一种基于波导H面的Ka波段宽带功率合成网络

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                1  引言

                         毫米波矩形波导电桥在毫米波雷达和通信系统的功分器中扮演了相当重要的角色。在毫米波段，矩形波导耦合器可以弥补Wilkinson等微带型功分器损耗过大、隔离度太小的缺陷，是毫米波功分器中不可缺少的重要部件。基于矩形波导的功率分配/合成网络由于本身低损耗、应用频率高的特点成为研究人员的研究重点。在毫米波段，对于二进制功率分配波导单元结构多采用3-dB 波导E-面分支结构，该波导分支结构具有低损耗、高隔离度及结构紧凑等特点，但是由于受到机械加工的影响，波导分支数有一定的限制，这样会导致在毫米波段波导分支结构的带宽受到严格的限制。
                          
                         在功率合成技术中，采用宽频带特性的功率合成网络，可以大幅度提高系统的输出功率。Louis W. Hendrick等学者提出了一种窄臂短槽的宽带电桥，这种宽带耦合是由于在耦合的一个公共区域内TE30模逐渐消失的作用，这样会导致奇偶模电路电长度的改变，从而实现宽带特性。运用这种结构，实现了紧凑的结构和宽带特性。
                          
                         本文基于该学者的理论提出了一种基于波导H-面的Ka波段宽频带功率合成网络，该功分网络可以实现近7.5GHz的带宽，在29.5-37GHz范围内，两端口的幅度差小于0.4dB，回波损耗小于-19.5dB。
                          
                        2  基于波导H-面的Ka波段宽频带功率合成网络理论分析

                         本文所提出结构是通过H面阶梯不连续性多模等效电路模型分析而得。图1所示的例子是一个H面两级阶梯的定向耦合器，由于该电路结构仅在H面这个面上变化，所以由于TE10模的激励，磁场的方向与H面平行。此外，电路有两个可以折叠的对称面：AA和BB，所以可以把四个端口看成四个一样的端口进行分析，该端口的划分依据是根据平面的奇偶模激励用电场和磁场边界沿着两个对称面进行划分（如图所示2）。在这种情况下，散射矩阵单元散射矩阵单元可以通过四端口的反射系数： 推导得出：
                        
                        
                        
                        
                         下标e和o分别代表对称面的奇模和偶模，与此对应的第一个下标对应的是AA面和BB面。
                          
       

               

       

                图1  两级阶梯型定向耦合器

                          
                         接下来考虑的是如图2所示的四分之一的一个端口的电路，这个结构是由一个两级阶梯结构成，这个阶梯结由三个波导的电场窄臂或磁场窄臂构成。三个多模式导引级联会产生阶梯的不连续性。所以由此可以推导出如图3所示的多模等效电路模型，每个导引在阶梯不连续性的等效模式电压和电流互相耦合如下式：
                          
       

               

       

                图2  四分之一端口剖面图

       

               

       

                图3  多模等效电路模型

                          
                        
       

               

                          
                        
                         下标 分别代表每个波导H面的模数， 代表相连波导的模型耦合系数，它是由分界面模式匹配决定。如果假定输入波导端逐渐消失的高次模端接他们的特性阻抗，输出波导端的传播和非传播模式端接从短路或者开路电路终端看去的输出阻抗，那么就可以推导出每个激励下的反射系数，从而得出整个电路的散射矩阵 。
                 
                        3  基于波导H-面的Ka波段宽频带功率合成网络设计及仿真

                         通过对基于波导H-面阶梯型定向耦合起的理论分析，根据其理论设计了基于波导H面的一级阶梯定向耦合器。本文设计该矩形波导电桥的方法是主要利用HFSS三维电磁场仿真软件进行设计。通过建立模型，设置边界，进行参数扫描和优化，数据处理，绘制仿真图形，得到最终结构尺寸。这种方法的核心主要是参数扫描和优化，需要花费大量时间和精力。但是由于方法比较简便，利用计算机软件完成大量计算，尤其对于毫米波段波导结构器件的设计相当有用。利用HFSS仿真结构如图4如下：
                          
       

               

       

                图4  基于波导H面一级阶梯定向耦合器

       

               

       

                图5  合成网络的功分幅度

                          
                         仿真结果如图5和6所示，在29GHz-37GHz宽频带的范围内，功分网络的四路幅度不平衡度小于0.5dB，相位也取得了很好的一致性，并且输入端的回波损耗小于-17dB。通过仿真结果可以看出，其虽然达到了所需的宽频带特性的要求，但是在整个频带内，幅度不平衡度及回波损耗的效果不是很好。
                          
       

               

       

                图6  合成网络的回波损耗及隔离度

       

                 

                         本文基于一级阶梯设计的方法和理论又提出了二级阶梯定向耦合器，与一级阶梯耦合器区别是在公共耦合器的区域内，一级阶梯变成了二级阶梯，通过这样的变化，实现耦合区域范围内的阻抗渐变，从而可以实现较低的回波损耗，幅度的不平衡度也有所改善。利用HFSS仿真如图7所示：
                          
       

               

       

                图7  基于波导H面二级阶梯定向耦合器

       

               

       

                图8  合成网络的功分幅度

                          
                         仿真结果如图8和9所示，在29.5GHz-37GHz的范围内，功分网络的四路幅度不平衡度小于0.4dB，相位也取得了很好的一致性，并且输入端的回波损耗小于-19.5dB。
                          
       

               

       

                图9  合成网络回波损耗及隔离度

                          
                         通过以上两种结构的仿真结构对比，二级阶梯耦合在功分幅度不平衡度、输入端回波损耗及隔离度等性能方面，都比一级阶梯结构有了较明显的改善。
                          
                        4  结论

                         本文在Louis W. Hendrick等学者的基础上，提出了一种基于波导H-面的Ka波段宽频带功率合成网络。该合成网络是基于H面阶梯不连续性多模等效电路模型提出的，通过对阶梯定向耦合器的设计分析，基于波导H-面的阶梯型定向耦合器具有宽频带特性，并且随着级数的增加其性能具有明显的改善。从仿真结果来看，该结构具有宽频带、低回波损耗、较高的隔离度等特性，这些都是获得高效率合成的必备条件之一。