一种基于径向波导的K波段宽带功率合成器

杨冬， 尹震峰， 蒋开创

（1.空驻上海航天局军代表室，上海 200090；2.上海无线电设备研究所，上海 200090）

一种基于径向波导的K波段宽带功率合成器

杨冬1， 尹震峰2， 蒋开创2

（1.空驻上海航天局军代表室，上海 200090；2.上海无线电设备研究所，上海 200090）

设计了一种基于径向波导的K波段四路宽带功率合成器。为了加工方便以及提高径向波导功率合成器的功率容量，通过矩形波导将信号馈入径向波导，同时在径向波导底部采用渐变阻抗过渡实现阻抗匹配。仿真结果表明：该结构的径向波导合成器频带宽、合成效率高，且具有功率容量大、散热好、容易加工装配等特点。

径向波导；功率合成器；矩形波导

0 引言

随着微波毫米波技术在雷达、通信等领域的迅速发展，对高效率功率放大器的要求越来越高。目前，在单个固态器件输出功率有限的情况下，普遍采用功率合成技术提高输出功率。功率合成器的损耗直接决定着合成效率，在众多的功率合成器结构形式中，径向波导功率合成器具有损耗低、散热好等优点，已逐渐成为当前功率合成技术研究的方向之一[1-2]。

本文基于径向波导结构设计了一种K波段宽带功率合成器，该结构采用了WR42标准矩形波导将信号馈入径向波导，利用径向波导实现了四合一功率合成器。同时，为了获得更宽的带宽，在径向波导底部采用渐变阻抗过渡实现阻抗匹配。仿真设计结果表明，在K波段范围内，该结构的合成器能够实现端口回波损耗大于20 dB、工作带宽大于23.3%，同时能够实现较高的合成效率和较小的体积，具有微波毫米波宽带大功率合成应用的潜力[3]。

1 原理与结构

1.1 径向波导的场分析

径向波导是一种非均匀传输线，由上下两个圆片组成，设径向波导壁为理想导体，波导内为介电常数ε和磁导率µ的无损理想介质，波导结构如图1所示[4]。图中：Er为波导径向；r为波导半径；Φ为旋转角度且逆时针方向为正方向；b为波导腔体的高度。

图1 径向波导结构示意图

与平行板传输线和同轴波导一样，径向波导中也存在TEM模式，电磁分量为

电场无Er向分量只有z向分量，在半径为r的圆周上电场相同；磁场无Er向分量只有Φ向分量，在半径为r的圆周上磁场大小相等，方向沿圆周相切，故为柱面TEM模式。其电磁场分布具有轴对称性，如图2所示。

图2 径向波导中的TEM电磁场分布

此时对应的特性阻抗为

其中：

当径向波导两板间距为b，其间为空气或真空时，保证单一TEM模式的条件为

1.2 径向波导功率合成器结构与分析

图3所示为宽带低损耗径向波导功率合成器，图4为其端口示意图。根据式（4），同时考虑设计的方便性，径向波导的高度值取为WR42窄边的宽度值，该功率合成器的输出端口采用WR42的矩形波导。由于对称结构具有良好的相位和幅度一致性，所以将波导输出口均匀且紧凑的分布在径向波导的四周。

图3 四路功率合成器模型

图4 1分4功率合成器端口示意图

径向波导功率合成器底部的渐变阻抗变化采用矩形波导的渐变阻抗变换理论进行分析和设计。

对于工作在TE10模的矩形波导，有很多定义等效阻抗的方式，本文采用的阻抗计算式为

式中：a，b为矩形波导宽边和窄边的内部尺寸；λ为波导波长；Z0为等效波导阻抗。

2 仿真与分析

本次设计采用Ansoft HFSS对该结构进行仿真优化。

从图5可以看出该种功率分配/合成结构能够覆盖的频率范围从19.5 GHz～24.6 GHz，其回波损耗大于20 dB。

从图6可以看出该结构具有较好的低插入损耗特性，而且各个输出端口具有较好的幅度一致性，基本在0.2 dB之间波动。同时，由于各输出端口的相位一致性对功率合成的效率非常重要，从图7的相位仿真结果可以看出，各输出端口之间具有较好的相位一致性[5-8]。

图5 S参数仿真结果

图6 插入损耗仿真结果

图7 相位仿真结果

3 结论

本文设计了一种基于径向波导的K波段四合一功率合成器，该结构与传统的径向波导功率合成器相比，克服了输入端口为同轴探针导致的加工装配难度大以及导致损耗偏大、功率容量相对较小的问题。不仅频带宽、低损耗、合成效率高，而且体积小、散热好，端口数可根据需要拓展。在微波毫米波宽带高功率合成网络应用中，具有很大的潜力。

[1] Marek E.Bialkowski，Vesa P.Waris.Electromagnetic Model of a planar Radial-Waveguide Divider/Combiner Incorporating Probes[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech-niques，1993，41（6）.

[2] Ⅹiao-yong Shan，Zhong-xiang Shen.Asuspended-Substrate Ku-band Symmetric Radial Power Combiner[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2011，21（12）.

[3] Lei Zhou，Ⅹiao-qiangⅩie.An Improved Ka-band Four-way Broadband Power Divider[J].ICMMT 2011 Proceedings，2011：126-128.

[4] Kai-jun Song，QueⅩue.Planar Probe Coaxial-Waveguide Power Combiner/Divider[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，2009，57（11）：2761-2767.

[5] Marcyvutz N.Waveguide Handbook[M].New York：Mc Graw-Hill Book Co，Inc，1951.

[6] 陈会林，谢小强.一种基于径向波导的Ka波段宽带功分器设计[J].微波学报，2010.

[7] 陈明勇，窦文斌.Ka波段径向波导功率合成网络[J].电波科学学报，2010，25（4）：745-748.

[8] 宋开军.基于波导的微波毫米波空间功率合成技术研究[D].成都：电子科技大学，2007.

A K-Band Wideband Power Combiner Based on Radial Wave-guide

YANG Dong1， YIN Zhen-feng2， JIANG Kai-chuang2
（1.The Air Force of Military Representative Office in SAST；
2.Shanghai Radio Equipment Research Institute，Shanghai 200090，China）

Present a K-band four channels wideband power combiner based on radial wave-guide.In order to improve power capability and convenience of machining，the input signal is fed to the radial wave-guide by standard rectangle wave-guide，meanwhile the impedance transform is achieved by the gradual change impedance structure.According to the siumlated results，the operation bandwidth and combine efficiency of the proposed structure is being improved，at the same time，the advantages of high combine efficiency，good heat radiation，easy assemble also are shown.

radial wave-guide；power combiner；rectangle wave-guide

TN73

A

1671-0576（2014）03-0051-04

2014-04-25

杨 冬（1978-），男，硕士，工程师，主要从事微波技术研究。