一種高功率寬頻帶徑向合成器設(shè)計(jì)

韓來(lái)輝，楊曉峰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047)

0 引言

隨著半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展，高功率發(fā)射機(jī)作為雷達(dá)、航天測(cè)控及電子對(duì)抗等系統(tǒng)的重要組成部分，因具有體積小、效率高、工作電壓低、壽命長(zhǎng)和可靠性高等優(yōu)勢(shì)，固態(tài)發(fā)射機(jī)在中低功率逐漸取代了原有的真空管發(fā)射機(jī)。但因?yàn)楣虘B(tài)放大器單管輸出功率的限制，目前很難滿足高功率輸出的要求，功率合成技術(shù)成為固態(tài)高功率發(fā)射機(jī)有效途徑[1-2]。因此研制一種低傳輸損耗、高幅相一致性的高功率合成器成為固態(tài)高功率發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵。

本文設(shè)計(jì)了一種新型徑向波導(dǎo)大功率寬頻帶合成器，該合成器輸入輸出探針采用結(jié)構(gòu)緊湊的圓柱體加載圓錐阻抗?jié)u變的結(jié)構(gòu)形式，有效地解決整個(gè)工作頻帶的端口良好阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)較高的合成效率。

1 合成器的選擇

功率合成技術(shù)包含器件級(jí)(或芯片級(jí))、電路級(jí)和空間功率合成。其中，電路級(jí)功率合成多采用二進(jìn)制功率合成和多路徑向功率[3]或者二者結(jié)合的合成方式。多路徑向功率合成器具有傳輸損耗和回波損耗低，體積緊湊等優(yōu)勢(shì)，但端口隔離差。四端口二進(jìn)制合成器具有低傳輸損耗、高端口隔離、高功率容量的優(yōu)點(diǎn)，但涉及多級(jí)合成相對(duì)徑向合成傳輸損耗、體積大[4]。二者在電路功率合成工程應(yīng)用中有著各自的優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用的需求靈活應(yīng)用[5]。

1.1 設(shè)計(jì)需求

合成器的主要技術(shù)指標(biāo)要求為：

①工作頻段：2.0～2.2 GHz；② 合成效率：≥90%；③ 回波損耗：≤-20 dB；④ 功率容量：≥500 W(CW)；⑤ 輸入接口：N-K型；⑥ 輸出接口：標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ22。

1.2 高功率合成器的選擇

S頻段固態(tài)高功放采用多模塊功率合成后需經(jīng)高功率諧波濾波器[6]、接收頻帶噪聲抑制濾波器[7]以及濾波器級(jí)間匹配等器件，避讓引入傳輸損耗。同時(shí)根據(jù)功放輸入、輸出接口形式要求，需要考慮設(shè)備成本，兼顧輸出功率一定的余量。

1.2.1 四路功率合成方案

現(xiàn)有S頻段400 W固態(tài)功放采用4路徑向功率合成器合成方式，合成器接口形式為：輸入N型陰頭，輸出為IF70Q。通過(guò)4個(gè)150 W固態(tài)功率放大模塊合成輸出功率大于532 W(57.26 dBm)，因合成器輸出接口為IF70Q，依據(jù)任務(wù)書(shū)發(fā)射機(jī)機(jī)輸出接口為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ22，同時(shí)合成器輸出功率大于500 W(CW)，濾波組件和隔離器采用波導(dǎo)形式因此合成器需連接波導(dǎo)轉(zhuǎn)同軸(IF70Q/BJ22轉(zhuǎn)換)，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和工程驗(yàn)證滿足設(shè)計(jì)要求，如圖1所示。其中4路徑向合成器仿真模型如圖2(a)所示，傳輸損耗、回波損耗仿真結(jié)果如圖2(b)所示。

圖1 4路功率合成發(fā)射機(jī)增益分配Fig.1 Gain distribution diagram of 4-way power synthesis transmitter

(a)4路徑向功率合成器模型

(b)功率合成器的仿真結(jié)果

1.2.2 三路功率合成方案

基于功率放大器通過(guò)芯片級(jí)合成可實(shí)現(xiàn)輸出連續(xù)波功率大于200 W的現(xiàn)狀，S頻段400 W固態(tài)功放擬采用3路徑向大功率合成方式，同時(shí)根據(jù)整機(jī)輸出接口、濾波組件、隔合成器接口，合成器輸出接口形式為波導(dǎo)BJ22。通過(guò)3個(gè)200 W固態(tài)功率放大模塊合成輸出功率大于512 W(57.1 dBm)，合成后經(jīng)過(guò)濾波組件和隔離器，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求，如圖3所示。

圖3 3路功率合成發(fā)射機(jī)增益分配Fig.3 Gain distribution diagram of 3-way power synthesis transmitter

綜上所述：以上2種方案均能實(shí)現(xiàn)工程需要，結(jié)合功率放大器輸出功率、整機(jī)輸出接口形式的需要，減少傳輸饋線復(fù)雜度、損耗和設(shè)備成本的實(shí)際情況，擬采用3路徑向合成方案。

2 徑向波導(dǎo)合成器

2.1 合成器理論及結(jié)構(gòu)

徑向功率合成器主要由圓柱形波導(dǎo)腔、輸出加載中心探針、輸入加載外圍探針和加載介質(zhì)組成，可用rφz極坐標(biāo)來(lái)描述，波導(dǎo)橫截面為φz，r為信號(hào)傳輸方向，b為波導(dǎo)腔的高度，如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4 徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)Fig.4 Radial waveguide structure

2.2 電磁分析

利用電磁場(chǎng)對(duì)徑向合成器求解，假設(shè)圓柱形波導(dǎo)腔壁為理想導(dǎo)體，介電常數(shù)為ε和磁導(dǎo)率為μ理想介質(zhì)[8]。其波函數(shù)滿足的亥姆霍茲方程：

在徑向波導(dǎo)中的E模中，當(dāng)m=n=0時(shí)(主模TEM模)，由上述TEM波的解的電磁分量為：

由上式得，徑向波導(dǎo)的TEM模電場(chǎng)僅有沿z方向上的分量，在半徑r圓周上的電場(chǎng)相同；φ方向的只有磁場(chǎng)分量，在半徑為r的圓周上磁場(chǎng)相同，方向在圓周切向上[9]。因此，徑向波導(dǎo)TEM模的電磁場(chǎng)軸向?qū)ΨQ性，為功率合成微波網(wǎng)絡(luò)提供了理論依據(jù)。

2.3 電磁場(chǎng)計(jì)算

根據(jù)比爾科夫斯基分析結(jié)論[10]、工作頻率和電磁場(chǎng)理論可得到徑向功率合成器結(jié)構(gòu)件初始參數(shù)值，徑向波導(dǎo)腔體高度h1小于1/2中心工作頻率波長(zhǎng)；輸入加載探針之間的距離L約為1/2中心工作頻率波長(zhǎng)，輸入加載探針圍繞徑向波導(dǎo)腔中心以半徑r均勻分布，輸入加載探針的結(jié)構(gòu)形式、尺寸一致[11]；輸入加載探針距離腔體內(nèi)壁的距離h2約為1/4中心工作頻率波長(zhǎng)。輸入輸出探針加載方式主要有：圓錐體加載、縫隙饋電圓盤(pán)加載、圓盤(pán)加載、絕緣材料加載等，探針加載形式根據(jù)功率合成器的工作頻率、帶寬、傳輸和回波損耗等技術(shù)指標(biāo)要求來(lái)選擇。

2.4 同軸到矩形波導(dǎo)的過(guò)渡轉(zhuǎn)換

矩形波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換[12]由矩形波導(dǎo)腔體、加載探針、加載介質(zhì)以及匹配結(jié)構(gòu)等組成。

矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)同軸根據(jù)電磁場(chǎng)理論可確定加載探針距離波導(dǎo)短路面約為1/4中心工作頻率，輸入探針加載方式同徑向合成器探針加載方式，通過(guò)調(diào)整探針的插入波導(dǎo)內(nèi)部的深度h、探針加載形狀及距離波導(dǎo)短路面的距離L實(shí)現(xiàn)傳輸線工作頻段內(nèi)良好匹配，實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)TE10模式與同軸TEM波模式的轉(zhuǎn)換。

2.5 電磁場(chǎng)仿真

依據(jù)徑向功率合成器和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)形式，輸入為N型接口，輸入加載探針采用錐形加圓柱形式，輸出為BJ22標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)[13]。在電磁仿真軟件Ansys HFSS[14]中建立徑向合成器的模型，模型如圖5(a)所示。結(jié)合機(jī)械加工實(shí)際情況進(jìn)行了仿真并對(duì)具體參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)工作頻段內(nèi)良好匹配，仿真結(jié)果表明：該徑向功率合成器在工作頻段2～2.2 GHz內(nèi)，回波損耗優(yōu)于-23 dB，傳輸系數(shù)優(yōu)于-4.8 dB。仿真模型和仿真結(jié)果如圖5(b)所示，常溫常壓下空氣中擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為30 kV/cm[15]，對(duì)徑向功率合成器輸入端輸入功率設(shè)置200 W，腔體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度仿真結(jié)果和相位仿真如圖6所示，內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)最大僅為0.56 kV/cm，不會(huì)出現(xiàn)腔體內(nèi)部打火的現(xiàn)象，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

圖5 3路徑向合成器模型及仿真結(jié)果Fig.5 3-way radial combiner model and simulation results

圖6 徑向功率合成器的場(chǎng)強(qiáng)仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of field strength of radial power synthesizer

3 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)工程研制的需要，結(jié)合固態(tài)功放末級(jí)管輸出功率的現(xiàn)狀，基于三維電磁仿真軟件Ansys HFSS對(duì)徑向功率合成建模，輸入接口為N型、輸出接口為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ22，實(shí)現(xiàn)了大功率徑向功率合成器和波導(dǎo)轉(zhuǎn)換的一體化設(shè)計(jì)，有效地改善了復(fù)雜的饋線系統(tǒng)。根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)該款大功率徑向合成器進(jìn)行了機(jī)械加工，通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械裝配和合理的公差配合，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，在設(shè)計(jì)的工作頻段范圍內(nèi)，獲得了優(yōu)良的傳輸、回波損耗以及幅相一致性，同時(shí)該款大功率徑向功率合成器為后續(xù)研制S頻段功放設(shè)備打下了技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)為多路功率合成和其他頻段功放設(shè)備功率合成提供了參考和借鑒。