一款X波段功率合成器的设计与仿真

2022-04-27郭垚

火控雷达技术 2022年1期

郭垚

(西安电子工程研究所西安 710100)

0 引言

在传统雷达系统中，原X波段雷达电真空发射机存在寿命短，可靠性差，开机灯丝预热时间长等现象，造成现有X波段雷达无法稳定使用。固态发射机因其高稳定性、高可靠性、高效率等等优点成为电真空发射机的替代产品。由于高频段固态功率放大器输出功率较小，因此需要功率合成。在此基础上，本文设计了一款八路带状线功率合成器，中心频带为X波段(10～11GHz)，功率容量较大，兼具小型化和模块化的特点。

1 10～11GHz八路功率合成器设计与仿真

1.1 传输线选择

一般来说，传统传输线如带状线、同轴线、矩形波导或者微带等等如果要传输大功率，例如同轴线、波导其尺寸通常较大，微带线的功率容量由于结构的限制一般较小，因此综合考虑功率容量、物理尺寸、加工难度及与其他器件集成的能力等等，选用带状线作为功率传输线。

带状线是由上下两块接地板和位于两接地板中心对称面上的中心导带组成，图1中、分别表示导带的宽度和厚度，表示两接地板之间的距离。计算导带厚度不为0时带状线的特性阻抗是比较困难的，目前大多采用柯恩(Cohn)利用部分电容概念导出的公式进行近似计算。

图1 带状线结构

在宽导带(-)>035的情况下，应用部分电容的概念，得到带状线的特性阻抗的计算方式

(1)

当带状线的上下接地板间距、导带厚度和宽度确定后，为减少带状线在横截面方向的能量泄漏，上下接地板的宽度取3倍导带宽度。对于空气介质的带状线，其内部导带的支撑物一般以聚四氟乙烯居多，支撑方式较为多样。相比于微带线，带状线有着更低的插入损耗和更大的功率容量，由于涉及大功率传输，在保证小型化和大功率容量的基础上，选用带状线作为功率传输线是更为合适的选择。带状线的功率容量可用于判断是否可承受大功率传输。经倒圆角的空气带状线的最大峰值击穿功率可表示为

(2)

其中为最大峰值击穿功率，单位为kW；为大气压力，单位是atm；为上下接地板之间的距离，单位为cm。本文中的带状线未倒圆角，其功率容量会略微下降。经过计算，理论上该形式带状线的最大峰值击穿功率可以达到40kW。带状线传输的功率除了受击穿场强(与峰值功率对应)影响，还有介质的导热率有一定关系。若带状线填充介质为固体介质而非空气，其瞬时峰值击穿功率与空气瞬时峰值击穿功率的关系为

(3)

1.2 合成方式设计

传统功率合成器的合成形式有Wilkinson式、耦合环电桥式、3dB分支电桥式和T形结合成形式等等，Wilkinson式输入两臂之间的隔离度较好，但由于隔离电阻跨接在两输出臂上，承受功率有限，不适合大功率传输；耦合环电桥式结构较于复杂不利于导带的加工；为了方便加工，采用T形结合成方式。T形结构是一个简单的三端口网络，可用任意类型的传输线制作，实现任意功率分配比。

1.3 阻抗变换

对于一个T形结功率合成器，保持两端口输入阻抗为50Ω，合成部分阻抗约为25Ω，再经过25Ω至50Ω的阻抗变换，实现输出阻抗同样为50Ω。由于单节四分之一波长阻抗变换器带宽较窄，为展宽带宽须采用多节阻抗变换器，如图2所示。

图2 采用多节阻抗变换器的功率合成器

T形结过渡部分的尺寸约为211×116mm，由于三级功率合成，整体尺寸还是偏大。为了缩小尺寸，在T形结输出端阻抗匹配段采用渐进式阻抗变换来实现阻抗匹配。对于渐进传输线，它是由一系列长度为的增量节组成，根据小反射理论，=0处的总反射系数可由所有带有适当相移的局部反射之和得出

(4)

(5)

图3为采用渐进式阻抗变换的T形结功率合成器模型图，过渡尺寸约为295×16mm，圆圈部分是聚四氟乙烯支撑柱，通过在导带上打孔保证导带处于腔体中央。

图3 渐进式阻抗匹配

图4是经过优化的阻抗变换过渡段模型，将带状线的空气介质换为聚四氟乙烯介质，把导带夹在介质中心位置。把空气介质换为聚四氟乙烯可以增大带状线的功率容量，便于加工。图5中过渡部分尺寸约为11.4×8.8mm，相比于多节四分之一波长阻抗变换器减小59%。

图4 经优化的渐进式阻抗匹配

图5是采取新型渐进式T形结的八路功率合成器模型，8路输入端口相距40mm，整体纵向63mm，横向283.2mm，采用三级功率合成，每一级过渡部分尺寸经过整体优化略有差异，总体满足设计要求。在此基础上，输入输出部分按照选定BMA型、N型接头的尺寸进行仿真。

图5 渐进式T形结八路功率合成模型

1.4 软件仿真

HFSS软件仿真时，以模型S参数为主要目标进行优化仿真，主要做法是把需要优化的参数作为变量，设置优化目标和变量变化范围，反复优化得到下面结果。图6中，在9.5～11.5GHz，输出端口驻波小于1.3；在中心频率10～11GHz，输出端口驻波小于1.1；图7中各个合成路径传输损耗保持在0.3dB以内。

图6 输出端口驻波

图7 插入损耗

2 测试结果

导带是在铜箔上线切割出具体形状，由于尺寸对测试结果影响较大，需要通过公差控制来保证精度，聚四氟乙烯介质同样是通过线切割成大小相同的两块，接地层是在铝块上经过洗削洗出大小相同的两块，外壳拐角进行倒圆角处理。各个端口与连接器进行点焊，再用砂纸磨平焊点。整个合成器尺寸约为306×85.5×16.5mm。最后使用矢量网络分析仪测试S参数和驻波。考虑测试过程中的误差，在中心频率(10～11GHz)，输出端口驻波保持在1.3以内，各合成路径的传输插损保持在0.5dB左右(图8、图9)。由于测试条件限制，测量合成效率时采取的方式是从输出端口输入1kW功率，然后依次测量8个输入端口的输出功率(其他输入端口接匹配负载)。图10测量了从输出端到各个输入端的相位差，根据文献[12]，在两路功率合成时，当相位差15°、幅度差1dB，合成效率约为98%，这对本文有一定参考意义。经过计算，工作频带内最低功率合成效率为86.32%，最高合成效率为95.55%，全频段合成平均功率合成效率可达92.10%，满足合成预期。