一種波導(dǎo)功率合成器的設(shè)計(jì)

彭德強(qiáng)，徐聲海

（1.船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001；2.海軍駐揚(yáng)州723所軍事代表室，揚(yáng)州225001）

0 引 言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)的發(fā)展，傳統(tǒng)的磁控管、行波管型發(fā)射機(jī)將逐步被占空比更高的固態(tài)型發(fā)射機(jī)所取代。由于作用距離的需要，單個(gè)的固態(tài)管不能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，這就要求將多個(gè)固態(tài)源進(jìn)行功率合成。相位一致性、駐波系數(shù)、插入損耗是影響功率合成效率的幾個(gè)關(guān)鍵因素，而用波導(dǎo)功率合成可以很好地解決這些問(wèn)題，且具有功率容量大的優(yōu)點(diǎn)［1］。

1 波導(dǎo)功率合成器的工作原理

將多路微波功放模塊發(fā)射出來(lái)的大功率信號(hào)通過(guò)后饋式波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的N型頭輸入，經(jīng)過(guò)合成以后由波導(dǎo)口輸出。考慮到功率合成器的帶寬以及效率，用魔T比用電橋更加合適。為了減小各輸入端口之間的相互影響，將單T改為魔T，魔T的一個(gè)端口作為輸出端，另一端口連接波導(dǎo)負(fù)載，為了增大波導(dǎo)負(fù)載的散熱面積，將負(fù)載表面與功率合成器大面積接觸［2］。

波導(dǎo)魔T具有以下特征：

（1）四端口完全匹配。

（2）E臂和H臂相互隔離，且2個(gè)側(cè)臂也相互隔離。

（3）一側(cè)臂輸入信號(hào)，E臂和H臂等分輸出，而不進(jìn)入另一側(cè)臂。

（4）H臂輸入信號(hào)，2個(gè)側(cè)臂將等幅同相輸出，而不進(jìn)入E臂。

（5）E臂輸入信號(hào)，2個(gè)側(cè)臂將等幅反相輸出，而不進(jìn)入H臂。

以上特征可用S參數(shù)表示為：

在合成器的設(shè)計(jì)中，匹配模塊尺寸的選取主要根據(jù)中心工作波長(zhǎng)λ0，考慮直徑Dφ和高度h，有以下幾個(gè)選擇參照標(biāo)準(zhǔn)［3］：

（1）直徑的選取范圍：Dφ＝ （0.8～1.1）λ0；

（2）高度的選取范圍：h＝ （0.2～0.3）λ0；

（3）安裝圓錐體的位置應(yīng)考慮H壁的對(duì)稱(chēng)性；

（4）調(diào)整圓錐體的尺寸優(yōu)化H臂駐波系數(shù)；

（5）調(diào)整圓柱的高度優(yōu)化E臂駐波系數(shù)。

2 波導(dǎo)功率合成器的實(shí)現(xiàn)方法

結(jié)合單個(gè)管源的功率大小以及系統(tǒng)的功率需求，用八合一的功率合成器即可滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。由于單個(gè)固態(tài)源的輸出口為N型，為了與之匹配，在波導(dǎo)功率合成器的輸入端都采用N型接口，波導(dǎo)功率合成器的輸入端各接一個(gè)后饋式的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換。為了滿(mǎn)足相位一致性要求，后饋式波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的零部件都要求在同一程序下同一批次加工完成。

在輸入端相位一致的情況下，將每2個(gè)相鄰的后饋式波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換設(shè)置成相位相反，結(jié)合魔T的工作原理，則第1級(jí)合成功率由E－T端輸出；由于各魔T輸入端間距一致，且結(jié)構(gòu)尺寸完全一樣，則第2級(jí)輸入端的相位相同，因此，第2級(jí)合成功率由H－T端輸出。同理，第3級(jí)合成功率也從H－T端輸出。考慮到各管源有功率變化的可能性，在各級(jí)魔T的匹配端口都連接匹配負(fù)載，如圖1所示。

圖1 波導(dǎo)功率合成器照片

由于整個(gè)波導(dǎo)功率合成器有較高的相位要求，故要求腔體加工前后都要進(jìn)行熱處理，保證各個(gè)端口的平坦度以及結(jié)構(gòu)尺寸。支撐底板要承受整個(gè)功率合成器及其附件的重量，要求一定的強(qiáng)度保證，避免變形引起的相位變化。調(diào)節(jié)錐體和螺桿在腔體內(nèi)的相對(duì)位置，使之保持一致，使各端口的駐波系數(shù)以及相位一致性更佳，從而保證合成效率。

3 仿真計(jì)算結(jié)果

配上后饋式波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的波導(dǎo)功率合成器，輸入端口駐波系數(shù)≤1.20，輸出端口駐波系數(shù)≤1.27，隔離度≥24dB，插入損耗≤0.2dB，具體的仿真結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 駐波系數(shù)曲線

圖3 隔離度曲線

圖4 S12曲線

4 測(cè)試結(jié)果及實(shí)物圖片

加工調(diào)試完畢，波導(dǎo)功率合成器的實(shí)測(cè)結(jié)果為：和路駐波系數(shù)≤1.20，端口隔離度≥25dB，插入損耗≤0.3dB，相位一致性≤±1°，分別如圖5～圖8所示。

圖5 和路駐波系數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖6 端口隔離度測(cè)試結(jié)果

圖7 S12測(cè)試結(jié)果

圖8 相位一致性測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可以得知，該型波導(dǎo)功率合成器的駐波系數(shù)在全頻帶內(nèi)可以控制在1.2以?xún)?nèi)，且各端口的駐波系數(shù)曲線一致性很好；各端口之間的相位一致性小于1°，不同端口的相位會(huì)有細(xì)微的變化，但左右相對(duì)應(yīng)的位置相位基本一致；插入損耗小于0.3dB，合成效率92%，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

波導(dǎo)功率合成器腔體由精密機(jī)械加工而成，可以保證加工精度，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果能夠較好地吻合。由于端口之間的隔離度較高，相互之間的影響也比較小。同時(shí)由于魔T的匹配端為大功率負(fù)載，在輸入源出現(xiàn)故障的情況下也不會(huì)對(duì)合成器造成破壞性的影響。根據(jù)單個(gè)固態(tài)源體積以及位置的變化也可以調(diào)節(jié)功率合成器的間距以及相對(duì)位置，在實(shí)際工程中靈活應(yīng)用。

［1］梁昌洪.簡(jiǎn)明微波［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］廖承恩.微波技術(shù)基礎(chǔ)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

［3］張德斌.雷達(dá)饋線技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.