韓來輝，楊曉峰

(中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047)

0 引言

隨著半導體器件的快速發(fā)展，高功率發(fā)射機作為雷達、航天測控及電子對抗等系統(tǒng)的重要組成部分，因具有體積小、效率高、工作電壓低、壽命長和可靠性高等優(yōu)勢，固態(tài)發(fā)射機在中低功率逐漸取代了原有的真空管發(fā)射機。但因為固態(tài)放大器單管輸出功率的限制，目前很難滿足高功率輸出的要求，功率合成技術成為固態(tài)高功率發(fā)射機有效途徑[1-2]。因此研制一種低傳輸損耗、高幅相一致性的高功率合成器成為固態(tài)高功率發(fā)射機的關鍵。

本文設計了一種新型徑向波導大功率寬頻帶合成器，該合成器輸入輸出探針采用結構緊湊的圓柱體加載圓錐阻抗?jié)u變的結構形式，有效地解決整個工作頻帶的端口良好阻抗匹配，實現(xiàn)較高的合成效率。

1 合成器的選擇

功率合成技術包含器件級(或芯片級)、電路級和空間功率合成。其中，電路級功率合成多采用二進制功率合成和多路徑向功率[3]或者二者結合的合成方式。多路徑向功率合成器具有傳輸損耗和回波損耗低，體積緊湊等優(yōu)勢，但端口隔離差。四端口二進制合成器具有低傳輸損耗、高端口隔離、高功率容量的優(yōu)點，但涉及多級合成相對徑向合成傳輸損耗、體積大[4]。二者在電路功率合成工程應用中有著各自的優(yōu)勢，可根據(jù)工程實際應用的需求靈活應用[5]。

1.1 設計需求

合成器的主要技術指標要求為：

①工作頻段：2.0～2.2 GHz；② 合成效率：≥90%；③ 回波損耗：≤-20 dB；④ 功率容量：≥500 W(CW)；⑤ 輸入接口：N-K型；⑥ 輸出接口：標準波導BJ22。

1.2 高功率合成器的選擇

S頻段固態(tài)高功放采用多模塊功率合成后需經(jīng)高功率諧波濾波器[6]、接收頻帶噪聲抑制濾波器[7]以及濾波器級間匹配等器件，避讓引入傳輸損耗。同時根據(jù)功放輸入、輸出接口形式要求，需要考慮設備成本，兼顧輸出功率一定的余量。

1.2.1 四路功率合成方案

現(xiàn)有S頻段400 W固態(tài)功放采用4路徑向功率合成器合成方式，合成器接口形式為：輸入N型陰頭，輸出為IF70Q。通過4個150 W固態(tài)功率放大模塊合成輸出功率大于532 W(57.26 dBm)，因合成器輸出接口為IF70Q，依據(jù)任務書發(fā)射機機輸出接口為標準波導BJ22，同時合成器輸出功率大于500 W(CW)，濾波組件和隔離器采用波導形式因此合成器需連接波導轉同軸(IF70Q/BJ22轉換)，經(jīng)過理論計算和工程驗證滿足設計要求，如圖1所示。其中4路徑向合成器仿真模型如圖2(a)所示，傳輸損耗、回波損耗仿真結果如圖2(b)所示。

圖1 4路功率合成發(fā)射機增益分配Fig.1 Gain distribution diagram of 4-way power synthesis transmitter

(a)4路徑向功率合成器模型

(b)功率合成器的仿真結果

1.2.2 三路功率合成方案

基于功率放大器通過芯片級合成可實現(xiàn)輸出連續(xù)波功率大于200 W的現(xiàn)狀，S頻段400 W固態(tài)功放擬采用3路徑向大功率合成方式，同時根據(jù)整機輸出接口、濾波組件、隔合成器接口，合成器輸出接口形式為波導BJ22。通過3個200 W固態(tài)功率放大模塊合成輸出功率大于512 W(57.1 dBm)，合成后經(jīng)過濾波組件和隔離器，經(jīng)過理論計算滿足設計要求，如圖3所示。

圖3 3路功率合成發(fā)射機增益分配Fig.3 Gain distribution diagram of 3-way power synthesis transmitter

綜上所述：以上2種方案均能實現(xiàn)工程需要，結合功率放大器輸出功率、整機輸出接口形式的需要，減少傳輸饋線復雜度、損耗和設備成本的實際情況，擬采用3路徑向合成方案。

2 徑向波導合成器

2.1 合成器理論及結構

徑向功率合成器主要由圓柱形波導腔、輸出加載中心探針、輸入加載外圍探針和加載介質組成，可用rφz極坐標來描述，波導橫截面為φz，r為信號傳輸方向，b為波導腔的高度，如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4 徑向波導結構Fig.4 Radial waveguide structure

2.2 電磁分析

利用電磁場對徑向合成器求解，假設圓柱形波導腔壁為理想導體，介電常數(shù)為ε和磁導率為μ理想介質[8]。其波函數(shù)滿足的亥姆霍茲方程：

在徑向波導中的E模中，當m=n=0時(主模TEM模)，由上述TEM波的解的電磁分量為：

由上式得，徑向波導的TEM模電場僅有沿z方向上的分量，在半徑r圓周上的電場相同；φ方向的只有磁場分量，在半徑為r的圓周上磁場相同，方向在圓周切向上[9]。因此，徑向波導TEM模的電磁場軸向對稱性，為功率合成微波網(wǎng)絡提供了理論依據(jù)。

2.3 電磁場計算

根據(jù)比爾科夫斯基分析結論[10]、工作頻率和電磁場理論可得到徑向功率合成器結構件初始參數(shù)值，徑向波導腔體高度h1小于1/2中心工作頻率波長；輸入加載探針之間的距離L約為1/2中心工作頻率波長，輸入加載探針圍繞徑向波導腔中心以半徑r均勻分布，輸入加載探針的結構形式、尺寸一致[11]；輸入加載探針距離腔體內壁的距離h2約為1/4中心工作頻率波長。輸入輸出探針加載方式主要有：圓錐體加載、縫隙饋電圓盤加載、圓盤加載、絕緣材料加載等，探針加載形式根據(jù)功率合成器的工作頻率、帶寬、傳輸和回波損耗等技術指標要求來選擇。

2.4 同軸到矩形波導的過渡轉換

矩形波導同軸轉換[12]由矩形波導腔體、加載探針、加載介質以及匹配結構等組成。

矩形波導轉同軸根據(jù)電磁場理論可確定加載探針距離波導短路面約為1/4中心工作頻率，輸入探針加載方式同徑向合成器探針加載方式，通過調整探針的插入波導內部的深度h、探針加載形狀及距離波導短路面的距離L實現(xiàn)傳輸線工作頻段內良好匹配，實現(xiàn)矩形波導TE10模式與同軸TEM波模式的轉換。

2.5 電磁場仿真

依據(jù)徑向功率合成器和波導同軸轉換的結構形式，輸入為N型接口，輸入加載探針采用錐形加圓柱形式，輸出為BJ22標準波導[13]。在電磁仿真軟件Ansys HFSS[14]中建立徑向合成器的模型，模型如圖5(a)所示。結合機械加工實際情況進行了仿真并對具體參數(shù)進行了優(yōu)化設計，實現(xiàn)了整個工作頻段內良好匹配，仿真結果表明：該徑向功率合成器在工作頻段2～2.2 GHz內，回波損耗優(yōu)于-23 dB，傳輸系數(shù)優(yōu)于-4.8 dB。仿真模型和仿真結果如圖5(b)所示，常溫常壓下空氣中擊穿電場強度約為30 kV/cm[15]，對徑向功率合成器輸入端輸入功率設置200 W，腔體內電場強度仿真結果和相位仿真如圖6所示，內部場強最大僅為0.56 kV/cm，不會出現(xiàn)腔體內部打火的現(xiàn)象，滿足工程設計要求。

圖5 3路徑向合成器模型及仿真結果Fig.5 3-way radial combiner model and simulation results

圖6 徑向功率合成器的場強仿真結果Fig.6 Simulation results of field strength of radial power synthesizer

3 結束語

依據(jù)工程研制的需要，結合固態(tài)功放末級管輸出功率的現(xiàn)狀，基于三維電磁仿真軟件Ansys HFSS對徑向功率合成建模，輸入接口為N型、輸出接口為標準波導BJ22，實現(xiàn)了大功率徑向功率合成器和波導轉換的一體化設計，有效地改善了復雜的饋線系統(tǒng)。根據(jù)仿真結果對該款大功率徑向合成器進行了機械加工，通過簡單的機械裝配和合理的公差配合，并對其進行了測試，在設計的工作頻段范圍內，獲得了優(yōu)良的傳輸、回波損耗以及幅相一致性，同時該款大功率徑向功率合成器為后續(xù)研制S頻段功放設備打下了技術基礎，同時為多路功率合成和其他頻段功放設備功率合成提供了參考和借鑒。