一種新型四路毫米波空間功率合成技術(shù)

1 引言

大功率毫米波源是毫米波雷達(dá)、通訊、干擾機(jī)、精確武器制導(dǎo)系統(tǒng)中發(fā)射前端的核心部件。固態(tài)器件以直流電壓低、可靠性高、抗沖擊性能強(qiáng)、電路結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕而倍受重視。然而隨著頻率升高，單個(gè)固態(tài)器件的功率輸出就會(huì)迅速減少，難于滿足實(shí)際應(yīng)用要求。通過(guò)組合多個(gè)相干工作固態(tài)器件或疊加多個(gè)分離器件輸出功率的功率合成方法是提高毫米波系統(tǒng)輸出功率的有效方法,得到非常廣泛的應(yīng)用。

本文提出了基于波導(dǎo)的四路空間功率合成網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)可以很好的保證功率等幅同相四等分。同時(shí)，以波導(dǎo)作為輸入和輸出，可以減少在輸出高功率能量時(shí)的損耗。利用三維電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真結(jié)果顯示，在31GHz-38GHz的范圍內(nèi)，功分網(wǎng)絡(luò)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(gè)合成網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)

基于波導(dǎo)的四路功率分配器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于T型結(jié)功率分配網(wǎng)絡(luò)本身是不匹配的，需要在分支接頭處放入適當(dāng)?shù)钠ヅ湓?lái)調(diào)節(jié)各端口的匹配情況。本文在分支接頭處增加了一個(gè)起匹配作用的不連續(xù)性結(jié)構(gòu)，改變?cè)摻Y(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)該功率分配網(wǎng)絡(luò)的中心頻率和帶寬。由于功率分配器是對(duì)稱的，4個(gè)輸出端口的幅度和相位均一致。

圖1 四路功率分配結(jié)構(gòu)

功率分配器通過(guò)HFSS仿真的結(jié)果如圖2所示：

(a) 幅度

(b) 相位

圖2 功率分配器的仿真結(jié)果

從圖2中可看出，四路功率分配器可以在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率分配，且輸入端口回波損耗小于-15dB。同時(shí)，由于功分網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱性，其相位一致性很好。

3 功率合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

探針式波導(dǎo)-微帶過(guò)渡是毫米波平面集成電路中應(yīng)用最為廣泛的一種過(guò)渡結(jié)構(gòu)，根據(jù)微帶電路平面與波導(dǎo)中波傳播方向的關(guān)系不同可分為兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是微帶電路平面與波導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Ka波段波導(dǎo)-微帶的過(guò)渡。在這種結(jié)構(gòu)利用一段起耦合作用的微帶探針把波導(dǎo)中的電磁場(chǎng)耦合到微帶中，并經(jīng)過(guò)一段高阻抗線過(guò)渡到50Ω微帶線。采用適當(dāng)?shù)鸟詈铣叽缫詼p小微帶電路對(duì)波導(dǎo)內(nèi)部電場(chǎng)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(wǎng)絡(luò)的模型如圖5所示：

圖5 四路功率合成網(wǎng)絡(luò)的模型

首先，四路等功率分配網(wǎng)絡(luò)把波導(dǎo)能量等分到四路減高波導(dǎo)，然后通過(guò)波導(dǎo)-微帶探針過(guò)渡，經(jīng)四路功率合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功率合成。仿真結(jié)果如圖6所示：

圖6中可看出，在31GHz-38GHz的頻率范圍內(nèi)，合成網(wǎng)絡(luò)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(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了一種適用于毫米波頻段的基于波導(dǎo)的四路空間功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)利用矩形波導(dǎo)作為輸入和輸出端口，通過(guò)一分四功率分配結(jié)構(gòu)進(jìn)行功率分配/合成。經(jīng)HFSS軟件仿真和優(yōu)化，該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出極低的插入損耗和回波損耗，是一種具有實(shí)用價(jià)值的功率合成結(jié)構(gòu)。