一种宽带径向功率合成器的设计

王仁军，喻先卫，韩 煦，王荣达，成海峰，徐建华

（南京电子器件研究所，南京 210016）

1 引言

近年来，微波固态功率放大器发展迅速，在民用和军事领域均得到广泛的应用。随着技术发展，各个领域对通信系统的性能要求越来越高，宽频带、高功率已成为微波发射系统的发展趋势。例如在通信、雷达、电子战等应用环境中对放大器的功率需求越来越高，需要使用多个功率放大器进行功率合成来实现系统高功率的要求。

在宽带合成方式上主要采用二进制的合成方式，常见的宽带合成方式如多级Wilkinson功分器和Lange桥具有结构简单、性能稳定、合成器损耗低等优势，但随着合成路数的增加，二进制平面合成电路的体积增大，合成损耗会迅速增加，合成效率降低，使得合成路数受限，而且该合成方式会受到最大功率的限制。宽带合成方式中径向功率合成技术与二进制平面合成结构相比，在多路合成上具有一定的优势，而且合成路数可以根据需要进行特别设计，设计自由度高，并且合成效率不随路数的增加而降低，因此在多路大功率合成上径向合成技术有很大优势。但是径向功率合成器在结构设计、加工精度、安装方式等方面要求较高，因此目前径向功率合成技术的应用尚不如二进制合成广泛。

本文以扩展同轴结构合路器以及径向波导原理为基础，通过仿真、优化，设计了一款10路径向波导合路器。

2 宽带合成结构设计

该合成结构由同轴渐变波导、径向波导、微带探针组成。该合成器输入为同轴结构，同轴结构到径向波导的过渡通过同轴渐变波导来实现。分路器采用微带耦合探针结构实现微波信号微带传输与径向波导传输之间的转换。多端口径向波导合成器结构如图1所示。

图1 合路器结构图

2.1 同轴渐变波导

径向波导与同轴线类似，微波信号在波导内传输TEM模，是一种柱面TEM模，在截面上电场只有径向分量，且在半径为r的圆周上电场相同；磁场只有切向分量，在半径为r的圆周上磁场大小相等。为保证在整个通带内同轴线到径向波导有良好的阻抗匹配，该合成器选用了锥形同轴波导提供连续的渐变方式，这种结构更简单且易于加工。

2.2 径向波导探针

分路器采用微带耦合探针结构实现微波信号微带传输与径向波导传输之间的转换。采用Rogers 5880介质板制作微带探针，通过50 Ω微带线传输的微波信号通过探针辐射转换为波导传输。

利用电路结构的对称性，可以将N路合成器的外围探针区域看成由N个相同的扇形波导组成,从而可以对每个扇形波导进行建模仿真计算。径向波导探针仿真模型如图2所示。

图2 径向波导探针

采用HFSS电磁仿真软件对该模型进行优化仿真，优化过程中充分考虑合成结构的宽带工作特性以及不同传输路径直接的阻抗匹配，探针仿真结果如图3所示。在6～18 GHz频段内，输出端口驻波小于1.5，损耗小于0.5 dB。

以上述单个扇形波导同轴转换结构为基础，建立10通道空间合成结构，合成器模型如图4所示。

使用HFSS软件进行优化，仿真结果如图5所示。

从图5的仿真结果可以看出，在6～18 GHz频段内，该合成结构的输出驻波小于1.7，合成损耗小于1dB。

图3 合成结构仿真结果

图4 10路合成器仿真模型

图5 功率合成器仿真结果

3 结论

本文根据同轴径向波导的特点设计了一款10路宽带同轴径向波导合路器，该合路器通过径向波导内空间功率合成，功率分配与合成是在波导内采用电磁场耦合的形式完成的；采用多端口形式，并借助高频电磁场仿真软件HFSS对电路进行了优化仿真。仿真结果显示，该10路合路器在6～18 GHz频段内插损≤1 dB，通过该合成器10路合成效率≥80%。