一种基于波导的K波段功率分配网络设计

张丽静

(中国电子科技集团公司第13研究所 质量处，河北 石家庄 050051)



一种基于波导的K波段功率分配网络设计

张丽静

(中国电子科技集团公司第13研究所 质量处，河北 石家庄 050051)

针对K波段小型化功率合成需求，提出了波导功分器与波导微带转换相结合的设计方案。文中研发了一种6路矩形波导功率分配网络，该网络通过将3路波导功分器与双探针波导微带转换进行级联，借助软件进行设计优化，在24～26 GHz频带内 6 个输出端口具有很低的插入损耗和良好的回波损耗，可广泛应用到微波大功率合成领域中。

K波段;功率分配网络;波导微带转换;一致性

随着无线电通信、雷达等电子设备系统的快速发展，对更远距离、更高通信质量的要求越来越高，需要开发出适用于高频段和大功率、高效率的射频系统。在现阶段单个功率单片输出功率有限的前提下，普遍采用各种类型的功率合成方案，从而使系统在各个工作频段获得想要的输出能力[1]。

在众多类型分配网络中，波导功率分配网络具有功率容量大、合成损耗低、散热好等优点，广泛应用于毫米波功率合成系统中。本文基于3 dB分支定向耦合器的网络结论[2-4]，基于BJ260标准矩形波导设计了一种3路波导功分器，并与双探针波导微带转换结构进行级联，形成了6路功率分配网络，是针对具体应用需求的一种较为灵活的功率分配网络，同时采用奇数路分配结构，减少了合成级数，有效提高了合成效率。

1 原理分析

在微波理论中，3 dB分支矩形波导电桥通过缝隙耦合来实现功率分配，如图1所示。在该结构中，主波导和副波导以串联电路形式对称分布在缝隙两侧，根据微波网络理论，可以采用奇偶模理论进行分析，分别得到奇偶模传输矩阵[5]。

图1 分支线耦合器结构

偶模传输矩阵为

(1)

奇模传输矩阵为

(2)

奇偶模传输系数和反射系数为

(3)

式(3)中，Te和Γe分别为偶模传输和反射系数；To和Γo为奇模传输和反射系数。各端口的反射参数为

(4)

端口1和端口4的反射为零可知B=C，从而可以得到关于a和b的表达式，再由2、3端口的幅值条件可得另一表达式，幅值条件由设计的耦合度确定。两式联立即可求得a和b的值[6-8]。

2 设计方案和仿真结果

2.1 三路功率分配网络的设计与仿真

J.M.Rebollar等学者在3 dB波导分支定向耦合器的基础上，提出了一种改进型功率分配器[9]。和传统的两路合成方式相比，3路合成具有更高的合成效率，还可以根据实际工作带宽需要，灵活地获得2n×3m(m、n非负整数)路的功率合成。参考J.M. Rebollar的3路波导功分器的结构，设计了K波段3路波导功分器，结构如图2所示。

图2 3路功分器仿真模型

该3路波导功分器是基于BJ260标准矩形波导，通过将两个3 dB分支波导定向耦合器进行直通端口合并，将两路耦合端口对称分布在直通端口两侧。通过优化调整分支波导间的耦合孔尺寸和距离来实现3路输出端口的功率幅度一致性。该结构分布在同一水平面上，两路耦合端口呈现对称分布，保证了耦合端口的相位一致性。在规划好耦合端口位置分布的前提下，通过在直通端口处增加一段拐弯波导来平衡3路输出端口之间的传输路径差异，进行了适当的相位补偿，保证输出相位一致性[10]。

图3 插入损耗和回波损耗仿真结果

图4 端口间相位仿真结果

为达到良好的阻抗匹配状态，每个输出端口的分支均设计了过渡结构，并在直角拐角处进行圆角处理，保证了过渡段的驻波属性。在实际应用中，可根据具体结构对输出波导位置进行细微调整，保证输出端口位于同一平面，有利于整个电路的布局。

经过优化后，由图4仿真结果可以看出，该3路波导功分器在24～26 GHz频带内，输出端口插入损耗<0.19 dB，相位不平衡差<6.3°，输入端口的回波损耗<-25 dB，达到了预期设计目标，可以应用到相关工程中。

2.2 双探针波导微带转换结构的设计与仿真

在单片集成电路与波导结构之间的各类型连接形式中，波导微带转换结构由于过渡性能优良被广泛应用。最早由 Vassilev V.等人提出在单探针的基础上发展形成双探针波导微带转换结构[11-13]，是宽带射频应用电路的重要部件。结合实际需要，设计了一种双探针波导微带转换结构模型，如图5所示。

图5 双探针波导微带转换结仿真模型

在该结构中，两个探针作为功分器输出口对称伸进波导结构，形成了一个微波三端口网络。根据微波网络理论，微带线探针上的准 TEM 模进入波导时会产生探针电流，使探针具有电抗性质[14]。通常改变短路面的距离来调整波导短路面的电抗，还可以用来抵消微带线探针的电抗[15]。

图6 插入损耗和回波损耗仿真结果

图7 端口间相位仿真结果

经过优化后，从图7仿真结果可以看出，该结构在24～26 GHz频带内，输出端口插入损耗<0.1 dB，相位不平衡差<2.3°，输入端口的回波损耗<-26 dB，达到了设计要求。

2.3 6路功率分配网络的设计与仿真

利用改进优化的3路波导功分器作为第一级功率分配结构，每个输出端口与双探针波导微带过渡结构进行级联，从而形成了6路功率分配网络，如图8所示。

经过优化后，由图9仿真结果可以看出，6路功率分配网络在24～26 GHz频带内输出端口插入损耗<0.26 dB，输入端口回波损耗<-20 dB，达到了设计目标。综上所述，该功率分配网络在K波段体现出工作频带宽、插入损耗小的显著特点；在具体应用中，双探针波导微带转换结构正反面都能够装配功率芯片，利于散热、结构紧凑且空间利用率高，能够用于小型化产品模块化设计。

图8 功率分配网络仿真模型

图9 插入损耗和回波损耗仿真结果

3 结束语

经过理论分析和仿真优化，完成了一种基于波导的K波段六路功率分配网络的设计。该分配网络合成方式灵活，同时具有频带宽、低损耗、合成效率高、体积小、散热好等优点，并且可根据需要拓展和自由组合合成路数，在微波毫米波宽带高功率分配网络应用中具有较大的应用潜力。

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Design of A K-band Power Distribution Network Based on Waveguide

ZHANG Lijing

(Quality Control Office,The 13th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050051,China)

In view of the K-band miniaturization power combining, this paper describes an plan by combining the waveguide power distribution and the waveguide-to-microstrip. A six-channel power distribution network is designed in this paper. By combining three-channel waveguide power divider with waveguide-to-microstrip transition of double probes, and using software to design and optimize, the six output ports achieve good magnitude and phase consistency in 24-26 GHz。The network which has very low insertion loss and return loss is applied widely to the field of millimeter wave high power combining.

K-band;power distribution network;waveguide-to-microstrip transition;consistency

2017- 04- 01

科技部重大科学仪器设备开发专项(2016YFF0102105)

张丽静 ( 1984- ) ，女，硕士，工程师。研究方向：微波电路设计。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.046

TN626

A

1007-7820(2017)07-162-03