一种新型W 波段宽带波导功率合成器

李 磊 李 兵 邱林茂

(1.西安交通大学 西安 710048;2.西安电子工程研究所 西安 710100)

1 概述

随着科技的发展，雷达系统对发射机要求越来越高，工作频率从L 波段已经上升到W 波段，工作带宽也从当初的几百兆赫兹拓宽到数千兆赫兹。然而W 波段内的功率放大器输出功率较小，无法满足系统设计的指标，因而必须进行功率合成，才能达到设计要求。

由于介质损耗随频率的增高越来越大，而且对机械加工精度的要求越来越高，因此在W 波段，采用传统微带的介质损耗和加工精度已无法满足发射机功率合成的需要，必须采用波导结构设计才能保证发射机的合成效率。虽然波导定向耦合器也能满足功率合成的要求，但是其外形尺寸偏大［1-2］，限制了其在某些发射机中的应用。

在总结前人的设计基础上，提出了一种新型的W 波段宽带波导功率合成器的设计方法，为W 波段宽带功率放大模块、波导天线设计提供了新的设计思路。

2 波导T 型功率合成器的理论分析

根据简正模理论，对于标准矩形波导，当工作频率满足条件a ＜λ ＜2a，只存在单一的TE10 模传输(矩形波导的主模)。本文所采用的W 波段波导，其a、b 分别为2.54mm、1.27mm，其工作频率为75～110GHz，刚好满足单一主模传输的条件，因而不存在TM 模及高次模。TE(横电)模，其传播常数为

对于TE10 模来说，m=1，n=0，β 只与宽边a的尺寸相关。

横电场的波阻抗为

可以看出波阻抗与波导窄边b 无关，只与宽边a 有关。

由于合成与分配为一对互逆的过程，因此可将合成按照分配的方式做出如下分析:当沿窄边对矩形波导进行剖分，其能量分割方式主要是对波导主模的电场的分割，如图1(a)所示，而且根据仿真结果验证，在功率过程中高次模并未成为主导模式，这从图1(b)中可以看出。因而其设计原则可看作为:是如何实现对波导电场“平滑”的分割。通常的做法如图1 所示，先将波导利用尖角功分为两路，其高度为公共口(标准波导)高度的一半，然后再逐渐过渡为标准波导尺寸［3，4］，这样可以大大减少由于尺寸变化带来的不连续性影响，降低端口驻波和插入损耗。

图1 功率合成器电场示意图

3 宽带波导功率合成器的设计与测试

本文中设计的功率合成器频段为90～100GHz，其标准矩形波导尺寸为2.54mm ×1.27mm。若采用通常压缩窄边的结构方式，那分割开的两波导窄边尺寸将变为0.635mm，这不仅对机械加工的精度要求更高，而且如此小的空气间隙更容易被电场击穿，这对于发射机的功率合成不利;加之通常结构内部还需要一个过渡所需的尖角，极易在铣削加工中被刀具挤压偏向一边，出现“偏分割”的情况，这一点在X，Ku、Ka 频段内，波长远大于偏移量时，对整个器件性能产生的影响并不明显，但是在90～100GHz 的范围内，它变得不可忽视，已严重影响两端口的幅度一致性。

图2 波导W 波段波导E-T 结构示意图

通过经验总结和理论分析［5，6］提出了新的设计方法:先将公共波导口窄边b 缓慢增大，当超过2 ×b 的尺寸后，然后再加入三角形劈尖，直接过渡为两个窄边为b 的标准矩形波导，过渡部分采用直线渐变形式，既可降低了尺寸变化引起的不连续性，也易于机械加工;再通过将内部尖角的顶部削平(如图2中的c 尺寸)，可完全避免“偏分割”情况的出现。这种结构形式既不违反简正模理论，也能保证波导功率合成器具有良好的电气性能，还能降低加工难度，提高成品率。其三维模型图如图2 所示，通过三维电磁仿真软件HFSS 的计算与优化，得到了表1中给出了的物理尺寸。从图4 的对比图中可以看到其仿真结果。

表1 E-T 波导结构尺寸(单位:mm)

图3 为实际加工的功率合成器与1 角钱硬币的实物对比图。从图中可看出，两分配口间的距离偏大(40mm)，这是受限于波导法兰尺寸与螺钉孔的排布，为了便于加工与测试才拉大了两口间距。实际集成使用中可根据需求调整尺寸，最小可缩小到8mm 以内。可以看出这种结构功率合成器的尺寸是非常小的，非常适合小体积的功率分配与合成。

图3 W 波段波导功率合成器实物图

图4 将仿真结果和测试结果分别进行了插入损耗和回波损耗的对比。在90～100GHz 频率范围内，仿真优化出的插入损耗均大于-3.1dB，公共口回波损耗小于-15dB。而实际测试的插入损耗则大于-3.15～-3.9dB，较仿真结果大出0.8～0.1dB，公共口的回波损耗小于-12dB，较仿真结果高出约3dB。但是可以看出，测试结果与仿真结果曲线的变化趋势类似，均为低频率点插入损耗大于高频率点，且频带内曲线交叉;回波损耗高频率点低于低频率点，中间部分最优。

图4 仿真结果与测试结果对比图

而后经过显微镜测量，发现加工出的f 尺寸比设计的大出0.3mm，经仿真验证，这会抬高回波损耗，进而使插入损耗少量增大;再考虑到高频率下的导体损耗也比低频率范围的大，因此认为此测试结果满足设计要求。

4 结束语

文章介绍了一种新型的W 波段宽带波导功率合成器的设计原理和设计方法，实现了在W 波段进行宽带、低损耗功率分配/合成的功能，通过HFSS软件进行了三维电磁仿真计算，得出了功率合成器的物理模型，根据仿真尺寸进行了实物加工并进行了相关测试。测试结果表明:文中提出的W 波段宽带波导功率合成器具有宽工作带宽、低插入损耗，高合成/分配效率等优点，同时验证了理论分析和仿真计算的正确性，为W 波段的功率放大模块、波导天线设计提供了新的设计思路和方法。

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［2］崔焱，田兵，毫米波宽带波导功率合成器设计［J］.无线电工程，2011，(6) ：54-56.

［3］Lie Cai，Yunsheng Luo，Liqun Wu，A design of multiport waveguide power combiner［C］.Solid-State and Integrated-Circuit Technology，2008.1396-1399.

［4］王贵德，吴小帅，祁云飞.毫米波固态功率放大器的高效合成器［J］.半导体技术，2012，(8) ：643-644.

［5］Lin Li，Ke Wu，Integrated Planar Spatial Power Combiner［J］.Microwave Theory and Techniques，2006，(4) ：1472-1474.

［6］Asim A.Khan，R.Sloan，X-band substrate integrated waveguide power combiner/divider［C］.Microwaves，Radar and Wireless Communications，2008.1-4.