寬帶大功率徑向波導功率合成器設計

摘 要：平行板徑向波導功率合成器具有工作頻帶寬，低插入損耗，與放大器和傳輸線匹配良好，端口隔離度較高，功率容量大等特點。設計了一個1.5 kW寬帶6路徑向波導功率合成器，CST軟件仿真結果表明：該合成器在駐波比小于1.1的情況下，其工作頻帶為1.35~3.3 GHz，合成效率達到96%。

關鍵詞：寬帶大功率微波；徑向波導；功率合成；VSRW；CST

中圖分類號：TN73 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)11-097-03

Design of Broadband High Power Parallel-plate Radial-waveguide Combiner

ZENG Xiaobo，GE Qing

(Hunan Vocational Institute of Technology，Xiangtan，411104，China)

Abstract：Parallel-plate radial-waveguide combiner has the properties of broad bandwidth，low insertion loss，good matching to amplifiers and transmission lines，good isolation between the ports and high power capacity.In this paper，a 6-ways broadband radial-waveguide combiner with output power of 1.5 kW is presented.The CST simulation results show that this combiner achieves broad operating band，which cover 1.35~3.3 G，with a SWR less than 1.1.Across the passband，a high combine efficiency reaches 96%，and the isolation greater than 7 dB.

Keywords：broadband high power microwave;radial-waveguide;power combine;VSRW;CST

1 引 言

高功率合成器要求合成器功率容量大、工作頻帶寬、各端口隔離度大。微波毫米波功率合成技術主要可以分為^[1，2]：

(1) 器件級(或芯片級)合成

一定數量的器件(典型的使用二極管)被組合到一起用于放大，通常其尺寸遠小于波長。然而其物理尺寸限制了合成效率，更加嚴重的是其隔離度差^[3，4]。

(2) 線路級功率合成

在電路級功率合成中，器件被不小于波長的距離隔開，因而比芯片級可以容納更多的器件用于功率合成，電路級功率合成又分為諧振和非諧振合成器。典型的諧振型功率合成器^[5，6]基于矩形或者圓柱形腔體，被廣泛應用于窄帶功率放大器及振蕩器，但其相位噪聲，頻率穩定度較差，工作頻帶窄；非諧振型基于如：徑向波導^[7]、球形波導^[8]、脊波導\\[9\\]及微帶電路^[10，11]，合成器有較小的損耗，工作頻帶寬的優點。 

(3) 空間功率合成

空間功率合成器^[12，13]由輻射陣列構成，互相隔開便于微波在自由空間進行合成，這種技術在毫米波亞毫米波具有很大的潛力。

從以上分類分析可以看出徑向波導具有合成效率高、工作頻帶寬的優點，本文選擇徑向波導功率合成器進行分析。平面徑向波導的功率合成器由圓形腔體、外圍探針，中心探針組成。其中外圍探針由N個同軸線延伸到腔體內部，合成功率由中心探針通過同軸傳輸線輸出，其結構圖如圖1所示。

圖1 N路探針型徑向波導功率合成器

圖2 N路徑向波導內部圖

2 徑向功率合成器理論分析

Bialkowski利用場匹配理論分析了同軸-徑向波導接頭^[14-16]，本文詳細推導計算公式。

采用場匹配技術對徑向波導進行理論分析:

2.1 腔體中4個區域的場

Ⅰ區電場應該滿足邊界條件：

3) 場匹配

為了確定場散射系數，需要對切向場分量進行場匹配:



Ey5(r=Ra)=Ey1(r=Ra)，[WB]0 < y < B1

0，[DW]B1

Ey2(r=Ra)，[DW]B-B2

HΦ5(r=Ra)=HΦ1(r=Ra)， [KG*2/3][WB]0

HΦ2(r=Ra)，[DW]B-B2

Ey5(r1=Rc)=Ey3(r1=Rc)， [KG*2/3][WB]0

0，[DW]B3

Ey4(r1=Rc)，[DW]B-B4

HΦ5(r1=Rc)=HΦ3(r1=Rc)， [WB]0

HΦ4(r1=Rc)，[DW]B-B4



將式(1)~式(8)代入到4個等式可以求解出A，C的解集，再求出D1m，D2m，D3m，D4m，將它們代入得到場(1)~(4)的表達式：



I0=1g012π∫h0+g0/2h0-g0/2∫2π0HΦ(r=a)dΦdy

I1=1g112π∫h1+g1/2h1-g1/2∫2π0HΦ(r1=c)dΦdy



根據上面公式進行Matlab編程計算，再與仿真結果比較。

3 徑向波導功率合成器的仿真設計

利用CST對徑向波導功率合成器進行仿真設計，為了在腔體中傳輸主模，腔體高度小于在4 GHz的波長的一半，相鄰外圍探針的距離約等于中心頻率2.5 GHz的波長的一半，外圍探針到腔體的距離等于2.5 GHz波長的1/4。經過仿真優化其S參數如圖3、圖4所示。

圖3 徑向波導合成器S11

圖4 傳輸損耗和隔離度[LL]

其中隔離度由于外圍端口之間相對位置不一致而不同，工作頻帶內大于7 dB。

4 結 語

本文設計的寬帶高功率徑向波導功率和成器，在駐波比小于1.1情況下工作帶寬為1.35~3.3 GHz，合成效率大于96%。

參 考 文 獻

［1］Russell K J.Microwave Power Combining Techniques.IEEE Trans.，1979，27:472-478.

［2］Chang K，Sun C.Millimeter-Wave Power-Combining Techniques.IEEE，1983，31:91-107.

［3］Josenhans J G.Diamond as an Insulating Heat Sink for a Series Combination of IMPATT Diodes.Proc.IEEE，1968，56:762-763.

［4］Rucker C T，Hill G N.Symmetry Experiments with Four-Mesa IMPATT-Diodes.IEEE，1977，25:75-76.

［5］Harp R S，Stover H L.Power Combining of X-Band IMPATT Circuit Modules.IEEE，1973:118-119.

［6］Drubin C A，Hieber A L.A 1 kW peak，300W avg IMPATT Diode Injection Locked Oscillator.IEEE，1982:126-128.

［7］Sanders B J.Radial Combiner Runs Circles Around Hybrids.Microwaves，1980:55-58.

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［9］Oz M.Wideband Double-Ridged 8-Way Radial Combiner\\[C\\].14th European Microwave Conference Proceedings，1984:317-322.

［10］Saleh A A M.Planar Electrically Symmetric n-Way Hybrid Power Dividers/Combiners.IEEE Trans.，1980:555-563.

［11］Stones I，Goel J，Oransky G.An 18 GHz 8-Way Radial Combiner. IEEE，1983:163-165.

［12］Staiman D，Breese M E，Patton W T.New Technique for Combining Solid-State Sources.IEEE，1968:238-243.

［13］Robinson A W，Bialkowski M E.Quasi-Optical Amplifiers for Wireless LAN\\[C\\].Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings，1995:736-739.

［14］Bialkowski M E，Waris V P.Electromagnetic Model of a Planar Radial-Waveguide Divider/Combiner Incorporating Probes.IEEE Trans.，1993，41:1 126-1 134.

［15］Harrington R F.Time Harmonic Electromagnetic Fields\\[M\\].New York:McGraw-Hill，1961.

［16］Bialkowski M E.Analysis of Disc-trpe Resonator Mounts in Parallel Plate and Rectangular Waveguides.AEU，1984，38:306-311.

作者簡介

曾小波 男，1979年出生，助教，碩士生。研究方向為射頻電子學應用，微波器件仿真設計。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。