一种基于波导-微带转换的X波段功率分配/合成网络设计

臧 恒，徐小帆， 裴 政，夏 熙

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所, 南京 211153)

0 引 言

随着无线电通信和雷达技术的发展，为满足更远的通信距离、更高的通信质量的要求，需要开发出适用于高频段、大功率、高效率的射频系统。目前，在单个固态功率放大器芯片输出功率有限的情况下普遍采用功率合成技术来提高射频系统的输出功率。[1]

在众多的功率分配/合成方案中，因为波导分配/合成网络具有功率容量大、合成损耗小、散热性能好等优点，广泛应用于微波高功率合成系统中[2-3]。现阶段，由于固态功率器件常用微带线为传输线，因此需要波导-微带转换，实现信号在波导和微带线之间的模式转换[4-5]。本文基于波导-微带转换理论设计了一种基于BJ100标准波导的功率分配/合成网络，是针对具体的工程应用需求提出的一种高可靠性、低损耗功率分配/合成方案。

1 设计方案

本文设计的基于波导-微带转换的波导功率分配/合成网络原理图如图1所示。设计分为两个部分：四路波导功分/合成器设计和波导-微带转换设计。

图1 基于波导-微带转换的功率分配/合成网络

四路波导功分/合成器有两级构成，第1级为1个一分二的波导功分/合成器，第2级有2个一分二波导功分/合成器构成，分别连接在第1级的两个分支端口处。为达到良好的阻抗匹配状态，对每个一分二的波导功分/合成器进行了阻抗过渡优化，并在直角拐角处进行倒角处理。波导-微带转换采用探针耦合转换的形式，分别连接在第2级波导功分/合成器的分支波导上，有效实现了信号在微带与波导之间的模式转换。

2 理论分析和仿真结果

2.1 波导-微带转换探针设计

目前，常用的微带-波导过渡方式主要有脊波导过渡、鳍线过渡、绝缘子探针过渡、微带探针过渡等几种形式[6-8]，其中微带探针形式的过渡具有回波损耗小、结构紧凑、易加工装配、插入损耗较低的优点，是目前应用较为广泛的波导-微带转换方式之一。

波导-微带探针的功能是实现信号在波导和微带间传输方式的转换，其原理图如图2所示。微带探针插入腔体内部，由电磁理论可知：波导中任意一个沿着微带线方向具有非零电场分量的波导模会在探针表面激励起电流。根据互易定理，微带探针中传输的准TEM模信号向波导入射时在波导内部会激励起相应的波导模。为了使得探针和波导中的基模TE10电场耦合强度最大，微带探针应该从波导腔体的宽面插入，放置在TE10电场强度最大的地方。

图2 波导-微带转换探针结构

矩形波导在TE10模式下微带探针的输入阻抗表达式为[9]

Zin=Rin+jXin

(1)

式中

(2)

(3)

由公式(2)、(3)可知，微带探针的特性阻抗和微带探针到短路面的距离L、微带探针插入波导腔的深度d有关。通过调节L和d的大小，使插入探针的电阻Rin和微带线的特征阻抗相等，调节输入探针的电抗Xin以抵消各高次模引入的电抗，从而使得入射功率尽可能地耦合到波导内。

在三维电磁仿真软件中建立仿真模型如图3所示。本文微带探针的设计采用厚度为0.508 mm的Rogers RT/Duroid 5880基板，其介电常数为2.2，金属厚度为0.018 mm，波导选用BJ100(22.86 mm×10.16 mm)标准波导。通过调整微带线插入波导内的宽度、长度和微带线距离短路面的距离，使得输入阻抗在工作频带内的变化尽可能平稳，从而保证波导-微带探针在工作频带内的良好性能。对各个参数进行仿真优化后，波导-微带转换探针的回波损耗和插入损耗的仿真结果如图4所示。

图3 波导-微带转换探针仿真模型

由仿真结果可看出，在仿真频段内，该波导-微带转换探针的回波损耗大于24 dB，插入损耗小于0.06 dB。

2.2 波导功分/合成器设计

本文设计的波导功分/合成器工作在X频段，选用标准BJ100型波导为主传输线，波导横截面尺寸为22.86 mm×10.16 mm，相应主模的截止频率为12.4 GHz。

图4 波导-微带转换探针仿真结果

四路波导功分/合成器由两级一分二波导功分/合成器级联实现。一分二波导功分/合成器的仿真模型如图5所示。该结构为E-T型波导功分器，结构上是主波导串联分支波导[10-11]。在主波导和分支波导连接位置设计有改善驻波和降低传输损耗的倒角槽，在主波导和分支波导连接位置两侧设计有改善驻波和匹配过渡的切角。在三维电磁仿真软件中建立仿真模型，通过对T型结处倒角的尺寸、主波导拐角处倒角尺寸仿真优化，可得到各个倒角的尺寸。一分二波导功分/合成器的仿真结果如图6所示。

图5 一分二波导功分/合成器仿真模型

图6 一分二波导功分/合成器仿真结果

2.3 波导功分/合成器和微带探针级联设计

在波导功分/合成器和波导-微带转换探针分别设计完成的基础上把波导功分/合成器模型和波导-微带转换探针模型相级联。四路波导功分/合成器作为功率分配/合成网络的第1级，波导功分/合成器的每个输出端口和波导-微带转换探针级联，从而形成四路功率分配/合成网络，在三维电磁仿真软件中建立仿真模型如图7所示。

图7 功率分配/合成网络仿真模型

对模型参数进行仿真优化，仿真结果如图8所示。在仿真频率范围内，功率分配网络的输入端口回波损耗大于19 dB，4个输出端口的幅度一致性优于±0.1 dB，相位一致性优于±0.7°，满足设计指标要求。

图8 功率分配/合成网络仿真结果

3 实物及测试结果

基于仿真优化的尺寸，加工波导功分/合成器和波导-微带转换探针，装配完成后如图9所示。

图9 功率分配/合成网络实物图

对装配完成的功率分配/合成网络进行测试，测试使用Agilent公司的N5242A矢量网络分析仪，校准件选用Agilent公司的85052D 3.5 mm校准件。

实测结果如图10所示。在f0±0.55 GHz的频段内，该功率分配/合成网络的插入损耗小于0.5 dB，回波损耗小于-15 dB，四路输出端口的幅度一致性优于±0.35 dB，相位一致性优于±3.5°，与仿真结果基本一致。

该波导功率合成/分配网络成功应用于某雷达末级功放组件，峰值功率承受能力大于1 200 W，组件通过三温实验，无故障现象产生，设计完全满足工程应用。

图10 功率分配/合成网络实试结果

4 结束语

本文提出了一种基于波导-微带转换的X波段功率分配/合成网络。文中对功率分配/合成网络的组成进行了分析设计，并用HFSS软件进行建模仿真，根据仿真优化尺寸进行机械加工，对实物性能指标进行测试。从仿真和测试结果可以看出，功率分配/合成网络在插入损耗、幅度相位一致性、回波损耗上表现了良好的性能。该设计已成功应用于某雷达末级功放组件上，使用效果良好，具有重要的工程应用价值。