安士全，張洪川，張　瑞(.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥30088; .揚州藍劍電子系統(tǒng)工程有限公司，江蘇揚州5000)

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一種矩形波導空間功率合成器的設計

安士全1，張洪川2，張瑞1
(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥230088; 2.揚州藍劍電子系統(tǒng)工程有限公司，江蘇揚州225000)

摘要:介紹了矩形波導空間功率合成技術的工作原理，利用小反射理論和譜域法原理，結合微波仿真軟件，對漸變鰭線過渡電路進行了優(yōu)化設計，使工作頻率帶寬和合成效率得到了有效提高。在X波段實現(xiàn)了雙對極鰭線的空間功率合成系統(tǒng)，在相對帶寬大于25%的寬帶范圍內(nèi)得到的合成效率大于70%，輸出功率大于25 W。

關鍵詞:矩形波導;空間功率合成;漸變鰭線;單片微波集成電路

0　引言

微波固態(tài)功率源是雷達、通信、制導、電子對抗、射電天文等電子設備的重要元件，因此微波功率源的研究一直受到微波設計人員的重視。然而，受固態(tài)器件其自身物理特性的影響，單個管功率的功率遠遠不能滿足電子設備日益增大的功率需求。功率合成技術成為解決這一難題的有效方法，并得到了迅速發(fā)展。目前，功率合成技術主要分為電路式功率合成和空間功率合成兩種方法［1］。

空間功率合成技術在20世紀80年代初由W.Lothar等人提出，其主要原理是利用多個功率輻射單元通過正確的相位關系實現(xiàn)功率的疊加。功率合成后可以通過天線進行接收，也可以將功率直接合成到高功率需求處。相比電路式功率合成方式，空間功率合成技術具有以下優(yōu)點:(1)合成效率更高，而且合成效率跟合成路數(shù)無關，不會隨合成路數(shù)的增加而降低，因此更適合多器件合成的場合;(2)帶寬更寬，空間功率合成一般采用過渡結構作為收發(fā)天線，通過對過渡結構優(yōu)化設計后，具有良好的寬帶性能，輸入輸出的隔離性能也更好;(3)可擴充性，通過擴大波束的截面即可實現(xiàn)更多單元的功率合成和更高的功率輸出;(4)適度惡化性能，空間功率合成的各單元間為并聯(lián)關系，相互之間互不影響，因此某單元的失效不會導致系統(tǒng)性能的劇烈下降和毀滅性后果。由于空間功率合成技術的以上優(yōu)點，在20世紀90年代國際上曾掀起一股空間功率合成技術研究的熱潮。

本文結合矩形波導空間功率合成系統(tǒng)的特點，基于對已有漸變鰭線過渡電路的研究，利用小反射理論和譜域法原理對對極鰭線過渡電路進行優(yōu)化設計，較好地提高了空間功率合成系統(tǒng)的帶寬和合成效率［2-3］。

1　原理與方法

1.1工作原理

基于矩形波導的空間功率合成系統(tǒng)的基本結構及工作原理如圖1所示，在物理結構上對波導寬邊進行剖分，將標準波導切分成相同的多層托盤平面結構，各層組合后形成等效傳輸波導。在每層托盤上實現(xiàn)功率放大電路結構。在波導主模式傳輸工作條件下，功率合成在等效波導結構內(nèi)進行。利用波導-微帶的多路過渡結構，將波導傳輸能量耦合到各層平面微帶電路。在平面電路上使用MMIC或功放組件分別對各支路功率進行放大，而各平面輸出端的微帶-波導過渡將經(jīng)過平面電路放大的各路能量耦合到波導空間實現(xiàn)功率合成并最終在波導端口實現(xiàn)能量合成輸出［4］。

圖1　矩形波導空間功率合成器結構示意圖

圖2所示的是本文采用兩托架結構實現(xiàn)2×2路功率合成的一層托盤的裝配示意圖?？臻g功率合成器的輸入輸出是對稱結構，端口為標準波導;射頻信號在輸入端從波導模式經(jīng)過托盤結構的漸變鰭線電路轉變微帶，到達MMIC進行信號放大，之后經(jīng)過輸入的逆過程將微帶電路轉換為波導形式輸出。

在矩形波導空間功率合成器中，由于在波導到漸變鰭線的轉換中介質(zhì)的不連續(xù)性會引起信號反射產(chǎn)生反射損耗，因此設計反射損耗盡量小的漸變過渡鰭線電路是提高合成器性能指標的關鍵。

圖2　2×2路功率合成一層托盤的結構

1.2鰭線電路設計

過渡鰭線的設計包括選擇一種阻抗?jié)u變的曲線，使得由它引入的反射損耗盡可能的小，并要求漸變段的長度盡量短。一般來說，過渡鰭線越長其反射就越小，但隨著傳輸線變長同時帶來的路徑損耗也會變大，也不利于系統(tǒng)的小型化。因此，漸變鰭線的長度與其損耗是一對矛盾，需要進行折中，其設計的目標就是選擇一種漸變鰭線，在滿足差損要求的情況下長度盡量短。

目前，在實際工程應用中，漸變鰭線已有比較成熟的公式，對于一般的工程應用是可以滿足要求的。這些公式，在實現(xiàn)一般的工程要求的20～25 dB的回波損耗時，漸變長度要在一個波長量級，而且其漸變線的外形差別明顯減小。因此，為了盡量優(yōu)化漸變鰭線的性能，進一步提高電路帶寬，縮小插入損耗，需要對漸變鰭線進行優(yōu)化設計，為此采用了小反射理論方法進行計算［5-7］。

漸變鰭線看作是多節(jié)的階梯鰭線，對多節(jié)變換器作近似分析。設負載阻抗ZL通過電長度為βL=θ且特性阻抗為Z2傳輸線的中間段接到特性阻抗為Z1的傳輸線上，如圖3所示。每一個接頭處的反射系數(shù)為

傳輸系數(shù)為

圖3　漸變鰭線多次反射示意圖

設入射波的振幅為1，總的反射波的復振幅為Γ，它等于總的反射系數(shù)。當入射波投射到第1個接頭時，產(chǎn)生一個振幅為Γ1的部分反射波。而振幅為T21的傳輸波則入射到第2個接頭處。其中的一部分被反射，即有一個振幅為Γ3T21e－2jθ的波自右邊入射到第1個接頭處。而此波的一部分以振幅T12T21Γ3e－2jθ向前傳輸，另一部分以振幅Γ2Γ3T12T21e－2jθ反射回負載ZL。振幅為Γ的總反射波，是通過第1個接頭處向左邊傳輸?shù)乃懈鞑糠植ǖ目偤汀４撕蜑?/p>

n=0求這個幾何級數(shù)的和，不難得到

用1 +Γ2=1－Γ1代替T12，用1 +Γ1代替T21得

若Γ1和Γ3都比1小得多，則上式很好地近似為

此結果表明，在小反射時，總的反射系數(shù)正好是只考慮一次反射時所得到的反射系數(shù)。

由此可以得出非TEM漸變鰭線輸入反射系數(shù)表達式為

式中

不同槽縫鰭線對應的傳播常數(shù)可以借助微波仿真軟件HFSS進行參數(shù)掃描計算得出，之后用數(shù)值的方法對漸變鰭線電路的總反射系數(shù)進行優(yōu)化計算，最終得到最優(yōu)的漸變鰭線。

實際設計中選用Rogers公司的RT5880介質(zhì)基板進行了仿真計算，其具體參數(shù)為介電常數(shù)2.22，厚度0.254 mm，傳輸線表面鍍金3 μm。進行了實際加工和無源測試，測試結果與仿真結果的對比如圖4所示?？梢钥闯?，漸變鰭線在相對帶寬大于25%頻段內(nèi)輸入回波損耗都在－10 dB以下，測試曲線與仿真結果趨勢是一致的，說明該設計方法是可行的。

圖4　漸變鰭線S參數(shù)隨頻率的測試與仿真比較

1.3 MMIC裝配

在X波段市面上的功放芯片MMIC生產(chǎn)廠家比較多，綜合各方面考慮選擇了mimix公司的XP1006。該功率芯片飽和輸出功率40 dBm，增益19dB。該芯片是靜電敏感器件，使用過程要進行熱沉設計。

由于功率芯片MMIC的靜電敏感和大功率特性，其裝配工藝要求比較高，需選擇恰當?shù)难b配工藝并在專門的凈化間內(nèi)進行。矩形波導空間功率合成器中，漸變鰭線微帶板與托架的粘結采用真空釬焊。MMIC的裝配首先焊接到鉬銅襯底上，之后帶有襯底的MMIC焊接到微帶板和托架上，進行金絲鍵合后完成整體的裝配。裝配好的矩形波導空間功率合成器如圖5所示。

2　結果與分析

采用SMR20信號源和E4417A功率計，對矩形波導空間功率合成器進行測試，測試條件為:脈沖調(diào)制的射頻信號，重復頻率為1 kHz，脈寬100 μs，MMIC漏極電壓8V，柵極電壓－5 V。

首先將射頻信號源頻率固定在中心頻率f0，增大輸入信號的功率，空間功率合成器的輸出功率的測試結果如圖6所示。結果表明，在輸入功率27 dBm時，輸出功率達到飽和44.15 dBm。

圖6　中心頻率時合成器Pout-Pin曲線

圖7　輸入功率27 dBm時合成器Pout-頻率曲線

將輸入功率固定為27 dBm，對工作頻率全帶寬進行測試，測試結果如圖7所示。在整個頻帶內(nèi)輸出功率都在44 dBm以上，合成效率在70%以上，在頻率高端和頻率低端的合成效率比中間頻率偏低，而輸出功率在頻率兩端偏高，這是由于功率芯片在頻帶內(nèi)輸出功率的起伏造成的。

3　結束語

利用小反射理論和譜域計算方法，對漸變鰭線電路進行了優(yōu)化設計，實現(xiàn)了超寬帶、低損耗的漸變鰭線過渡電路，并應用于矩形波導空間功率合成器，在X波段研制了合成效率、帶寬等性能優(yōu)良的微波固態(tài)功率合成器。對于雷達等通訊系統(tǒng)在小型化、高效率、高功率等方面的發(fā)展具有積極的推進作用，并可推廣其在毫米波等更高頻段上功率合成技術的工程應用。

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Design of a spatial power combiner for rectangular waveguide

AN Shi-quan1，ZHANG Hong-chuan2，ZHANG Rui1
(1.No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088; 2.Yangzhou Blue Sword Electronic System Engineering Corporation，Yangzhou 225000)

Abstract:The working principle of the spatial power combining technology for the rectangular waveguide is introduced.Based on the theory of small reflections and the spectral domain approach(SDA)，the tapered fin-line transition circuit is optimized through the microwave simulation software，which effectively improves the bandwidth of the working frequency and the combining efficiency.The spatial power combining system of the double antipodal fin-line is realized at X band.The results show that within the relative bandwidth of more than 25%，the combining efficiency is over 70% and the output power is more than 25 W.

Keywords:rectangular waveguide; spatial power combining; tapered fin-line; MMIC

作者簡介:安士全(1977-)，男，高級工程師，碩士，研究方向:固態(tài)收發(fā)技術;張洪川(1992-)，男，研究方向:電子信息技術;張瑞(1977-)，男，高級工程師，碩士，研究方向:固態(tài)收發(fā)技術。

收稿日期:2014-09-14

文章編號:1009－0401(2015)01－0042－04

文獻標志碼:A

中圖分類號:TN925