一种小型化波导合成器的设计

张国强　张生春　周立学　杨　莉　华根瑞

(西安电子工程研究所　西安　710100)

0　引言

在现代相控阵雷达系统中，T/R组件作为核心部件而广泛采用。组件对元器件的基本要求就是小型化、易集成。传统的矩形波导具有结构简单，功率容量大的优点，微带电路具有体积小、易集成的特点。如何结合这两种传输形式的特点，设计出满足要求的功率合成器件是研究的重点。

随着微波毫米波固态器件的发展，固态微波毫米波高功率放大技术引起了人们的广泛关注。由于单个MMIC输出功率能力有限，难于满足工程应用的要求，功率合成技术是获得大功率固态微波毫米波源的最重要、最有效途径。功率分配/合成技术性能的好坏直接影响到整个系统能量的分配和合成效率。近年来，基于波导功率合成研究越来越关注，相继提出基于波导、微带线的合成形式以及径向合成等多种新型模式[1-6]。

1　理论分析

在毫米波频段，由于微带介质本身的性质造成插损较大，应用比较多的就是采用波导形式进行能量传输，而从合成角度来讲，主要分为以下几种。

1.1　分支波导

分支波导是一种三端口元件，在微波系统中用作功率的分配和合成。常见的分支波导有T形接头和Y形分支，其中波导T形接头包括E-T接头和H-T接头两种，它们除了可以用来进行微波分路或合并外，也可以作阻抗变换器进行调配。

1.1.1E-T接头

E-T接头的结构如图1(a)所示，它由一段波导及从波导宽边(E面)接出来的分支波导构成，端口1与2呈几何对称，端口3的中截面是它们的几何对称面，它的等效电路为串联的双根线。

图1　分支波导结构图

E-T接头的特点：

1)由端口1入射的TE10波，将被分配到端口2与3，同样，由端口2输入的TE10波会从端口1与3 输出。

2)若在端口1与2同时输入等幅同相的TE10波，则端口3将无能量输出。

3)若在端口1与2同时输入等幅反相的TE10波，则端口3将获得最大能量输出。

4)根据互易原理，若在端口3输入TE10波，它将在端口1与2等幅但反相输出。

1.1.2H-T接头

若在波导窄边(H面)接出一段分支波导，就形成H-T接头。同样，端口1与2相对于端口3的中截面对称分布，它的等效电路为并联的双根线。

H-T接头特点：

1)由端口1入射的TE10波，将被分配到端口2与3，同样，由端口2输入的TE10波会从端口1与3 输出。

2)若在端口1与2同时输入等幅同相的TE10波，则端口3将获得最大能量输出。

3)若在端口1与2同时输入等幅反相的TE10波，则端口3将无能量输出。

4) 根据互易原理，若在端口3输入TE10波，它将在端口1与2等幅但同相输出。

1.2　微带探针过渡

微带探针过渡是从同轴探针发展而来，实质上是通过一段起耦合作用的微带线把波导中的电场耦合到微带线上。能使波导以垂直和平行于微带电路所在平面的方向与微带相连接，矩形波导的短路活塞使探针处于波导内电场最强的位置，微带探针经过一段高阻抗线变换到 50Ω微带线[7]。

图2　微带探针过渡示意图

微带线的特性阻抗[8]：

(1)

根据公式(1)绘出微带线宽与特性阻抗关系图，从而给出微带线的初始尺寸。

2　仿真设计

根据上述设计思想，在微波仿真设计软件HFSS中建模，基片材料采用Rogers5880，介电常数为2.2，厚度为0.254mm，表1为微带-探针过渡主要参数的初始值。

表1　微带-探针过渡主要参数的初始值

在得到模型的初始值后，在HFSS中仿真，并进行小范围的优化，直至得到满意的仿真结果。优化中可以采用手动方式进行浮动，如果利用软件中的Tune功能，需要较高的硬件配置，而且优化时间较长。

图3(b)是波导合成器内部电磁场仿真分布图，由图可以看出，电磁场在合成器中能够良好传输，也印证了该微波器件的合成功能。下面是具体仿真结果分析：

图3　合成器仿真与电磁场分布图

图4　合成器仿真结果

由图4(a)、(b)、(c)可以看出，在频带内该合成器的插入损耗为0.2dB，端口反射为20dB，可以保证合成信号的幅度要求；图4(d)可以看出，输入端口到输出端口之间的信号相位基本一致，这也保证了合成信号的相位要求。

在以上的仿真分析设计的基础上，采取Triquint 公司TGA2575的芯片进行两路功率合成，输出功率及合成效率如图6所示。

图5　合成器实物图

图6　合成器输出功率及合成效率曲线

4　结束语

采用这种新型波导合成结构，可以使频带内反

射达到20dB，驻波比达到1.25，插损为0.2dB，合成效率可以达到95.2%，尺寸较传统波导合成器减小40%，而且结构简单，易于集成，使微波器件的小型化成为可能，具有良好的应用前景。