王 嘉 胡 蓓（西安導(dǎo)航技術(shù)研究所西安710068）

一種新型Ku波段波導(dǎo)-微帶功率合成器?

王 嘉 胡 蓓
（西安導(dǎo)航技術(shù)研究所西安710068）

采用HFSS電磁仿真軟件設(shè)計(jì)了一款新型Ku波段波導(dǎo)-微帶功率合成器，在12.7GHz~16.8GHz范圍內(nèi)波端口反射系數(shù)小于-20dB，微帶端口到波端口的插入損耗在3dB±0.1dB內(nèi)，相位差為180°±8°內(nèi)，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

Ku波段；功率合成器；波導(dǎo)-微帶過(guò)渡

1 引言

在高功率微波傳輸過(guò)程中，矩形波導(dǎo)由于其低損耗的特性，被廣泛應(yīng)用于天線前端、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、測(cè)試器件和低損耗部件中［1］。然而，目前大多數(shù)固態(tài)器件是基于平面電路應(yīng)用，其中很大一部分為微帶電路，因此微帶-波導(dǎo)過(guò)渡結(jié)構(gòu)成為了連接平面電路與波導(dǎo)系統(tǒng)一個(gè)必不可少的器件，一般來(lái)說(shuō)其需要滿足寬頻帶、裝配簡(jiǎn)單、低傳輸損耗和高發(fā)射損耗等條件［2］。

本文設(shè)計(jì)了一種Ku波段波導(dǎo)-微帶功率合成器，采用鰭線過(guò)渡結(jié)構(gòu)，其不僅具有寬頻帶波導(dǎo)-微帶過(guò)渡的特點(diǎn)，同時(shí)兼具功率合成的功能，在工程中具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

2 設(shè)計(jì)原理

鰭線結(jié)構(gòu)是一種便于制作毫米波混合集成電路的新型準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)［3］，實(shí)際使用的鰭線有四種結(jié)構(gòu)，它們是單面鰭線、雙面鰭線、對(duì)極鰭線以及單雙面絕緣鰭線［4］。

在毫米波混合集成電路中，一般采用對(duì)極鰭線來(lái)實(shí)現(xiàn)微帶到矩形波導(dǎo)的過(guò)渡，在這種結(jié)構(gòu)中，鰭線的槽寬逐漸變化到金屬波導(dǎo)的寬度［5］。對(duì)極鰭線的漸變形式包括指數(shù)線、余弦線、拋物線等［6］，其中余弦平方由于其便于機(jī)械加工，制造成本低等特點(diǎn)，使用最為普遍［7］。

余弦平方的設(shè)計(jì)公式為

式中，w為50ohm微帶線寬；Z為鰭線傳輸線的縱向坐標(biāo)；L為過(guò)渡段長(zhǎng)度。

經(jīng)典的波導(dǎo)-微帶對(duì)極鰭線過(guò)渡結(jié)構(gòu)如圖1所示。在整個(gè)過(guò)渡長(zhǎng)度內(nèi)，基片兩面的金屬鰭逐漸將波導(dǎo)口的電場(chǎng)逐漸轉(zhuǎn)化成微帶的TEM模［8］。1、2區(qū)的作用是將入射的TE10模旋轉(zhuǎn)90°，在交疊鰭區(qū)域傳播準(zhǔn)TEM模，此外，它還將波導(dǎo)的高阻抗轉(zhuǎn)化為微帶的低阻抗［9］。3、4、5區(qū)將對(duì)極鰭線轉(zhuǎn)變?yōu)槲?/p>

ClassNumber TN73線。為了消除諧振，可加入防諧振片S［10］，可將其等效為槽長(zhǎng)為L(zhǎng)1的槽線諧振器。

3 模型設(shè)計(jì)及仿真

針對(duì)波導(dǎo)-微帶功率合成器的實(shí)際使用頻率為Ku波段，使用HFSS三維電磁仿真軟件對(duì)模型設(shè)計(jì)、仿真及優(yōu)化。該模型主要由兩部分組成，一部分為Ku波段的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，另一部分為插入波導(dǎo)內(nèi)部的介質(zhì)板，其中兩個(gè)對(duì)極鰭線覆蓋在介質(zhì)板的上表面，背面覆蓋一層地板，地板由兩部分組成，一部分為鰭線形成的弧形區(qū)域，一部分為矩形區(qū)域。

波導(dǎo)的尺寸采用Ku波段BJ140標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)尺寸（15.799mm*7.899mm），介質(zhì)基板選擇介電常數(shù)為2.2的Rogers 5880，厚度為0.254mm，長(zhǎng)度為40mm，介質(zhì)基板距離波導(dǎo)壁k為3mm，根據(jù)實(shí)際的工作頻率12GHz~18GHz（中心頻率為15GHz）可計(jì)算出微帶線的寬度為0.76mm，鰭線間距為4.5mm，建立模型如圖2所示。

圖2 中，a、b分別為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的長(zhǎng)邊和短邊，t為微帶線的線寬，Wh為兩個(gè)鰭線之間的間距，k為介質(zhì)板距離波導(dǎo)壁的距離，Kcl為背面地板矩形部分的長(zhǎng)度。

其中，鰭線1、2的曲線均為余弦平方公式，鰭線3的曲線為余弦公式，最終模型仿真S參數(shù)結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）中可看出，波端口的反射系數(shù)在12.7GHz~16.8GHz頻帶范圍內(nèi)反射系數(shù)均在-20dB以下，說(shuō)明波端口匹配良好，能滿足寬頻帶的要求。由圖3可看出，微帶饋電端口到波端口的傳輸系數(shù)在3dB±0.1dB范圍內(nèi)浮動(dòng)，說(shuō)明其傳輸特性良好。微帶饋電端口的相位差如圖4所示。

由圖4中可以看出，端口的相位差在180°±8°范圍內(nèi)，能夠滿足工程的需要。

4 參數(shù)分析及優(yōu)化

由于微帶端口在傳輸過(guò)程中，主要依靠上層基片與地板之間的準(zhǔn)TEM波來(lái)傳輸［11］，因此場(chǎng)的能量主要集中在基片區(qū)域，但會(huì)有少部分存在于基片上方的空氣區(qū)域［12］。圖5為微帶橫截面處的電場(chǎng)分布圖。

由圖5可以看出，微帶鰭線之間的間距以及地板的形狀會(huì)對(duì)此波導(dǎo)-微帶功分器的電磁特性產(chǎn)生比較大的影響［13］，通過(guò)HFSS的優(yōu)化參數(shù)分析，鰭線間距Wh的優(yōu)化仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，Wh在小于4mm的時(shí)候，波端口失配比較嚴(yán)重，在高于4mm之后，整個(gè)頻帶內(nèi)迅速產(chǎn)生諧振，這是因?yàn)樵趦蓚€(gè)微帶端口距離較近的時(shí)候，微帶端口之間耦合比較嚴(yán)重，導(dǎo)致波端口的能量反射比較厲害，從而使其失配比較嚴(yán)重，反射系數(shù)比較差。但是，也不能間距過(guò)大，這會(huì)導(dǎo)致鰭線距離波導(dǎo)壁過(guò)近，端口與波導(dǎo)壁產(chǎn)生一定的耦合，導(dǎo)致傳輸系數(shù)變差，因此最終選擇Wh為4.5mm這一組數(shù)據(jù)。

圖7 為優(yōu)化地板矩形面積的結(jié)果，由圖中可以看出當(dāng)kcl為零時(shí)，沒有矩形部分，此時(shí)全頻帶內(nèi)波端口反射系數(shù)很差，在l/6的時(shí)候，達(dá)到最佳，因此最終我們kcl的長(zhǎng)為l/6。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款Ku波段波導(dǎo)-微帶功率合成器，在12.7GHz~16.8GHz范圍內(nèi)S11￡-20dB，插入損耗在3dB±0.1dB內(nèi)，相位差為180°±8°范圍內(nèi)，它不僅具有寬頻帶內(nèi)波導(dǎo)微帶過(guò)渡的特點(diǎn)，同時(shí)完成了功率合成的功能，在大功率合成中具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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A New Ku-band W aveguide-m icrostrip Power Com biners

W ANG Jia HU Bei
（Xi?an Navigation Technology Research Institute，Xi?an 710068）

A new Ku-band waveguide-m icrostrip power combiners has been designed by HFSS，for the wave port S11 ￡-17dB in 12.7GHz~16.8GHz，themicrostrip S12 and S13 are in 3dB±0.1dB，phase difference is in 180°±8°，which is really use?ful in practice.

Ku-band，power combiner，waveguide-microstrip

TN73

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.031

2016年11月8日，

2016年11月27日

王嘉，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：高功率微波傳輸。