一种矩形波导空间功率合成器的设计

安士全，张洪川，张　瑞(.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥30088; .扬州蓝剑电子系统工程有限公司，江苏扬州5000)



一种矩形波导空间功率合成器的设计

安士全1，张洪川2，张瑞1
(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥230088; 2.扬州蓝剑电子系统工程有限公司，江苏扬州225000)

摘要:介绍了矩形波导空间功率合成技术的工作原理，利用小反射理论和谱域法原理，结合微波仿真软件，对渐变鳍线过渡电路进行了优化设计，使工作频率带宽和合成效率得到了有效提高。在X波段实现了双对极鳍线的空间功率合成系统，在相对带宽大于25%的宽带范围内得到的合成效率大于70%，输出功率大于25 W。

关键词:矩形波导;空间功率合成;渐变鳍线;单片微波集成电路

0　引言

微波固态功率源是雷达、通信、制导、电子对抗、射电天文等电子设备的重要元件，因此微波功率源的研究一直受到微波设计人员的重视。然而，受固态器件其自身物理特性的影响，单个管功率的功率远远不能满足电子设备日益增大的功率需求。功率合成技术成为解决这一难题的有效方法，并得到了迅速发展。目前，功率合成技术主要分为电路式功率合成和空间功率合成两种方法［1］。

空间功率合成技术在20世纪80年代初由W.Lothar等人提出，其主要原理是利用多个功率辐射单元通过正确的相位关系实现功率的叠加。功率合成后可以通过天线进行接收，也可以将功率直接合成到高功率需求处。相比电路式功率合成方式，空间功率合成技术具有以下优点:(1)合成效率更高，而且合成效率跟合成路数无关，不会随合成路数的增加而降低，因此更适合多器件合成的场合;(2)带宽更宽，空间功率合成一般采用过渡结构作为收发天线，通过对过渡结构优化设计后，具有良好的宽带性能，输入输出的隔离性能也更好;(3)可扩充性，通过扩大波束的截面即可实现更多单元的功率合成和更高的功率输出;(4)适度恶化性能，空间功率合成的各单元间为并联关系，相互之间互不影响，因此某单元的失效不会导致系统性能的剧烈下降和毁灭性后果。由于空间功率合成技术的以上优点，在20世纪90年代国际上曾掀起一股空间功率合成技术研究的热潮。

本文结合矩形波导空间功率合成系统的特点，基于对已有渐变鳍线过渡电路的研究，利用小反射理论和谱域法原理对对极鳍线过渡电路进行优化设计，较好地提高了空间功率合成系统的带宽和合成效率［2-3］。

1　原理与方法

1.1工作原理

基于矩形波导的空间功率合成系统的基本结构及工作原理如图1所示，在物理结构上对波导宽边进行剖分，将标准波导切分成相同的多层托盘平面结构，各层组合后形成等效传输波导。在每层托盘上实现功率放大电路结构。在波导主模式传输工作条件下，功率合成在等效波导结构内进行。利用波导-微带的多路过渡结构，将波导传输能量耦合到各层平面微带电路。在平面电路上使用MMIC或功放组件分别对各支路功率进行放大，而各平面输出端的微带-波导过渡将经过平面电路放大的各路能量耦合到波导空间实现功率合成并最终在波导端口实现能量合成输出［4］。

图1　矩形波导空间功率合成器结构示意图

图2所示的是本文采用两托架结构实现2×2路功率合成的一层托盘的装配示意图。空间功率合成器的输入输出是对称结构，端口为标准波导;射频信号在输入端从波导模式经过托盘结构的渐变鳍线电路转变微带，到达MMIC进行信号放大，之后经过输入的逆过程将微带电路转换为波导形式输出。

在矩形波导空间功率合成器中，由于在波导到渐变鳍线的转换中介质的不连续性会引起信号反射产生反射损耗，因此设计反射损耗尽量小的渐变过渡鳍线电路是提高合成器性能指标的关键。

图2　2×2路功率合成一层托盘的结构

1.2鳍线电路设计

过渡鳍线的设计包括选择一种阻抗渐变的曲线，使得由它引入的反射损耗尽可能的小，并要求渐变段的长度尽量短。一般来说，过渡鳍线越长其反射就越小，但随着传输线变长同时带来的路径损耗也会变大，也不利于系统的小型化。因此，渐变鳍线的长度与其损耗是一对矛盾，需要进行折中，其设计的目标就是选择一种渐变鳍线，在满足差损要求的情况下长度尽量短。

目前，在实际工程应用中，渐变鳍线已有比较成熟的公式，对于一般的工程应用是可以满足要求的。这些公式，在实现一般的工程要求的20～25 dB的回波损耗时，渐变长度要在一个波长量级，而且其渐变线的外形差别明显减小。因此，为了尽量优化渐变鳍线的性能，进一步提高电路带宽，缩小插入损耗，需要对渐变鳍线进行优化设计，为此采用了小反射理论方法进行计算［5-7］。

渐变鳍线看作是多节的阶梯鳍线，对多节变换器作近似分析。设负载阻抗ZL通过电长度为βL=θ且特性阻抗为Z2传输线的中间段接到特性阻抗为Z1的传输线上，如图3所示。每一个接头处的反射系数为

传输系数为

图3　渐变鳍线多次反射示意图

设入射波的振幅为1，总的反射波的复振幅为Γ，它等于总的反射系数。当入射波投射到第1个接头时，产生一个振幅为Γ1的部分反射波。而振幅为T21的传输波则入射到第2个接头处。其中的一部分被反射，即有一个振幅为Γ3T21e－2jθ的波自右边入射到第1个接头处。而此波的一部分以振幅T12T21Γ3e－2jθ向前传输，另一部分以振幅Γ2Γ3T12T21e－2jθ反射回负载ZL。振幅为Γ的总反射波，是通过第1个接头处向左边传输的所有各部分波的总和。此和为

n=0求这个几何级数的和，不难得到

用1 +Γ2=1－Γ1代替T12，用1 +Γ1代替T21得

若Γ1和Γ3都比1小得多，则上式很好地近似为

此结果表明，在小反射时，总的反射系数正好是只考虑一次反射时所得到的反射系数。

由此可以得出非TEM渐变鳍线输入反射系数表达式为

式中

不同槽缝鳍线对应的传播常数可以借助微波仿真软件HFSS进行参数扫描计算得出，之后用数值的方法对渐变鳍线电路的总反射系数进行优化计算，最终得到最优的渐变鳍线。

实际设计中选用Rogers公司的RT5880介质基板进行了仿真计算，其具体参数为介电常数2.22，厚度0.254 mm，传输线表面镀金3 μm。进行了实际加工和无源测试，测试结果与仿真结果的对比如图4所示。可以看出，渐变鳍线在相对带宽大于25%频段内输入回波损耗都在－10 dB以下，测试曲线与仿真结果趋势是一致的，说明该设计方法是可行的。

图4　渐变鳍线S参数随频率的测试与仿真比较

1.3 MMIC装配

在X波段市面上的功放芯片MMIC生产厂家比较多，综合各方面考虑选择了mimix公司的XP1006。该功率芯片饱和输出功率40 dBm，增益19dB。该芯片是静电敏感器件，使用过程要进行热沉设计。

由于功率芯片MMIC的静电敏感和大功率特性，其装配工艺要求比较高，需选择恰当的装配工艺并在专门的净化间内进行。矩形波导空间功率合成器中，渐变鳍线微带板与托架的粘结采用真空钎焊。MMIC的装配首先焊接到钼铜衬底上，之后带有衬底的MMIC焊接到微带板和托架上，进行金丝键合后完成整体的装配。装配好的矩形波导空间功率合成器如图5所示。

2　结果与分析

采用SMR20信号源和E4417A功率计，对矩形波导空间功率合成器进行测试，测试条件为:脉冲调制的射频信号，重复频率为1 kHz，脉宽100 μs，MMIC漏极电压8V，栅极电压－5 V。

首先将射频信号源频率固定在中心频率f0，增大输入信号的功率，空间功率合成器的输出功率的测试结果如图6所示。结果表明，在输入功率27 dBm时，输出功率达到饱和44.15 dBm。

图6　中心频率时合成器Pout-Pin曲线

图7　输入功率27 dBm时合成器Pout-频率曲线

将输入功率固定为27 dBm，对工作频率全带宽进行测试，测试结果如图7所示。在整个频带内输出功率都在44 dBm以上，合成效率在70%以上，在频率高端和频率低端的合成效率比中间频率偏低，而输出功率在频率两端偏高，这是由于功率芯片在频带内输出功率的起伏造成的。

3　结束语

利用小反射理论和谱域计算方法，对渐变鳍线电路进行了优化设计，实现了超宽带、低损耗的渐变鳍线过渡电路，并应用于矩形波导空间功率合成器，在X波段研制了合成效率、带宽等性能优良的微波固态功率合成器。对于雷达等通讯系统在小型化、高效率、高功率等方面的发展具有积极的推进作用，并可推广其在毫米波等更高频段上功率合成技术的工程应用。

参考文献:

［1］薛良金.毫米波工程基础［M］.北京:国防工业出版社，1998.

［2］JINHO JEON，YOUN GWOO KWON，et al.1.6 and 3.3W power-amplifier modules at 24 GHz using waveguide-based power combining structures ［J］.IEEE Transactions on M icrowave Theory and Techniques，2004，8(12): 2700-2708.

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［4］Nai-Shuo Cheng，Alexanian A，Case M G，York R A.20 watt spatial power combiner in waveguide ［J］.IEEE Trans.on MTT-S，1998，3(6).

［5］Harvey J，Brown E R，Rutledge D B，York R A.Spatial power combining for high-power transmitters［J］.Microwave Magazine，2000，1(4).

［6］Belaid M，Ke Wu.Spatial power amplifier using a passive and active TEM waveguide concept［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2003，51(3).

［7］Michael P DeLisio，Robert A York.Quasi-Optical and Spatial Power Combining［J］.IEEE Trans.on Microwave Theory and Tech，2002，50(3): 929-936.

Design of a spatial power combiner for rectangular waveguide

AN Shi-quan1，ZHANG Hong-chuan2，ZHANG Rui1
(1.No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088; 2.Yangzhou Blue Sword Electronic System Engineering Corporation，Yangzhou 225000)

Abstract:The working principle of the spatial power combining technology for the rectangular waveguide is introduced.Based on the theory of small reflections and the spectral domain approach(SDA)，the tapered fin-line transition circuit is optimized through the microwave simulation software，which effectively improves the bandwidth of the working frequency and the combining efficiency.The spatial power combining system of the double antipodal fin-line is realized at X band.The results show that within the relative bandwidth of more than 25%，the combining efficiency is over 70% and the output power is more than 25 W.

Keywords:rectangular waveguide; spatial power combining; tapered fin-line; MMIC

作者简介:安士全(1977-)，男，高级工程师，硕士，研究方向:固态收发技术;张洪川(1992-)，男，研究方向:电子信息技术;张瑞(1977-)，男，高级工程师，硕士，研究方向:固态收发技术。

收稿日期:2014-09-14

文章编号:1009－0401(2015)01－0042－04

文献标志码:A

中图分类号:TN925