一种新型四路毫米波空间功率合成技术

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                1  引言

                         大功率毫米波源是毫米波雷达、通讯、干扰机、精确武器制导系统中发射前端的核心部件。固态器件以直流电压低、可靠性高、抗冲击性能强、电路结构紧凑、尺寸小、重量轻而倍受重视。然而随着频率升高，单个固态器件的功率输出就会迅速减少，难于满足实际应用要求。通过组合多个相干工作固态器件或叠加多个分离器件输出功率的功率合成方法是提高毫米波系统输出功率的有效方法,得到非常广泛的应用。
                         本文提出了基于波导的四路空间功率合成网络，这种结构可以很好的保证功率等幅同相四等分。同时，以波导作为输入和输出，可以减少在输出高功率能量时的损耗。利用三维电磁仿真软件HFSS进行仿真结果显示，在31GHz-38GHz的范围内，功分网络的四路幅度不平衡度小于0.05dB，相位也取得了很好的一致性，并且输入端的回波损耗小于-20dB。整个合成网络的输入和输出端的回波损耗也小于-12dB，插入损耗小于0.6dB。
                          
                        2  功率分配器设计

                         基于波导的四路功率分配器的基本结构如图1所示，由于T型结功率分配网络本身是不匹配的，需要在分支接头处放入适当的匹配元件来调节各端口的匹配情况。本文在分支接头处增加了一个起匹配作用的不连续性结构，改变该结构可以调节该功率分配网络的中心频率和带宽。由于功率分配器是对称的，4个输出端口的幅度和相位均一致。
                          
       

               

       

                图1  四路功率分配结构

       
                         功率分配器通过HFSS仿真的结果如图2所示：
                          
       

               

       

                (a) 幅度

       

               

       

                (b) 相位

       

                图2  功率分配器的仿真结果

                          
                         从图2中可看出，四路功率分配器可以在宽频带内实现功率分配，且输入端口回波损耗小于-15dB。同时，由于功分网络的对称性，其相位一致性很好。
                 
                        3  功率合成网络设计

                         探针式波导-微带过渡是毫米波平面集成电路中应用最为广泛的一种过渡结构，根据微带电路平面与波导中波传播方向的关系不同可分为两种结构形式，一种是微带电路平面与波导中波的传播方向垂直，如图3所示；另外一种是微带电路平面与波导中波的传播方向平行，如图4所示。
                          
                         本文采用图4所示的微带平面与波传播方向平行的结构实现Ka波段波导-微带的过渡。在这种结构利用一段起耦合作用的微带探针把波导中的电磁场耦合到微带中，并经过一段高阻抗线过渡到50Ω微带线。采用适当的耦合尺寸以减小微带电路对波导内部电场的影响。
                          
       

               

       

                图3 微带平面与波传播方向垂直

       

               

       

                图4  微带平面与波传播方向平行

       

                四路功率合成网络的模型如图5所示：

       

               

       

                图5  四路功率合成网络的模型

                          
                         首先，四路等功率分配网络把波导能量等分到四路减高波导，然后通过波导-微带探针过渡，经四路功率合成网络实现功率合成。仿真结果如图6所示：
                          
                         图6中可看出，在31GHz-38GHz的频率范围内，合成网络背靠背仿真的输入和输出端口回波损耗小于-12dB，插入损耗小于0.6dB。
                          
       

               

       

                图6  功率合成器仿真结果

                          
                        4  结论

                         本文提出了一种适用于毫米波频段的基于波导的四路空间功率分配/合成网络。该网络利用矩形波导作为输入和输出端口，通过一分四功率分配结构进行功率分配/合成。经HFSS软件仿真和优化，该结构呈现出极低的插入损耗和回波损耗，是一种具有实用价值的功率合成结构。