一種基于徑向波導的K波段寬帶功率合成器

楊冬， 尹震峰， 蔣開創

（1.空駐上海航天局軍代表室，上海 200090；2.上海無線電設備研究所，上海 200090）

一種基于徑向波導的K波段寬帶功率合成器

楊冬1， 尹震峰2， 蔣開創2

（1.空駐上海航天局軍代表室，上海 200090；2.上海無線電設備研究所，上海 200090）

設計了一種基于徑向波導的K波段四路寬帶功率合成器。為了加工方便以及提高徑向波導功率合成器的功率容量，通過矩形波導將信號饋入徑向波導，同時在徑向波導底部采用漸變阻抗過渡實現阻抗匹配。仿真結果表明：該結構的徑向波導合成器頻帶寬、合成效率高，且具有功率容量大、散熱好、容易加工裝配等特點。

徑向波導；功率合成器；矩形波導

0 引言

隨著微波毫米波技術在雷達、通信等領域的迅速發展，對高效率功率放大器的要求越來越高。目前，在單個固態器件輸出功率有限的情況下，普遍采用功率合成技術提高輸出功率。功率合成器的損耗直接決定著合成效率，在眾多的功率合成器結構形式中，徑向波導功率合成器具有損耗低、散熱好等優點，已逐漸成為當前功率合成技術研究的方向之一[1-2]。

本文基于徑向波導結構設計了一種K波段寬帶功率合成器，該結構采用了WR42標準矩形波導將信號饋入徑向波導，利用徑向波導實現了四合一功率合成器。同時，為了獲得更寬的帶寬，在徑向波導底部采用漸變阻抗過渡實現阻抗匹配。仿真設計結果表明，在K波段范圍內，該結構的合成器能夠實現端口回波損耗大于20 dB、工作帶寬大于23.3%，同時能夠實現較高的合成效率和較小的體積，具有微波毫米波寬帶大功率合成應用的潛力[3]。

1 原理與結構

1.1 徑向波導的場分析

徑向波導是一種非均勻傳輸線，由上下兩個圓片組成，設徑向波導壁為理想導體，波導內為介電常數ε和磁導率μ的無損理想介質，波導結構如圖1所示[4]。圖中：Er為波導徑向；r為波導半徑；Φ為旋轉角度且逆時針方向為正方向；b為波導腔體的高度。

圖1 徑向波導結構示意圖

與平行板傳輸線和同軸波導一樣，徑向波導中也存在TEM模式，電磁分量為

電場無Er向分量只有z向分量，在半徑為r的圓周上電場相同；磁場無Er向分量只有Φ向分量，在半徑為r的圓周上磁場大小相等，方向沿圓周相切，故為柱面TEM模式。其電磁場分布具有軸對稱性，如圖2所示。

圖2 徑向波導中的TEM電磁場分布

此時對應的特性阻抗為

其中：

當徑向波導兩板間距為b，其間為空氣或真空時，保證單一TEM模式的條件為

1.2 徑向波導功率合成器結構與分析

圖3所示為寬帶低損耗徑向波導功率合成器，圖4為其端口示意圖。根據式（4），同時考慮設計的方便性，徑向波導的高度值取為WR42窄邊的寬度值，該功率合成器的輸出端口采用WR42的矩形波導。由于對稱結構具有良好的相位和幅度一致性，所以將波導輸出口均勻且緊湊的分布在徑向波導的四周。

圖3 四路功率合成器模型

圖4 1分4功率合成器端口示意圖

徑向波導功率合成器底部的漸變阻抗變化采用矩形波導的漸變阻抗變換理論進行分析和設計。

對于工作在TE10模的矩形波導，有很多定義等效阻抗的方式，本文采用的阻抗計算式為

式中：a，b為矩形波導寬邊和窄邊的內部尺寸；λ為波導波長；Z0為等效波導阻抗。

2 仿真與分析

本次設計采用Ansoft HFSS對該結構進行仿真優化。

從圖5可以看出該種功率分配/合成結構能夠覆蓋的頻率范圍從19.5 GHz～24.6 GHz，其回波損耗大于20 dB。

從圖6可以看出該結構具有較好的低插入損耗特性，而且各個輸出端口具有較好的幅度一致性，基本在0.2 dB之間波動。同時，由于各輸出端口的相位一致性對功率合成的效率非常重要，從圖7的相位仿真結果可以看出，各輸出端口之間具有較好的相位一致性[5-8]。

圖5 S參數仿真結果

圖6 插入損耗仿真結果

圖7 相位仿真結果

3 結論

本文設計了一種基于徑向波導的K波段四合一功率合成器，該結構與傳統的徑向波導功率合成器相比，克服了輸入端口為同軸探針導致的加工裝配難度大以及導致損耗偏大、功率容量相對較小的問題。不僅頻帶寬、低損耗、合成效率高，而且體積小、散熱好，端口數可根據需要拓展。在微波毫米波寬帶高功率合成網絡應用中，具有很大的潛力。

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A K-Band Wideband Power Combiner Based on Radial Wave-guide

YANG Dong1， YIN Zhen-feng2， JIANG Kai-chuang2
（1.The Air Force of Military Representative Office in SAST；
2.Shanghai Radio Equipment Research Institute，Shanghai 200090，China）

Present a K-band four channels wideband power combiner based on radial wave-guide.In order to improve power capability and convenience of machining，the input signal is fed to the radial wave-guide by standard rectangle wave-guide，meanwhile the impedance transform is achieved by the gradual change impedance structure.According to the siumlated results，the operation bandwidth and combine efficiency of the proposed structure is being improved，at the same time，the advantages of high combine efficiency，good heat radiation，easy assemble also are shown.

radial wave-guide；power combiner；rectangle wave-guide

TN73

A

1671-0576（2014）03-0051-04

2014-04-25

楊 冬（1978-），男，碩士，工程師，主要從事微波技術研究。