13.5～18GHz波導(dǎo)空間多路全匹配功率合成網(wǎng)絡(luò)

龔志偉 原銘偉 謝小強

（電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，四川 成都 611731）

0 引言

近來，隨著半導(dǎo)體功率器件技術(shù)的發(fā)展，功率合成技術(shù)已成為獲取微波毫米波固態(tài)高功率的有效手段之一，其中微波毫米波多路高性能合成網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)這一技術(shù)的關(guān)鍵部件，也是限制微波毫米波固態(tài)高功率高效率獲取的關(guān)鍵難點。當(dāng)前在這一領(lǐng)域的研究中，由于中空金屬矩形波導(dǎo)傳輸線具有較高的功率容量、較寬的單模傳輸帶寬、較低的路徑損耗和較好的熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，基于矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的微波毫米波波導(dǎo)空間功率合成網(wǎng)絡(luò)成了研究熱點，出現(xiàn)了基于簡單的波導(dǎo)E-T分支、基于波導(dǎo)H-T分支、基于波導(dǎo)E-面多分支耦合器、基于波導(dǎo)-微帶多路探針耦合、基于波導(dǎo)鏈?zhǔn)蕉嗦饭Ψ?耦合等原理的波導(dǎo)空間合成網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[1]。在這類研究中，基于簡單的E-T、H-T分支、波導(dǎo)-微帶多探針耦合以及波導(dǎo)鏈?zhǔn)今詈系暮铣删W(wǎng)絡(luò)多為無耗網(wǎng)絡(luò)[2-4]，大多著重關(guān)注合成網(wǎng)絡(luò)的低損耗、高合成效率優(yōu)勢，而忽略了支路端口駐波特性和放大單元的工作穩(wěn)定性，限制了這類合成網(wǎng)絡(luò)的適用范圍；而基于波導(dǎo)-E面多分支耦合器的合成網(wǎng)絡(luò)以及部分阻性膜片加載的E-T、H-T以及波導(dǎo)鏈?zhǔn)胶铣删W(wǎng)絡(luò)[5]，其較高的工藝要求限制了工作帶寬、降低了系統(tǒng)功率容量，惡化了合成網(wǎng)絡(luò)低損耗特性和支路幅度、相位一致性，從而導(dǎo)致合成效率和工作帶寬降低，難以滿足微波毫米波多路固態(tài)寬帶高功率合成應(yīng)用。波導(dǎo)魔-T功率合成網(wǎng)絡(luò)，由于具有良好的支路隔離和端口匹配性能，可為參與合成的微波毫米波功率放大器提供良好的端口匹配，有利于放大單元穩(wěn)定工作，但波導(dǎo)魔-T固有的立體結(jié)構(gòu)為固態(tài)功率器件集成設(shè)置了難度。近來出現(xiàn)的集成共面臂的波導(dǎo)魔-T網(wǎng)絡(luò)的研究中[6-8]，隔離臂所集成的薄膜電阻限制了合成網(wǎng)絡(luò)的高功率應(yīng)用。而常規(guī)微波寬帶大功率負載體積大，不便于系統(tǒng)集成應(yīng)用[9-10]。為此，針對傳統(tǒng)波導(dǎo)魔-T以及共面魔-T在結(jié)構(gòu)、工作帶寬和功率容量等方面的缺陷，本文采用E-臂和H-臂的同時共同匹配的方法，拓展了傳統(tǒng)波導(dǎo)魔-T的工作帶寬，提出了隔離端高功率負載匹配方法，實現(xiàn)了低損耗多路寬帶高功率容量的全匹配波導(dǎo)功率合成網(wǎng)絡(luò)，獲得了良好的支路幅度和相位一致性。

1 波導(dǎo)魔-T匹配改進

波導(dǎo)魔-T實際上是加了匹配單元的波導(dǎo)雙-T。其散射矩陣為：

在功率合成應(yīng)用中，波導(dǎo)魔-T的兩分支端口往往端接單元放大器，兩支路的端口匹配和相互隔離往往對功率放大單元的穩(wěn)定性具有決定性作用。由波導(dǎo)魔-T的散射矩陣可知，兩分支端口的理想隔離（S21=S12=0）和匹配（S11=S22=0）除了要求電路結(jié)構(gòu)對稱性外，E臂和H臂匹配良好（S33=S44=0）是關(guān)鍵因素。可見，在基于雙-T結(jié)構(gòu)的合成網(wǎng)絡(luò)中，隔離端的匹配負載決定了分支支路端口的隔離和匹配，也決定了支路幅度和相位一致性的好壞。

圖1即為改進匹配方式后的波導(dǎo)魔-T結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，改進匹配后，該魔-T的E臂可以作為功率合成的輸出端口，而兩E面分支為合成網(wǎng)絡(luò)的兩支路端口。這樣，位于中心位置的錐底柱關(guān)于E臂和H臂共同的對稱面對稱，可實現(xiàn)E臂和H臂同時各自匹配。H臂經(jīng)兩個90°E面轉(zhuǎn)換后，端接緊貼波導(dǎo)寬邊壁的對稱結(jié)構(gòu)吸收匹配負載。該匹配負載可通過調(diào)整負載長度來滿足不同頻率下的匹配性能，達到隔離端的寬帶匹配，從而獲取兩支路端口間的良好寬帶隔離和匹配。

圖1 波導(dǎo)魔-T 匹配改進

從改進后的波導(dǎo)魔-T電磁場優(yōu)化仿真計算結(jié)果（圖2）可知，在14～18GHz頻率范圍內(nèi)，端口1（E臂）的反射系數(shù)S11≤-25dB；端口2、3（兩E面分支）與端口1（E臂）之間的傳輸系數(shù)S21和S31接近理想的3dB數(shù)值；而端口2、3的反射系數(shù)S22和S33均≤-20dB，且兩者之間的隔離度S23則大于20dB。并且，在13.5～18GHz頻率范圍內(nèi)，端口2、3（兩E面分支）與端口1（E臂）之間的傳輸系數(shù)S21和S31的幅度差幾乎為零，接近理想的等幅關(guān)系；而兩者的相位差則小于±0.5°。可見，當(dāng)H臂得到較好匹配后，可得到較好的支路隔離和匹配關(guān)系，并得到很好的支路幅度和相位一致性。

圖2 改進后的波導(dǎo)魔-T 電磁場優(yōu)化仿真計算結(jié)果

采用以上對稱錐底柱及隔離端大功率負載匹配措施后，改進后的波導(dǎo)魔-T可方便地實現(xiàn)多級級聯(lián)的多路低損耗寬帶波導(dǎo)空間功率合成網(wǎng)絡(luò)，且具有良好的支路端口一致性和支路隔離和匹配性能。另外，在以上改進的波導(dǎo)魔-T中，H臂端接的吸收負載緊貼波導(dǎo)寬邊壁，吸收負載與金屬導(dǎo)體接觸面大，導(dǎo)熱效果良好，便于高功率合成應(yīng)用。

2 波導(dǎo)空間八路功率合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

為驗證改進波導(dǎo)魔-T所具有的優(yōu)良的端口匹配性能以及接近理想的端口幅度和相位一致性以及其在多路波導(dǎo)空間功率合成網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，我們設(shè)計了一款波導(dǎo)空間八路功率合成網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 八路波導(dǎo)空間功率合成網(wǎng)絡(luò)

在所設(shè)計的八路功率合成網(wǎng)絡(luò)中，采用了7個結(jié)構(gòu)相同的上述改進型波導(dǎo)魔-T，構(gòu)成了3級八路二進制波導(dǎo)空間功率合成網(wǎng)絡(luò)。雖然理論上二進制功率合成網(wǎng)絡(luò)在合成支路數(shù)目較多的情況下，路徑損耗較大，但由于上述改進型波導(dǎo)魔-T優(yōu)良的低損耗特性，在其基礎(chǔ)上實現(xiàn)的多級多路功率合成網(wǎng)絡(luò)也具有良好的低損耗特性。

圖4為相應(yīng)的八路波導(dǎo)空間功率合成網(wǎng)絡(luò)電磁仿真結(jié)果。可以看出，在14～18GHz頻段內(nèi)，合成輸出端口反射系數(shù)S11≤-20dB，各支路端口與合成端口的傳輸系數(shù)（Si1）幾乎相同；另外該網(wǎng)絡(luò)所有端口反射系數(shù)(Sii)均≤-20dB，各支路端口間相互的隔離度（Sij(i≠j)）均≥20dB。

圖4 八路波導(dǎo)空間功率合成網(wǎng)絡(luò)電磁仿真結(jié)果

根據(jù)以上優(yōu)化數(shù)據(jù)進行了實物加工。圖5為加工制作的八路波導(dǎo)空間功率合成網(wǎng)絡(luò)實物及測試照片，所采用的測試設(shè)備為PNA-L矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。圖6給出了測試的各支路端口與合成輸出端口間的傳輸系數(shù)。可知，在13.5～18GHz頻率范圍內(nèi),該八路波導(dǎo)空間功率合成網(wǎng)絡(luò)各支路到合成端口的傳輸系數(shù)約為-10dB，扣除-9dB的理論值，該八路波導(dǎo)空間功率合成網(wǎng)絡(luò)合成損耗，約為1dB，在功率合成應(yīng)用時對應(yīng)合成效率可達80%。

圖5 八路波導(dǎo)空間功率合成網(wǎng)絡(luò)實物及測試照片

圖6 八路波導(dǎo)空間功率合成網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，可以比較出各支路與合成端口傳輸系數(shù)的幅度差和相位差，如圖7所示。可見該八路合成網(wǎng)絡(luò)的幅度不平衡度≤±0.4dB；相位不平衡度≤±6°。

圖7 支路一致性

3 結(jié)論

本文介紹了一種采用對稱匹配以及隔離端大功率負載匹配措施改進傳統(tǒng)波導(dǎo)魔-T的方法，實現(xiàn)了一種多路低損耗寬帶波導(dǎo)空間功率合成網(wǎng)絡(luò)，獲得了良好的支路端口匹配、隔離以及支路幅度/相位一致性，為微波毫米波寬帶多路固態(tài)功率合成應(yīng)用中支路放大單元的穩(wěn)定性獲取以及高效率高功率合成放大系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。