13.5～18GHz波导空间多路全匹配功率合成网络

龚志伟 原铭伟 谢小强

（电子科技大学航空航天学院，四川 成都 611731）

0 引言

近来，随着半导体功率器件技术的发展，功率合成技术已成为获取微波毫米波固态高功率的有效手段之一，其中微波毫米波多路高性能合成网络是实现这一技术的关键部件，也是限制微波毫米波固态高功率高效率获取的关键难点。当前在这一领域的研究中，由于中空金属矩形波导传输线具有较高的功率容量、较宽的单模传输带宽、较低的路径损耗和较好的热传导结构，基于矩形波导结构的微波毫米波波导空间功率合成网络成了研究热点，出现了基于简单的波导E-T分支、基于波导H-T分支、基于波导E-面多分支耦合器、基于波导-微带多路探针耦合、基于波导链式多路功分/耦合等原理的波导空间合成网络技术研究[1]。在这类研究中，基于简单的E-T、H-T分支、波导-微带多探针耦合以及波导链式耦合的合成网络多为无耗网络[2-4]，大多着重关注合成网络的低损耗、高合成效率优势，而忽略了支路端口驻波特性和放大单元的工作稳定性，限制了这类合成网络的适用范围；而基于波导-E面多分支耦合器的合成网络以及部分阻性膜片加载的E-T、H-T以及波导链式合成网络[5]，其较高的工艺要求限制了工作带宽、降低了系统功率容量，恶化了合成网络低损耗特性和支路幅度、相位一致性，从而导致合成效率和工作带宽降低，难以满足微波毫米波多路固态宽带高功率合成应用。波导魔-T功率合成网络，由于具有良好的支路隔离和端口匹配性能，可为参与合成的微波毫米波功率放大器提供良好的端口匹配，有利于放大单元稳定工作，但波导魔-T固有的立体结构为固态功率器件集成设置了难度。近来出现的集成共面臂的波导魔-T网络的研究中[6-8]，隔离臂所集成的薄膜电阻限制了合成网络的高功率应用。而常规微波宽带大功率负载体积大，不便于系统集成应用[9-10]。为此，针对传统波导魔-T以及共面魔-T在结构、工作带宽和功率容量等方面的缺陷，本文采用E-臂和H-臂的同时共同匹配的方法，拓展了传统波导魔-T的工作带宽，提出了隔离端高功率负载匹配方法，实现了低损耗多路宽带高功率容量的全匹配波导功率合成网络，获得了良好的支路幅度和相位一致性。

1 波导魔-T匹配改进

波导魔-T实际上是加了匹配单元的波导双-T。其散射矩阵为：

在功率合成应用中，波导魔-T的两分支端口往往端接单元放大器，两支路的端口匹配和相互隔离往往对功率放大单元的稳定性具有决定性作用。由波导魔-T的散射矩阵可知，两分支端口的理想隔离（S21=S12=0）和匹配（S11=S22=0）除了要求电路结构对称性外，E臂和H臂匹配良好（S33=S44=0）是关键因素。可见，在基于双-T结构的合成网络中，隔离端的匹配负载决定了分支支路端口的隔离和匹配，也决定了支路幅度和相位一致性的好坏。

图1即为改进匹配方式后的波导魔-T结构示意图。图中，改进匹配后，该魔-T的E臂可以作为功率合成的输出端口，而两E面分支为合成网络的两支路端口。这样，位于中心位置的锥底柱关于E臂和H臂共同的对称面对称，可实现E臂和H臂同时各自匹配。H臂经两个90°E面转换后，端接紧贴波导宽边壁的对称结构吸收匹配负载。该匹配负载可通过调整负载长度来满足不同频率下的匹配性能，达到隔离端的宽带匹配，从而获取两支路端口间的良好宽带隔离和匹配。

图1 波导魔-T 匹配改进

从改进后的波导魔-T电磁场优化仿真计算结果（图2）可知，在14～18GHz频率范围内，端口1（E臂）的反射系数S11≤-25dB；端口2、3（两E面分支）与端口1（E臂）之间的传输系数S21和S31接近理想的3dB数值；而端口2、3的反射系数S22和S33均≤-20dB，且两者之间的隔离度S23则大于20dB。并且，在13.5～18GHz频率范围内，端口2、3（两E面分支）与端口1（E臂）之间的传输系数S21和S31的幅度差几乎为零，接近理想的等幅关系；而两者的相位差则小于±0.5°。可见，当H臂得到较好匹配后，可得到较好的支路隔离和匹配关系，并得到很好的支路幅度和相位一致性。

图2 改进后的波导魔-T 电磁场优化仿真计算结果

采用以上对称锥底柱及隔离端大功率负载匹配措施后，改进后的波导魔-T可方便地实现多级级联的多路低损耗宽带波导空间功率合成网络，且具有良好的支路端口一致性和支路隔离和匹配性能。另外，在以上改进的波导魔-T中，H臂端接的吸收负载紧贴波导宽边壁，吸收负载与金属导体接触面大，导热效果良好，便于高功率合成应用。

2 波导空间八路功率合成网络设计

为验证改进波导魔-T所具有的优良的端口匹配性能以及接近理想的端口幅度和相位一致性以及其在多路波导空间功率合成网络中的应用，我们设计了一款波导空间八路功率合成网络，其结构模型如图3所示。

图3 八路波导空间功率合成网络

在所设计的八路功率合成网络中，采用了7个结构相同的上述改进型波导魔-T，构成了3级八路二进制波导空间功率合成网络。虽然理论上二进制功率合成网络在合成支路数目较多的情况下，路径损耗较大，但由于上述改进型波导魔-T优良的低损耗特性，在其基础上实现的多级多路功率合成网络也具有良好的低损耗特性。

图4为相应的八路波导空间功率合成网络电磁仿真结果。可以看出，在14～18GHz频段内，合成输出端口反射系数S11≤-20dB，各支路端口与合成端口的传输系数（Si1）几乎相同；另外该网络所有端口反射系数(Sii)均≤-20dB，各支路端口间相互的隔离度（Sij(i≠j)）均≥20dB。

图4 八路波导空间功率合成网络电磁仿真结果

根据以上优化数据进行了实物加工。图5为加工制作的八路波导空间功率合成网络实物及测试照片，所采用的测试设备为PNA-L矢量网络分析仪。图6给出了测试的各支路端口与合成输出端口间的传输系数。可知，在13.5～18GHz频率范围内,该八路波导空间功率合成网络各支路到合成端口的传输系数约为-10dB，扣除-9dB的理论值，该八路波导空间功率合成网络合成损耗，约为1dB，在功率合成应用时对应合成效率可达80%。

图5 八路波导空间功率合成网络实物及测试照片

图6 八路波导空间功率合成网络测试结果

根据测试数据，可以比较出各支路与合成端口传输系数的幅度差和相位差，如图7所示。可见该八路合成网络的幅度不平衡度≤±0.4dB；相位不平衡度≤±6°。

图7 支路一致性

3 结论

本文介绍了一种采用对称匹配以及隔离端大功率负载匹配措施改进传统波导魔-T的方法，实现了一种多路低损耗宽带波导空间功率合成网络，获得了良好的支路端口匹配、隔离以及支路幅度/相位一致性，为微波毫米波宽带多路固态功率合成应用中支路放大单元的稳定性获取以及高效率高功率合成放大系统的实现奠定了基础。