基于波导的Ku频段八路宽带功分器设计

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                1  引言

                        微波通信系统的发展对发射机输出功率和带宽的要求越来越高，微波单片集成电路（MMIC）的输出功率有限，电真空器件虽然能够提供大的输出功率，但有体积大、供电电压高、稳定性差、寿命不长等缺点，为了获得更大功率输出，往往需要采用功率合成技术。
                         
                        矩形金属波导相对微带结构具有功率容量高和低损耗的特性，将其用于功率分配/合成网络能够有效地提高功率合成效率；常用的波导功分/合成结构有T分支、Y分支、波导定向耦合器、波导分支线耦合器及魔T等，其中波导T分支结构简单、尺寸小、应用灵活，但传统的波导T分支匹配方式无法实现宽带，若想覆盖整个波导波段需采用一些特殊的匹配方式。
                         
                        目前，大多数固态器件（MIC,MMIC）都基于平面电路应用，其中最广泛的为微带结构，采用波导—微带过渡可以有效地将平面电路与波导系统相连。其中，波导—微带探针过渡具有结构紧凑、容差好等特点，特别是在采用多探针结构时，能够在实现波导—微带转换的同时完成功分，具有合成效率高、体积小的优点。
                         
                        基于以上考虑，本文提出了一种采用波导E-T分支宽带功分器与波导—微带四探针过渡相结合的功率合成方案，实测结果表明，功率合成网络可覆盖整个Ku频段。
                         
                        2  E-T分支波导功分器

                        2.1 理论分析

                        波导E面分支是在主波导宽边面上的分支，其轴线平行于主波导模的电场方向，是一种串联分支，结构如图2-1所示，E-T分支具有如下特性：
                        当信号由端口1输入时，端口2和3都有输出且反相;
                        当信号由端口2输入时，端口1和3都有输出；
                        当信号由端口3输入时，端口1和2都有输出；
                        当信号由端口2和3同相输入时，端口1的对称面上可得到电场驻波波腹，端口1输出最小；当信号由端口2和3反相输入时，端口1的对称面上可得电场波节，端口1输出最大。由于E-T支是由波导的宽边分支出来的，主波导宽边上的壁面电流与分支臂上宽边壁面电流是连续的。因此，如果传输TE10波的主波导用双线代替，则分支臂就等效为一个串联双线，可用一电抗表示，其简化等效电路图2-2所示：
                         
                         
       

               

       

                图2-1  E-T分支

       

               

       

                图2-2  E-T分支的简化等效电路

                 
                        如果考虑到接头处高次模的影响，则等效电路如图2-3所示。
                         
       

               

       

                图2-3  等效电路图

                         
                        2.2  宽带波导E-T分支结构

                        传统的波导T分支匹配方式无法实现宽带，这里将主波导的高度减半，在接头处加入电容性台阶抵消等效电路2-2中的电抗，从而实现宽带匹配，仿真模型和结果如图2-4、2-5所示。
                         
                         
       

               

       

                图2-4  宽带E-T分支结构图

       

               

       

                图2-5  宽带E-T分支仿真结果

                         
                        仿真结果表明，输入口回波在整个Ku频段内小于-28dB，输出幅度一致。
                 
                        3  网络设计

                        3.1  微带—波导E面四探针过渡

                        微带—波导过渡在进行传输线转换的同时完成功分，为了增加功分的路数，在常见的波导双探针基础上增加两个探针，四根探针头顶头，面对面放置，沿波导轴线方向对称，探针中心距离波导短路面约1/4波导波长，如图3-1所示。
                         
       

               

       

                图3-1  微带—波导E面四探针过渡

       

               

       

                图3-2  微带探针结构示意图

                         
                        由于波导的高度减半，若按传统探针结构设计则两顶头探针的间距d太小导致加工困难，稳定性差。这里将插入波导部分的探针向两边弯折，通过优化可使d的值满足结构要求，其结构如图3-2所示。
                         
                        3.2  波导E-T分支八路功分/合成网络设计

                        将图2-4的宽带波导E-T分支与3.1中的E面四探针相结合，即可完成八路波导功分，仿真模型和结果如图3-3、3-4所示。
                         
       

               

       

                图3-3  波导八路功分器模型

       

               

       

                图3-4  八路功分器仿真结果

                         
                        背靠背实物照片及测试结果如图3-5、3-6所示
                         
       

               

       

                图3-5  实物照片

       

               

       

                图3-6  背靠背实测结果

       

                 

                        测试结果表明，在整个Ku频段内输口回波损耗小于-10dB，单边插损小于0.8dB，按照 计算，合成效率大于83%。
                         
                        4  结论

                        本文研制了一种可覆盖整个Ku频段（12-18GHz）的8路宽带功率合成网络，其在整个Ku频段输入口回波损耗小于-10dB，合成效率大于83%,对多路功率合成网络的设计具有一定的参考价值。