一种新型E面功率合成器

常 坚，汤袁亮，靳连根

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，江苏 南京 211106)

0 引 言

随着微波技术的发展，系统功率的大小决定了整个装备的作用距离和抗干扰能力。单个固态器件的输出功率是有限的，真空微波器件虽然能在高频段提供稳定的高功率输出，但受限于体积、重量、可靠性，无法在严苛条件下大量使用；相比较而言，微波固态器件体积小、重量轻、可靠性高，能克服真空微波器件的绝大部分缺点。但是受限于半导体自身的物理特性，单个固态器件的输出功率是有限的，就需要通过网络将多路信号进行累加。因此，随着固态技术的发展，功率合成技术随之共同进步。而功率合成网络拓扑结构是固定的，但是合成网络的实现形式是多样的。宽带化、提高效率、可实现性成了目前研究的重点。

高功率合成技术中，最基础的是将2路合成器进行多级级联，形成一个二进制树形结构实现多路合成。基本的2路合成器是在Wilkinson功分器的基础上发展而来，一般有微带型、板线型、波导型等等。这种级联的结构形式随着合成支路数量的增加，损耗变化不大，合成效率也不变。

本文设计了一种新颖的高效8路波导功率合成器，在X波段实现了固态组件的功率合成。在8～10 GHz的频段内实现了低损耗、高隔离的脉冲功率合成，总的合成效率大于85%。

1 设计目标

针对产品性能要求，提出设计一种X波段功率合成网络。宽频带、高功率、高效率、低损耗、高可靠性是功率合成网络的最终目标[1]。设计过程为：首先根据功率容量要求确定传输线的类型，设计一个带有隔离电阻和阻抗匹配的T型波导功分器，实现基本的一分二结构；然后通过波导-微带探针耦合和相应的功分结构级联，最终实现8路功率分配器。波导-微带探针耦合通过多级阻抗变换实现信号输出。

1.1 合成器选型

相对于微带、带状线，波导具有低损耗、高功率容量、高可靠性、易加工的特性，X波段功率合成多采用基于波导结构的合成器。目前适用于X波段的波导合成器主要有2种类型：带隔离端口的四端口波导电桥和无耗三端口波导合成器。其中四端口的波导合成器包括：电桥、波导魔T等；无耗三端口合成器包括：波导E-T和波导H-T。

目前普遍适用的魔T、波导3 dB电桥都是带隔离的四端口功分器[2]。因为合成器带隔离端口，支路之间有20 dB以上的隔离度，用于功率合成时可以避免复杂的调试。而四端口功分器体积较大，隔离端口的存在往往会破坏功分器的对称性，造成幅度差和相位差，隔离端口对机械加工带来了相当大的困难，并增加了调试的工作量。

而无耗三端口合成器加工简单，一般不需要复杂的装配；设计简单；加工难度低；工作频带宽；后期不需要调试；因此，通过上述对比分析得出，根据设计目标，综合选用三端口功率合成器。

1.2 基本单元合成器设计

设计三端口合成器，首先分析三端口合成网络的S参数。在理想情况下，S参数为：

(1)

2、3口对称：

S21=S31，S23=S32，S22=S33

无耗互易网络，SS*=1，即：

从上式得出，三端口网络无法达到完全匹配，2个输入端口之间的理论隔离度只有6 dB，在设计中只对端口驻波进行优化即可满足设计要求。

通过上述分析，在ANSOFT公司的HFSS软件中建模。普通的E-T模型无法达到满意的工作带宽，扩展带宽需要在模型中3个端口的交接处引入锥体匹配块。匹配块的加入对E-T结构引入了电抗和容抗，并增加了调试的工作量。后期匹配块的焊接或螺钉固定会带来装配误差，影响性能。为了简化加工难度，从工程化的角度出发，分析模型内部场，对波导窄边进行切削也可以达到增加锥形匹配块的效果。该E-T结构如图1所示。

图1 E-T结构示意图

1.3 隔离度设计

通过上述S参数矩阵得知，三端口合成器2个端口之间的隔离度理论上也只能达到6 dB。当某一输入支路出现损坏，输出功率将严重恶化，性能严重下降。

图2 Wilkinson功分器电路图

功分器的电路，可以运用奇-偶模理论来分析。

1.3.1 奇模分析

图3 奇模等效电路图

1.3.2 偶模分析

图4 偶模电路

本文采用类似于Larry W Epp等人提出的改进型T型波导结构[3]。通过上述分析，为了使端口之间具有隔离度，在T型结构的中央对称区域加载一块电阻卡。通过在T型结构的顶端开槽引入薄膜电阻，薄膜电阻是在低损耗介质材料表面涂覆TaN材料膜。TaN薄膜的厚度一般在微米级，低于毫米波频率的趋肤深度。

平衡端口激励引起薄膜电阻上的奇模表面电流。端口1激励引起的表面电流分量与端口2引起的电流抵消。在这种情况下，薄膜电阻上的功率损耗理论上为零，因此增加薄膜电阻不会引起插入损耗的变化。然而，当输入端口信号不平衡时，激励在薄膜电阻上导致偶模电流分布，此时功率被薄膜电阻吸收。

1.4 单元仿真计算

E-T模型的隔离度仿真计算如图5、图6所示。

图5 隔离度

图6 E-T模块内部电场

从图5中可以看出，在E-T结构中增加了薄膜电阻后在设计频率范围内端口之间的隔离度大于26 dB。因此上述手段达到了预期效果。

2 八合一合成器的设计

通过拓扑结构将功分器进行级联，见图7。合成满足性能要求的大功率合成器。在三维电磁场软件HFSS中建模以及仿真，结果如图8～10所示。

从仿真结果可以看出，这种X波导合成器在需要的工作频带内回波损耗小于-18 dB，插入损耗在0.3 dB以内。8路X波段合成网络的合成效率满足85%的性能要求。

3 结束语

本文介绍了一种新型的X波段宽带高功率波导合成器的设计原理与设计方法，实现了在X波段宽带、隔离度大于20 dB、损耗小于0.3 dB功率合成功能。通过HFSS软件进行了三维电磁仿真计算，证明了该种合成器结构性能优异，结构紧凑，易于加工等，为后续多路合成器拓展到毫米波领域应用提供了一种新的设计方法。

图7 8路X波段波导合成器模型

图9 端口驻波比

图10 端口隔离度