一種新型四路毫米波空間功率合成技術

1 引言

大功率毫米波源是毫米波雷達、通訊、干擾機、精確武器制導系統中發射前端的核心部件。固態器件以直流電壓低、可靠性高、抗沖擊性能強、電路結構緊湊、尺寸小、重量輕而倍受重視。然而隨著頻率升高，單個固態器件的功率輸出就會迅速減少，難于滿足實際應用要求。通過組合多個相干工作固態器件或疊加多個分離器件輸出功率的功率合成方法是提高毫米波系統輸出功率的有效方法,得到非常廣泛的應用。

本文提出了基于波導的四路空間功率合成網絡，這種結構可以很好的保證功率等幅同相四等分。同時，以波導作為輸入和輸出，可以減少在輸出高功率能量時的損耗。利用三維電磁仿真軟件HFSS進行仿真結果顯示，在31GHz-38GHz的范圍內，功分網絡的四路幅度不平衡度小于0.05dB，相位也取得了很好的一致性，并且輸入端的回波損耗小于-20dB。整個合成網絡的輸入和輸出端的回波損耗也小于-12dB，插入損耗小于0.6dB。

2 功率分配器設計

基于波導的四路功率分配器的基本結構如圖1所示，由于T型結功率分配網絡本身是不匹配的，需要在分支接頭處放入適當的匹配元件來調節各端口的匹配情況。本文在分支接頭處增加了一個起匹配作用的不連續性結構，改變該結構可以調節該功率分配網絡的中心頻率和帶寬。由于功率分配器是對稱的，4個輸出端口的幅度和相位均一致。

圖1 四路功率分配結構

功率分配器通過HFSS仿真的結果如圖2所示：

(a) 幅度

(b) 相位

圖2 功率分配器的仿真結果

從圖2中可看出，四路功率分配器可以在寬頻帶內實現功率分配，且輸入端口回波損耗小于-15dB。同時，由于功分網絡的對稱性，其相位一致性很好。

3 功率合成網絡設計

探針式波導-微帶過渡是毫米波平面集成電路中應用最為廣泛的一種過渡結構，根據微帶電路平面與波導中波傳播方向的關系不同可分為兩種結構形式，一種是微帶電路平面與波導中波的傳播方向垂直，如圖3所示；另外一種是微帶電路平面與波導中波的傳播方向平行，如圖4所示。

本文采用圖4所示的微帶平面與波傳播方向平行的結構實現Ka波段波導-微帶的過渡。在這種結構利用一段起耦合作用的微帶探針把波導中的電磁場耦合到微帶中，并經過一段高阻抗線過渡到50Ω微帶線。采用適當的耦合尺寸以減小微帶電路對波導內部電場的影響。

圖3 微帶平面與波傳播方向垂直

圖4 微帶平面與波傳播方向平行

四路功率合成網絡的模型如圖5所示：

圖5 四路功率合成網絡的模型

首先，四路等功率分配網絡把波導能量等分到四路減高波導，然后通過波導-微帶探針過渡，經四路功率合成網絡實現功率合成。仿真結果如圖6所示：

圖6中可看出，在31GHz-38GHz的頻率范圍內，合成網絡背靠背仿真的輸入和輸出端口回波損耗小于-12dB，插入損耗小于0.6dB。

圖6 功率合成器仿真結果

4 結論

本文提出了一種適用于毫米波頻段的基于波導的四路空間功率分配/合成網絡。該網絡利用矩形波導作為輸入和輸出端口，通過一分四功率分配結構進行功率分配/合成。經HFSS軟件仿真和優化，該結構呈現出極低的插入損耗和回波損耗，是一種具有實用價值的功率合成結構。