一种高功率宽频带径向合成器设计

韩来辉，杨晓峰

(中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047)

0 引言

随着半导体器件的快速发展，高功率发射机作为雷达、航天测控及电子对抗等系统的重要组成部分，因具有体积小、效率高、工作电压低、寿命长和可靠性高等优势，固态发射机在中低功率逐渐取代了原有的真空管发射机。但因为固态放大器单管输出功率的限制，目前很难满足高功率输出的要求，功率合成技术成为固态高功率发射机有效途径[1-2]。因此研制一种低传输损耗、高幅相一致性的高功率合成器成为固态高功率发射机的关键。

本文设计了一种新型径向波导大功率宽频带合成器，该合成器输入输出探针采用结构紧凑的圆柱体加载圆锥阻抗渐变的结构形式，有效地解决整个工作频带的端口良好阻抗匹配，实现较高的合成效率。

1 合成器的选择

功率合成技术包含器件级(或芯片级)、电路级和空间功率合成。其中，电路级功率合成多采用二进制功率合成和多路径向功率[3]或者二者结合的合成方式。多路径向功率合成器具有传输损耗和回波损耗低，体积紧凑等优势，但端口隔离差。四端口二进制合成器具有低传输损耗、高端口隔离、高功率容量的优点，但涉及多级合成相对径向合成传输损耗、体积大[4]。二者在电路功率合成工程应用中有着各自的优势，可根据工程实际应用的需求灵活应用[5]。

1.1 设计需求

合成器的主要技术指标要求为：

①工作频段：2.0～2.2 GHz；② 合成效率：≥90%；③ 回波损耗：≤-20 dB；④ 功率容量：≥500 W(CW)；⑤ 输入接口：N-K型；⑥ 输出接口：标准波导BJ22。

1.2 高功率合成器的选择

S频段固态高功放采用多模块功率合成后需经高功率谐波滤波器[6]、接收频带噪声抑制滤波器[7]以及滤波器级间匹配等器件，避让引入传输损耗。同时根据功放输入、输出接口形式要求，需要考虑设备成本，兼顾输出功率一定的余量。

1.2.1 四路功率合成方案

现有S频段400 W固态功放采用4路径向功率合成器合成方式，合成器接口形式为：输入N型阴头，输出为IF70Q。通过4个150 W固态功率放大模块合成输出功率大于532 W(57.26 dBm)，因合成器输出接口为IF70Q，依据任务书发射机机输出接口为标准波导BJ22，同时合成器输出功率大于500 W(CW)，滤波组件和隔离器采用波导形式因此合成器需连接波导转同轴(IF70Q/BJ22转换)，经过理论计算和工程验证满足设计要求，如图1所示。其中4路径向合成器仿真模型如图2(a)所示，传输损耗、回波损耗仿真结果如图2(b)所示。

图1 4路功率合成发射机增益分配Fig.1 Gain distribution diagram of 4-way power synthesis transmitter

(a)4路径向功率合成器模型

(b)功率合成器的仿真结果

1.2.2 三路功率合成方案

基于功率放大器通过芯片级合成可实现输出连续波功率大于200 W的现状，S频段400 W固态功放拟采用3路径向大功率合成方式，同时根据整机输出接口、滤波组件、隔合成器接口，合成器输出接口形式为波导BJ22。通过3个200 W固态功率放大模块合成输出功率大于512 W(57.1 dBm)，合成后经过滤波组件和隔离器，经过理论计算满足设计要求，如图3所示。

图3 3路功率合成发射机增益分配Fig.3 Gain distribution diagram of 3-way power synthesis transmitter

综上所述：以上2种方案均能实现工程需要，结合功率放大器输出功率、整机输出接口形式的需要，减少传输馈线复杂度、损耗和设备成本的实际情况，拟采用3路径向合成方案。

2 径向波导合成器

2.1 合成器理论及结构

径向功率合成器主要由圆柱形波导腔、输出加载中心探针、输入加载外围探针和加载介质组成，可用rφz极坐标来描述，波导横截面为φz，r为信号传输方向，b为波导腔的高度，如图4(a)和图4(b)所示。

图4 径向波导结构Fig.4 Radial waveguide structure

2.2 电磁分析

利用电磁场对径向合成器求解，假设圆柱形波导腔壁为理想导体，介电常数为ε和磁导率为μ理想介质[8]。其波函数满足的亥姆霍兹方程：

在径向波导中的E模中，当m=n=0时(主模TEM模)，由上述TEM波的解的电磁分量为：

由上式得，径向波导的TEM模电场仅有沿z方向上的分量，在半径r圆周上的电场相同；φ方向的只有磁场分量，在半径为r的圆周上磁场相同，方向在圆周切向上[9]。因此，径向波导TEM模的电磁场轴向对称性，为功率合成微波网络提供了理论依据。

2.3 电磁场计算

根据比尔科夫斯基分析结论[10]、工作频率和电磁场理论可得到径向功率合成器结构件初始参数值，径向波导腔体高度h1小于1/2中心工作频率波长；输入加载探针之间的距离L约为1/2中心工作频率波长，输入加载探针围绕径向波导腔中心以半径r均匀分布，输入加载探针的结构形式、尺寸一致[11]；输入加载探针距离腔体内壁的距离h2约为1/4中心工作频率波长。输入输出探针加载方式主要有：圆锥体加载、缝隙馈电圆盘加载、圆盘加载、绝缘材料加载等，探针加载形式根据功率合成器的工作频率、带宽、传输和回波损耗等技术指标要求来选择。

2.4 同轴到矩形波导的过渡转换

矩形波导同轴转换[12]由矩形波导腔体、加载探针、加载介质以及匹配结构等组成。

矩形波导转同轴根据电磁场理论可确定加载探针距离波导短路面约为1/4中心工作频率，输入探针加载方式同径向合成器探针加载方式，通过调整探针的插入波导内部的深度h、探针加载形状及距离波导短路面的距离L实现传输线工作频段内良好匹配，实现矩形波导TE10模式与同轴TEM波模式的转换。

2.5 电磁场仿真

依据径向功率合成器和波导同轴转换的结构形式，输入为N型接口，输入加载探针采用锥形加圆柱形式，输出为BJ22标准波导[13]。在电磁仿真软件Ansys HFSS[14]中建立径向合成器的模型，模型如图5(a)所示。结合机械加工实际情况进行了仿真并对具体参数进行了优化设计，实现了整个工作频段内良好匹配，仿真结果表明：该径向功率合成器在工作频段2～2.2 GHz内，回波损耗优于-23 dB，传输系数优于-4.8 dB。仿真模型和仿真结果如图5(b)所示，常温常压下空气中击穿电场强度约为30 kV/cm[15]，对径向功率合成器输入端输入功率设置200 W，腔体内电场强度仿真结果和相位仿真如图6所示，内部场强最大仅为0.56 kV/cm，不会出现腔体内部打火的现象，满足工程设计要求。

图5 3路径向合成器模型及仿真结果Fig.5 3-way radial combiner model and simulation results

图6 径向功率合成器的场强仿真结果Fig.6 Simulation results of field strength of radial power synthesizer

3 结束语

依据工程研制的需要，结合固态功放末级管输出功率的现状，基于三维电磁仿真软件Ansys HFSS对径向功率合成建模，输入接口为N型、输出接口为标准波导BJ22，实现了大功率径向功率合成器和波导转换的一体化设计，有效地改善了复杂的馈线系统。根据仿真结果对该款大功率径向合成器进行了机械加工，通过简单的机械装配和合理的公差配合，并对其进行了测试，在设计的工作频段范围内，获得了优良的传输、回波损耗以及幅相一致性，同时该款大功率径向功率合成器为后续研制S频段功放设备打下了技术基础，同时为多路功率合成和其他频段功放设备功率合成提供了参考和借鉴。