一种Ku频段基于魔T的8合1合路器的设计

仝信男，韩 军，王肇嬴

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军96819部队，北京 100015)

一种Ku频段基于魔T的8合1合路器的设计

仝信男1，韩 军1，王肇嬴2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军96819部队，北京 100015)

针对大功率合成，对魔T特性、谐振腔微扰和匹配方法进行了理论分析，设计了单个魔T的模型，并基于此模型对8合1合路器进行了设计，使用HFSS软件进行了仿真。仿真结果表明，该8合1合路器具有良好的端口驻波特性和传输系数，用于Ku频段大功率放大器，可有效改善功放合成效率。

大功率合成；魔T；微扰；HFSS

0 引言

微波固态功放是雷达、通信、制导、电子对抗和射电天文等电子设备的重要元件，因此微波功放的研究一直受到微波设计人员的重视。近年来，随着空间技术的迅猛发展，通信所需的发射功率越来越大[1]，然而，受固态器件其自身物理特性的影响，单个功率模块的功率远远不能满足电子设备日益增大的功率需求，需要通过功率合成技术实现大功率输出[2]。传统的平面电路合成[3]方式有着插损大、功率容量低[4]和可扩展性差等缺点，因此空间波导功率合成技术[5]日益成为研究的重点。

魔T[6]作为微波、毫米波电路中的重要器件，由于其具有功率容量高、端口性能好等优点，被广泛地应用在大功率放大器、微波集成电路和电子对抗等设备中。它以波导结构传输信号，既能实现功率分配，又可以实现功率合成，使用魔T构建波导功率合成器，可以大大减少在传输高功率微波信号时的能量损耗，提升功率放大器的功率容量，改善功率放大器的散热特性。

本文针对Ku频段大功率放大器，优化设计了端口匹配良好、隔离度高、回波损耗低的波导魔T，并利用魔T，设计了具有良好驻波特性和传输系数的Ku功率合成器。

1 理论分析

1.1 魔T的特性

波导魔T是匹配的双T。将波导E-T分支和波导H-T分支组合就可以构成4端口的波导双T，波导双T本身是不匹配的，而且隔离度和频带宽度等很差。通过在E-T分支和H-T分支的汇合处放置调配元件(如螺钉、膜片或锥体等)，可以调节双T使之成为匹配的双T，又称魔T，其结构如图1所示。

图1 波导魔T

魔T具有如下主要特性[7]：

① 4个端口完全匹配；

② 不仅1臂(E臂)和4臂(H臂)相互隔离，而且两侧臂(即2臂和3臂)也相互隔离；

③ 进入一侧臂的信号，将由1臂和4臂等分输出，而不进入另一侧臂；

④ 进入4臂的信号，将由两侧臂等幅同相输出，而不进入1臂；进入1臂的信号，将由两侧臂等幅反相输出，而不进入4臂；

波导魔T的上述特性可以用S矩阵表示为：

正是因为魔T具有这样良好的匹配特性、平分特性和隔离度，因此选用魔T来构造功率合成器。

1.2 谐振腔的微扰

魔T的各个波导端口常常需要接同轴波导转换器、微带波导转换器或者短路器，将魔T构成一个相对封闭的空腔结构，这种空腔结构是一种微波谐振器。

在谐振器的实际应用中，经常遇到其形状发生微小的变化，或在腔体内引入小片介质或金属材料等情况[8]，例如：利用旋入腔体内的小螺钉(金属或介质的)来调整谐振频率；在谐振腔内放入小介质样品，通过测量谐振频率的偏移来测定介质常数[9]。谐振腔的这种扰动或微小改变称为谐振腔的微扰[10]。

微扰前后的谐振腔模型如图2和图3所示，分别对2种情况使用麦克斯韦方程，可表示为：

，

(1)

，

(2)

，

(3)

。

(4)

图2 原始谐振腔

图3 被微扰谐振腔

经过计算得到：

(5)

，

(6)

将式(5)与式(6)相加，在体积V上积分，用散度定理，得

∫V

(7)

因被微扰表面S=S0-ΔS，所以能表示为：

(8)

(9)

由式(9)可知，当腔壁内表面或其一部分朝内推入时(变化的结果是体积减小△v)，如果微扰发生在磁场较强处，频率将升高；如果发生在电场较强处，频率将降低。反之，腔内壁或其一部分朝外推出时(变化的结果是腔体体积增大△v)，如果微扰发生在磁场较强处，频率将降低；如果发生在电场较强处，频率将升高。因此，在双T的连接处，引入调配体，可以有效调节谐振频率以实现频率谐振。

1.3 匹配方法

如果不加匹配元件，魔T是不匹配的，反射系数、隔离度和耦合度都很差。魔T的匹配主要在于E臂(1臂)和H臂(4臂)的匹配，只要E臂和H臂匹配了，2臂和3臂也就达到匹配了[11]。

魔T的匹配[12]可采用2种形式：① 金属片和金属圆杆匹配；② 金属圆锥和金属销钉匹配。这里采用第2种匹配方式。销钉是指垂直穿入波导的金属圆棒，根据销钉穿入波导的深度不同，可在波导中起电容或电感作用，穿入深度较浅时起电容作用，穿入深度较深时起电感作用[13-14]。销钉的感抗和容抗还与棒的粗细有关，棒越细，电感量越大；棒越粗，电容量越大。圆锥和销钉的工作原理相同，二者结合可以更好地实现调谐和匹配[15]。

2 模型设计和仿真分析

2.1 魔T的模型设计与仿真设计

根据EIA国际标准，在13.75～15.35 GHz下，选用波导尺寸宽边长15.799 mm，高边长7.899 mm；H臂(4臂)凸出部分长22 mm：E臂(1臂)凸出部分长21 mm：侧臂(2臂和3臂)凸出部分长21 mm。

在匹配上[16]，利用金属圆锥来实现波的连续反射，以抵消E臂内的反射，同时起到隔离2条侧臂的作用；而销钉则能起到消除H臂内的反射作用[17-18]。采用有限元法在13.75～15.35 GHz范围内，通过改变参数值来优化设计匹配体的几何形状和尺寸，寻找最优的S参数状态。最终确定其最优参数为：魔T内部匹配元件尺寸为圆锥台轴心线离内壁4 mm，锥台低圆半径10.4 mm，顶圆半径1.31 mm，高4.551 mm：锥台上圆柱体半径1.31 mm，离锥台顶部的高度为4.389 mm，模型如图4所示。

图4 魔T透视图

通过HFSS仿真，得到仿真结果如下：魔T各端口的回波损耗如图5所示，魔T端口的隔离度如图6所示，魔T的平分特性如图7所示。仿真结果表明，在13.75～15.35 GHz频段内，此魔T结构获得了较好的匹配特性、隔离特性和平分特性。

图5 魔T各端口的回波损耗

图6 魔T端

图7 魔T的平分特性

2.2 合路器的模型设计与仿真设计

对8合1的合路器进行了设计，如图8所示。

图8 合路器模型(8合1)

8合1合路器的端口传输系数与输入端口驻波分别如图9和图10所示。由结果可知，该合路器获得了极好的合路特性。

图9 端口传输系数

图10 输入端口驻波

3 结束语

本文针对Ku频段的大功率合成，对与功率合成器设计有关的微波谐振器微扰理论、匹配元件等理论进行了分析，设计了一个具有实际应用价值的魔T模型与8合1合路器，用HFSS软件进行仿真和优化，研制了功率放大器，用HFSS软件进行仿真和优化后均获得了很好的应用特性。通过实际电路测试，与仿真结果匹配良好，获得了很好的应用特性。对于通信系统在高功率方面的发展具有积极的促进作用，并可推广其在功率合成技术上的工程应用。

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仝信男 男，(1991—)，硕士研究生。主要研究方向：电磁场与电磁波。

韩 军 男，(1964—)，研究员。主要研究方向：微波通信设备与系统。

Design on a Ku-band Eight-in-one Combiner Based on Magic T

TONG Xin-nan1,HAN Jun1,WANG Zhao-ying2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.Unit96819,PLA,Beijing100015,China)

In order to solve high-power combing,this paper analyzes theoretically the magic T characteristics,cavity perturbations and matching method,and designs the model of a single magic T.Based on this model,an eight-in-one combiner is designed.The model and the combiner are simulated by HFSS,and the results show that the combiner has outstanding standing-wave characteristics and transmission coefficients,and that it can be applied in Ku-band high-power amplifier to improve the efficiency of combining.

high-power combining;magic T;perturbation;HFSS

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.16

仝信男,韩 军,王肇嬴.一种Ku频段基于魔T的8合1合路器的设计[J].无线电工程,2017,47(3):62-65.

2016-12-29

通信网信息传输与分发技术重点实验室开放基金资助项目(EX156410046)。

TN911

A

1003-3106(2017)03-0062-04