一种新型Ku波段波导-微带功率合成器∗

王 嘉 胡 蓓（西安导航技术研究所西安710068）

一种新型Ku波段波导-微带功率合成器∗

王 嘉 胡 蓓
（西安导航技术研究所西安710068）

采用HFSS电磁仿真软件设计了一款新型Ku波段波导-微带功率合成器，在12.7GHz~16.8GHz范围内波端口反射系数小于-20dB，微带端口到波端口的插入损耗在3dB±0.1dB内，相位差为180°±8°内，具有很强的实用价值。

Ku波段；功率合成器；波导-微带过渡

1 引言

在高功率微波传输过程中，矩形波导由于其低损耗的特性，被广泛应用于天线前端、发射机、接收机、测试器件和低损耗部件中［1］。然而，目前大多数固态器件是基于平面电路应用，其中很大一部分为微带电路，因此微带-波导过渡结构成为了连接平面电路与波导系统一个必不可少的器件，一般来说其需要满足宽频带、装配简单、低传输损耗和高发射损耗等条件［2］。

本文设计了一种Ku波段波导-微带功率合成器，采用鳍线过渡结构，其不仅具有宽频带波导-微带过渡的特点，同时兼具功率合成的功能，在工程中具有很强的实用价值。

2 设计原理

鳍线结构是一种便于制作毫米波混合集成电路的新型准平面结构［3］，实际使用的鳍线有四种结构，它们是单面鳍线、双面鳍线、对极鳍线以及单双面绝缘鳍线［4］。

在毫米波混合集成电路中，一般采用对极鳍线来实现微带到矩形波导的过渡，在这种结构中，鳍线的槽宽逐渐变化到金属波导的宽度［5］。对极鳍线的渐变形式包括指数线、余弦线、抛物线等［6］，其中余弦平方由于其便于机械加工，制造成本低等特点，使用最为普遍［7］。

余弦平方的设计公式为

式中，w为50ohm微带线宽；Z为鳍线传输线的纵向坐标；L为过渡段长度。

经典的波导-微带对极鳍线过渡结构如图1所示。在整个过渡长度内，基片两面的金属鳍逐渐将波导口的电场逐渐转化成微带的TEM模［8］。1、2区的作用是将入射的TE10模旋转90°，在交叠鳍区域传播准TEM模，此外，它还将波导的高阻抗转化为微带的低阻抗［9］。3、4、5区将对极鳍线转变为微带

ClassNumber TN73线。为了消除谐振，可加入防谐振片S［10］，可将其等效为槽长为L1的槽线谐振器。

3 模型设计及仿真

针对波导-微带功率合成器的实际使用频率为Ku波段，使用HFSS三维电磁仿真软件对模型设计、仿真及优化。该模型主要由两部分组成，一部分为Ku波段的标准波导，另一部分为插入波导内部的介质板，其中两个对极鳍线覆盖在介质板的上表面，背面覆盖一层地板，地板由两部分组成，一部分为鳍线形成的弧形区域，一部分为矩形区域。

波导的尺寸采用Ku波段BJ140标准矩形波导尺寸（15.799mm*7.899mm），介质基板选择介电常数为2.2的Rogers 5880，厚度为0.254mm，长度为40mm，介质基板距离波导壁k为3mm，根据实际的工作频率12GHz~18GHz（中心频率为15GHz）可计算出微带线的宽度为0.76mm，鳍线间距为4.5mm，建立模型如图2所示。

图2 中，a、b分别为标准波导的长边和短边，t为微带线的线宽，Wh为两个鳍线之间的间距，k为介质板距离波导壁的距离，Kcl为背面地板矩形部分的长度。

其中，鳍线1、2的曲线均为余弦平方公式，鳍线3的曲线为余弦公式，最终模型仿真S参数结果如图3所示。

由图3（a）中可看出，波端口的反射系数在12.7GHz~16.8GHz频带范围内反射系数均在-20dB以下，说明波端口匹配良好，能满足宽频带的要求。由图3可看出，微带馈电端口到波端口的传输系数在3dB±0.1dB范围内浮动，说明其传输特性良好。微带馈电端口的相位差如图4所示。

由图4中可以看出，端口的相位差在180°±8°范围内，能够满足工程的需要。

4 参数分析及优化

由于微带端口在传输过程中，主要依靠上层基片与地板之间的准TEM波来传输［11］，因此场的能量主要集中在基片区域，但会有少部分存在于基片上方的空气区域［12］。图5为微带横截面处的电场分布图。

由图5可以看出，微带鳍线之间的间距以及地板的形状会对此波导-微带功分器的电磁特性产生比较大的影响［13］，通过HFSS的优化参数分析，鳍线间距Wh的优化仿真结果如图6所示。

由图6可以看出，Wh在小于4mm的时候，波端口失配比较严重，在高于4mm之后，整个频带内迅速产生谐振，这是因为在两个微带端口距离较近的时候，微带端口之间耦合比较严重，导致波端口的能量反射比较厉害，从而使其失配比较严重，反射系数比较差。但是，也不能间距过大，这会导致鳍线距离波导壁过近，端口与波导壁产生一定的耦合，导致传输系数变差，因此最终选择Wh为4.5mm这一组数据。

图7 为优化地板矩形面积的结果，由图中可以看出当kcl为零时，没有矩形部分，此时全频带内波端口反射系数很差，在l/6的时候，达到最佳，因此最终我们kcl的长为l/6。

5 结语

本文设计了一款Ku波段波导-微带功率合成器，在12.7GHz~16.8GHz范围内S11£-20dB，插入损耗在3dB±0.1dB内，相位差为180°±8°范围内，它不仅具有宽频带内波导微带过渡的特点，同时完成了功率合成的功能，在大功率合成中具有很强的实用价值。

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A New Ku-band W aveguide-m icrostrip Power Com biners

W ANG Jia HU Bei
（XiƳan Navigation Technology Research Institute，XiƳan 710068）

A new Ku-band waveguide-m icrostrip power combiners has been designed by HFSS，for the wave port S11 £-17dB in 12.7GHz~16.8GHz，themicrostrip S12 and S13 are in 3dB±0.1dB，phase difference is in 180°±8°，which is really use⁃ful in practice.

Ku-band，power combiner，waveguide-microstrip

TN73

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.031

2016年11月8日，

2016年11月27日

王嘉，男，硕士研究生，助理工程师，研究方向：高功率微波传输。