毫米波宽带波导功率合成器设计

崔 焱,田 兵

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

毫米波频段是目前军事电子技术发展的主要频段,广泛应用于导弹精确制导、雷达、保密通信、电子对抗和测试技术等方面。在毫米波电子对抗系统中,毫米波功率放大器的输出功率是电子对抗系统干扰距离的直接决定因素之一。同时为了满足现代电子对抗系统对宽带的要求,功率放大器的带宽要求越宽越好。由于毫米波频段商业的固态MMIC放大器的输出功率比较小,一般只有几瓦,为了获得大功率发射机的功率输出,必须采用功率合成的办法将多个有源放大器并联合成输出。这样,合成放大器的带宽就由以下2个因素决定:放大器的带宽和功率合成器的带宽。因此宽带低损耗功率合成器是实现毫米波宽带大功率合成放大器的关键。

近年来,国内多个科研院所对基于波导结构的功率合成器进行了相应的研究,文献[2]和文献[4]分别对Ka频段波导合路器进行了相应的研究设计,但合路器的相对带宽较窄,只有10%;文献[3]对Ku频段宽带波导合路器进行了研究,设计带宽可以到一个波导带宽,但其采用的匹配形式结构比较复杂,要求比较复杂的加工工艺和装配工艺。

针对某宽带功率合成放大器的高效合成的设计要求,结合国内的加工工艺和工程实际,对经典匹配方式进行了改进,改善了匹配结构的带宽性能,降低了加工难度,改善了装配工艺,提出了适用于Ka频段宽带波导功率合成器。

1 方案设计

1.1 设计目标

针对某宽带功率合成放大器高效合成的设计要求,要求采用合成器对2个功率模块进行合成,合成效率大于85%。由文献[2]可知,合成器的合成效率由插入损耗、幅度相位一致性共同决定。为了获得高效宽带合成,要求功率合成器具有宽带特性、低的插入损耗和良好的幅度相位一致性。根据合成效率的设计要求,提出合路器设计目标如下:

频率:26～40GHz;

相对带宽:39%;

合成路数:两路;

两路输入支路幅度平衡度＜0.3 dB;

两路输入支路相位平衡度＜5°;

插入损耗:＜0.5 dB。

1.2 合路器选择

相对微带而言,波导具有低损耗和高功率容量的特性,因此毫米波功率合成多采用基于波导结构的合成器。目前适用于毫米波频段的波导合路器主要有2种类型:自带隔离端口的四端口波导3 dB电桥和无耗三端口的波导合路器,其中四端口的波导合路器根据实现方式的不同,包括波导环形电桥、波导分支线电桥、波导魔T和波导H面耦合电桥等;无耗三端口波导合路器根据实现形式的不同,可分为波导E-T分支和波导H-T分支两类。

目前国内外采用的波导3 dB电桥多是自带隔离端口的四端口的波导合路器,因为自带隔离端口用于功率合成时,由于支路之间良好的隔离度,用于功率合成可以避免复杂的调试,但是四端口的波导电桥在使用的时候也有以下缺点:①四端口的波导3 dB电桥一般需要外接波导负载或是填充一定的吸波材料,并保证波导负载良好散热,从而增加功率放大器的成本和体积,而且波导负载的散热能力直接决定波导电桥的功率容量;②隔离端口的存在往往会破坏功率合成器结构的对称性,造成功率合成端口出现一定的幅度差和相位差;③隔离端口的存在会给电路布局和机械加工带来相当大的困难,特别时波导魔T,匹配件的加工和调试工作量很大;④四端口波导电桥的使用带宽较窄,一般只有10%。综上所述,在宽带大功率合成中,基于四端口结构的波导电桥的使用的受到较大的限制。

相对四端口结构的波导电桥而言,无耗三端口的3 dB电桥具有以下优点:①加工简单,电路布局设计方便;去掉隔离端口以后,输入端口和输出端口就是一个纯平面结构,电路设计和加工难度大大简化;②功率分配端口具有理想的对称性,具有良好的幅度相位一致性;2个输入端口对输入端口在结构上是一个理想的轴对称关系;③带宽很宽,设计带宽可以到一个标准波导带宽;④设计可以保证性能,不需要复杂的装配工艺,一般不需要调试;⑤功率容量较大。去掉了隔离端口以后,功率合成器的功率容量就不受限于负载的散热能力。

因此,从上面的比较可以看出,相对四端口的波导3dB合路器来说,无耗3 dB波导电桥具有带宽很宽、幅度相位一致性好等优点,因此为了获得宽带低耗的波导功率合成器,根据设计目标,综合采用无耗3 dB波导合成器。然而经典的E-T和H-T结构的匹配形式往往存在带宽窄,加工和装配比较困难等缺点,为了获得宽带匹配,需要对波导H-T分支和E-T分支结构进行分析,采用相应的宽带匹配结构,对经典匹配结构进行改进,改善其带宽性能。

1.3 合成器网络参数分析

无耗3 dB波导电桥理论上是一个无耗三端口网络,在进行设计之前,对无耗三端口网络的S参数进行相应的分析。设理想情况下,网络的S参数为:

由2,3口对称:

而且有网络互易,有

对无耗互易网络:SS*=1,即

假设=0,可以得到无耗三端口网络理想S参数为:

从式(3)可以看出,三端口无耗网络不可能达到完全匹配,2个输入端口之间的理论隔离度只有6 dB,在设计中仅需要对合成端口的输出回波进行优化,就是设计无耗三端口网络S参数在理想情况下需要满足的关系,已此为目标对电路结构进行设计优化,满足设计要求。

1.4 合成器建模

3 dB无耗波导合路器可分为波导E-T分支和波导H-T分支。分别对波导E-T分支和H-T分支结构进行分析和建模。

1.4.1 波导H-T分支

波导H-T分支是在主波导窄边面上的分支,其轴线平行于主波导TE 10模的磁场方向,波导H面T分支相当于并联于主波导的分支线。通常对H-T采用的匹配形式为在波导中加入感性柱,或是加入渐变的圆锥结构,前者的匹配没有考虑H-T结构的容抗。因而带宽相对较窄,相对带宽只有10%,后者的匹配加入可渐变的圆锥,综合考虑了H面T型结的电抗和容抗的影响,带宽较宽,然而这个结构需要采用的匹配形式需要单独加工锥体结构然后和T型波导结构良好配合,锥形结构的加工较为复杂,特别是到了毫米波频段,加工的难度比较大,且锥体和T型结的配合和固定也直接影响匹配的性能。为了简化加工难度,从工程实际出发,采取了化曲为直的办法,把锥形体结构变成一个方台结构,这样整个功率分配结构可以在铣床上一次成型。该两路H-T结构在HFSS中模型的俯视示意图如图1所示。

图1 两路H-T在HFSS中模型俯视示意图

1.4.2 波导E-T分支

波导E-T分支是在主波导宽边面上的分支,其轴线平行于主波导的TE 10模的电场方向,是一种串联分支。E-T分支在通常对E-T结构的匹配在的T型结的位置加入感性的柱来改善其匹配,一般窄带的多采用矩形柱或是圆形柱的,为了实现宽带匹配补偿电抗元件在宽带范围的变化,也可采取缓变圆锥匹配,同样这种圆锥结构和波导腔体无法一体加工成型。在实际加工中,匹配的圆锥体必须单独加工,然后和腔体采用焊接或是螺钉固定,这样一来,必然带来二次装配的误差。因此采用圆锥体的匹配结构对加工和装配的工艺要求较高。特别是到了毫米波频段,波长变短,匹配件的尺寸变小,加工的难度比较大。为了实现匹配良好带宽性能,综合考虑加工工艺,降低加工难度,采用的匹配形式是在T型结的中间位置加入三角锥型的感性柱和波导渐变,三角感性柱的匹配有效的抵消了串联分支带来的电抗分量,而波导渐变则有效的实现了波导实阻抗的宽带匹配,从而展宽了带宽。该两路E-T结构在HFSS中模型的俯视示意图如图2所示。

图2 两路E-T在HFSS中模型俯视示意图

1.5 合成器仿真

采用电磁场仿真软件确定波导E-T和H-T结构中匹配结构的具体参数。电磁场仿真软件选择的是Ansoft HFSS。Ansoft HFSS采用有限元方法,有高的仿真精度和可靠性,快捷的仿真速度,方便易用的操作界面,稳定成熟的自适应网格剖分技术,成为高频结构设计的首选工具和行业标准。有关HFSS的使用参见文献[5]。

两路E-T分支合波导路器输出端口反射系数仿真曲线如图3所示。从图3中可以看出,两路E-T结构在频率范围26～40 GHz内合成端口的反射都小于-24 dB。

图3 E-T分支的仿真曲线和测试曲线

两路H-T分支波导合路器输出端口反射系数仿真曲线如图4所示。从仿真曲线可以看出,两路H-T结构在频率范围26～40 GHz内合成端口的输出反射系数小于-20 dB。

图4 H-T分支的仿真曲线和测试曲线

从图3和图4的仿真曲线可以看出,采用的带宽展宽手段达到了设计效果,设计出的E-T和HT波导合路器的带宽都达到了一个标准波导带宽,相对带宽约为39%。

2 性能测试

实际制作的宽带波导E-T合路器的体积约为80mm×40mm×22 mm,宽带波导H-T合路器体积约为65mm×50 mm×22mm。合路器的输入输出端口均采用BJ 320波导端口,尺寸为7.12mm×3.56 mm。

用Agilent 8722 ES矢量网络分析仪,采用双端口校准方式校准网络分析仪。

对加工出来的波导E-T和波导H-T合路器进行了测试,测试的E-T波导合路器的输出端口的回波见图3所示,单个E-T波导合路器的插入损耗在0.2～0.4 dB之间,两路幅度一致性最大为0.15 dB,相位不一致性在40 GHz最大为 4.5°,均符合指标要求。测试的H-T波导合路器的输出端口的回波如图4所示,插入损耗在0.1～0.25 dB之间,幅度一致性最大为0.18 dB,相位不一致性在38 GHz最大为4.2°,符合指标要求。用于两路功率合成可望获得大于超过85%的高效合成。

3 测试结果分析

从图3和图4的测试曲线可以看出,两路H-T背靠背连接时合路输出端口的反射在26～40 GHz都小于-17 dB,两路E-T背靠背连接时合路输出端口的反射在频率范围26～40GHz都小于-20 dB,H-T结构的波导合路器和E-T结构的波导合路器的输出端口的回波的测试值和仿真曲线的走势吻合得很好。但和仿真值存在一定的差别,插入损耗也比理论值略大,这主要是由于仿真的时候采用得理想波导模型,未记入波导本身的欧姆损耗和波导内壁的粗糙度带来的损耗。

4 结束语

对毫米波频段的宽带功率合成器进行了结构建模和仿真设计,具有低插入损耗和幅度相位高度一致等优点,虽然只是具体设计了Ka频段两路的功率合成器,只要做适当扩展,就可以用来设计其他频率范围和多路合成的功率合成器,在毫米波大功率合成系统中具有广泛的应用前景,也可应用到其他相关领域。

[1]张肇仪.微波工程[M].北京:电子工业出版社,2006.

[2]赵晨曦.空间功率合成技术研究[C].成都:电子科技大学硕士论文,2007:33-37.

[3]党 章.Ku频段高效大功率合成放大器设计[C].成都:电子科技大学硕士论文,2008:57-58.

[4]刘 晓.毫米波功率合成技术研究[C].成都:电子科技大学硕士论文,2009:18-29.

[5]谢拥军,王 鹏.Ansoft HFSS基础及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.