一种Ka波段开槽波导空间功率合成器的设计

摘要：设计了一种结构简单，容易制造的开槽波导功率分配器／合成器。该合成器采用锥形微带线一波导的过渡结构，每路微带线传输部分由小腔体进行隔离。通过CST仿真软件，设计了一个中心频率为35 GHz的Ka频段的功率合成器。仿真结果显示，该结构回波损耗小于-20 dB时的带宽达近500 MHz，且插入损耗小于0．1 dB。可见，具有极低的插入损耗和较低的回波损耗。
关键词：空间功率合成；开槽波导；功分器；CST

0 引言
    当前，在本地多点分配业务这种无线通信系统中，越来越多地用到毫米波段。基站发射机需要中、高功率的固态功率放大器。尽管目前在高频半导体技术和芯片制作方面取得不小的进展，但是毫米波设备仍然受制于它们的最大输出功率。目前，市场上可以买到的毫米波段功率放大器芯片MMIC一般只有几瓦的输出功率，因此要获得足够高的输出功率，需用好几片MMIC进行合成。
    空间合成器因为其较低的插入损耗和更高的合成效率，从而比传统的电路合成更受欢迎，它们的合成效率与用于合成的芯片数量有关。在制作时，合成电路应尽可能紧凑，但是实际尺寸却受芯片大小、偏置电路、散热等方面的影响。
    本文介绍的空间功率合成方案，采用开槽矩形波导与多路锥形微带线耦合的方案。该方案中，开槽矩形波导的结构比较简单，容易制作，尺寸也不大，而且散热很好。在制作10～33 GHz的功率放大器时备受推崇。这种方式构建的放大器，维修起来也很容易，若要获得更大的合成功率，只需要使用较大功率的芯片代替某路原有芯片即可。当然，这些高频段的芯片体积都很小，在装配时必须非常小心。

1 工作原理与结构
    开槽波导空间合成器的工作原理和开槽波导功分器的外形如图1所示。信号从波导口输入，通过开在波导宽边或窄边上的纵向槽耦合到微带线中实现功分，经过放大器放大后的信号再由微带到槽耦合后合成。

    开槽波导功分器按能量在波导中的传播方式不同可分为行波式和驻波式。行波工作方式下，可在波导终端填充吸收材料，避免在波导内形成驻波，耦合槽的位置无特别要求；在驻波工作方式下，波导终端短路，能量在波导中呈驻波分布，耦合槽应开在电场的波腹位置。
    这两种工作方式下，能量在波导内的分布不同也带来了耦合系数设置的不同。以4路功分为例，为得到等功率分配，驻波工作方式各路的耦合系数相同。都是1／4；行波工作方式下能量在波导内传输时逐级递减，耦合系数的设置为第1路1／4，第2路1／3…第4路应保证耦合系数为1。
    本文最终采用的功分器方案为驻波式，开槽方式为波导边侧开槽。波导槽位置、尺寸的初始值可以由如下方式确定：
    方法一：借鉴波导裂缝阵天线的设计方法，引入分布参数等效电路，其等效图如图2所示。

    忽略槽间互耦影响，每个耦合槽带来的不连续性用并联在传输线上的一对复阻抗单元等效。如图3所示。电导GK与电纳BK分别代表第K个耦合槽带来的不连续性；Y0为波导特性导纳；LK(K=1，2，…，N)为第K个波导即微带过渡单元中心和第(K+1)个波导即微带过渡单元中心的距离。那么每一节波导部分的合导就是：
   
    在特定频率下，阻抗单元的虚部消失，表现为纯电导，即耦合槽的辐射电导。谐振长度的寻找可通过CST仿真来实现。以开槽长度为优化参数，Im Y11为优化目标，当Im Y11=0时，长度就是此时的谐振长度。

    为使槽与波导达到良好匹配而降低驻波，开槽单元的电导必须满足以下条件：

    式中：；x为耦合槽偏离波导，中心线的距离；a，b为波导尺寸。因为4路等功率分配，gi均取1／4，则根据上式可近似得到4路耦合槽相对波导中心距离。
    开槽宽度根据击穿强度确定，在开槽的中心部位，槽边之间的电压达到最大值，此处应有击穿电压3～4倍的余量。在耦合系数相同的情况下，每个耦合槽上分担的辐射功率是相同的，则每个槽上的最大电压为：

    式中：Enp为发生击穿时的电场强度，由此可得最小槽宽。实际上，槽宽还必须兼顾加工的难易程度，若槽宽太小，则无法用常规机械加工手段实现。通过以上分析推导，可得波导开槽的尺寸、位置初始值。
    方法二：波导槽位置、尺寸的设计可用全波分析方法对整个功分合成器建模，然后进行迭代求解。但由于结构过于复杂，这种方法将耗费大量机时。理想的功率分配／合成网络要求每一个分配和合成单元都有相同的放大幅度和相位。对于每个单一的波导——微带过渡单元来说，设计的目标是达到恰当的波导到微带的耦合。这可以通过调整锥形微带线外形、开槽宽度、长度和它距离波导边的距离来获得。而整个分配／合成网络就可以通过级联N个波导——微带的过渡单元来实现。
    基于该方法，一个4路的功率分配／合成网络就可以设计出来了。这个网络可以等效为4个波导即微带过渡单元的级联。每个单元都包含一个波导宽边的径向槽和一个锥形微带线。因此该网络的设计就可以简化为单个的波导——微带过渡单元的设计。
1．2 开槽波导空间合成器的结构
    开4个槽的波导功率合成器拓扑图如图3所示。它由4个开在输入波导同一E面的槽组成，这些槽将输入功率分为4路同相等幅的信号。每路信号耦合进入锥形微带线后，馈入固态功率放大器件，放大后的信号由具有同样槽的输出波导合成。在每个波导最后一个槽后放置短路面，距槽中心距离为1／4波长的奇数倍。

2 建模仿真
    先分析锥形微带线到波导的过渡并进行仿真，得到相关参数的初步结果，尺寸如图4所示。

    假设四路功分器彼此隔离，标准波导BJ-320的壁厚1 mm，波导长度为5个波长，在该波导E面开一槽，距波导侧面h2，槽长l，槽宽w。短路面距槽中心距离为3λ／4，λ为波导波长，这里λ是理论值，实际工作中有所出入可以通过仿真优化得到最优值。基片使用介电常数相对较小的Duroid5880(εr=2．2)，厚度0．254mm。
    4 路功分器结构在CST中的仿真模型及电场分布图如图5，图6所示。

    仿真目标是每个输出端口有相同的输出功率，即-6 dB的插损；信号相位一致，在开槽波导中，槽的不连续性使得电磁波在波导中的相速发生改变，使得最后输出相位不一致，所以相位的调节只能依赖于调整功率分配单元之间的距离和微带线长度来实现。驻波式功分器，波导上缝隙之间的间隔必须等于半波长的整数倍，考虑到振荡的影响和偏置电路的安放空间，本文选取一个波长作为缝隙间距，但需要对其进行优化。各参数取值如表1所示。

    仿真结果如图7，图8所示。由图可以看出，在34．3～35．3 GHz频段幅度一致性和相位一致性较好。

    两个功分器背靠背相连构成功分-放大-合成网络时存在两种方式：对称式和反对称式，其结构示意图如图9，图10所示。其中图9为对称式，图10为反对称式。

    比较图11和图12，反对称式背靠背结构传输系数在频率高端优于对称式结构，这是由于反对称结构在功率合成时可以对功分带来的相位不平衡进行一定的补偿。

3 结语
    本文主要研究了具有锥形耦合微带线的开槽波导功率分配器／合成器，其优势在于将功分与波导-微带转换同时完成，有效降低了系统损耗，减小了体积(理论上尺寸只有53 mm×21 mm×8 mm)。目前，雷达、通信、航天测控和精确制导系统迫切需要大功率毫米波固态源，功率从数瓦到数十瓦，甚至数百瓦以上，这必将促进毫米波功率合成技术的快速发展。