘永旺

(中国电子科技集团公司第13研究所物资处，河北石家庄 050051)

随着微波毫米波技术在各个领域的广泛应用，使得相应的微波固态功放的需求量也在逐步增加。并且固态功放的输出功率越来越大。但由于单只功率器件的输出功率有限，因此难以获得较大的输出功率。功率合成技术的出现，有效地解决了这一问题。其具有较好的宽带性能、防止辐射损耗和结构易于实现的优点。

在微波毫米波领域中，已经对多种结构的功率合成方案进行了研究。目前，常见的是一分二合成网络、一分多波导分配/合成、空间功率合成等方案［1］。本文研究了一种新型的Ku波段四路径向波导空间合成器，不但满足较大输出功率的需求，同时具备良好的插损和驻波特性。

1 径向合成原理和设计研究

1.1 径向合成原理

径向合成，是指N路空气介质非谐振径向传输线结构。径向合成要使输出阻抗和源阻抗匹配。径向波导中的主模为TM00，它的场结构可表示为［2］

TM00横向电磁模式，在轴向上具有场对称的结构。其径向结构如图1所示。

图1 径向结构

场由r=0处的线源激励，沿半径r传播，场限制在间距为b的两个圆盘半导体之间。

(1)E模场方程。

就E模而言，场没有H2分量，场可由赫兹电势位函数表达

Пe满足波动方程

定义

何东从小就是老何家的好孩子，三个堂弟的学习榜样，不负家族众望地活到这么大。他不是天生就这样，也不是喜欢这样，小时候爸爸妈妈老打架，他怕他们离婚，小孩能做的就是装乖，装着装着就习惯成自然了。

则在柱坐标系中，有

分离变量，经过推导，得

进一步得到E模场分量表达式

式中，Vi表示沿+r方向波幅;Vr表示沿-r方向波幅。定义r处的电压电流反射系数［3］

归一化导纳

当kr≫1时，

空气介质 ζ=377 Ω，则R=5 92b/λ =50 Ω，可以得到b=0.085 λ。

1.2 合成器的设计研究

四端口径向波导合成器电路结构如图2所示。在波导内部含有5个探针，分别是一个中心探针和4个在外围均匀分布的探针。整个径向波导合成器可以分成两部分:中心区域和外围区域。中心区域是指以半径r0为中心探针所处的区域。外围区域是指中心区域以外的区域。四路合成器的外围区域可以等分为4个扇形区域。单个扇形区域可用矩形区域来近似［4］，如图3所示。

经过分析后，四路径向波导合成器的电路可等效为如图4所示的电路图［5］。

图2 四路径向波导合成器结构

图3 径向波导近似模型

图4 四路径向波导合成器总体等效电路

外围探针导纳

从AA'面看向左边的导纳

从AA'面看向右边阵列的导纳

电路若达到良好的匹配结果，应满足下列条件

在Φ1=0°时，外围探针阵列的总导纳为［4］

因此，已知G、B和Φ2值后，就可以获得Y2的值，类推中心探针的导纳

和矩阵ABCD也可以获得。

2 设计研究仿真结果

经过设计，利用CST软件进步对该合成器结构进行建模仿真优化，工作频率13～17 GHz，优化后的结构如图5和图6所示。

图5 外部结构

图6 内部结构

利用CST软件对该四路合成器进行仿真，图7为该合成器的表面电流分布图，图8为电能量密度图。可以看出四路端口和中心端口处的电流和电能量密度［5］较大。图9为插损和驻波仿真结果。从图中可以看出该四路合成器的插损＜-6.041 7 dB，即合成损耗＜0.041 7 dB。而驻波＜-25.437 dB，在16 GHz时驻波甚至优于-33 dB。因此，根据以上合成器的表面电流分布、电能量密度、插损和驻波的仿真结果说明，这种合成器是一种具有较高合成效率的功率合成系统，适用于Ku波段的功率合成，能获得较大的功率输出。

图7 表面电流分布

图8 电能量密度图

图9 仿真结果

3 结束语

利于径向合成技术设计了一种工作于Ku频段的四路合成器，并利用CST对该合成器进行仿真，仿真结果表明基于径向理论设计的合成器不仅大幅提高了输出功率，解决了单只功率器件输出功率有限的问题，而且还具有工作插损小、驻波低的特性。该种合成器已成功应用于研制的功率放大器上，并取得了良好的效果。

［1］GREBENNIKOR A.射频与微波功率放大器的设计［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［2］POZAR D M.微波工程［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［3］邸英杰，章日荣，李渠塘，等.同轴2径向波导接头分析与设计［J］.电波科学学报，1999，14(2):129-135.

［4］LIU X J，DOU W B.A novel type of rectangular-to-radial waveguide transformer for rwsa at ka-band［C］.China2 Japan Joint Microwave Conference(CJMW)，2008:147-149.

［5］ALYEF，LEE S W，DAVID K A.Simplied design approach for radial power combiners［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory Technology，2006，54(1):247-255.