一款X波段功率合成器的設(shè)計(jì)與仿真

郭 垚

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)中，原X波段雷達(dá)電真空發(fā)射機(jī)存在壽命短，可靠性差，開(kāi)機(jī)燈絲預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)等現(xiàn)象，造成現(xiàn)有X波段雷達(dá)無(wú)法穩(wěn)定使用。固態(tài)發(fā)射機(jī)因其高穩(wěn)定性、高可靠性、高效率等等優(yōu)點(diǎn)成為電真空發(fā)射機(jī)的替代產(chǎn)品。由于高頻段固態(tài)功率放大器輸出功率較小，因此需要功率合成。在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一款八路帶狀線功率合成器，中心頻帶為X波段(10～11GHz)，功率容量較大，兼具小型化和模塊化的特點(diǎn)。

1 10～11GHz八路功率合成器設(shè)計(jì)與仿真

1.1 傳輸線選擇

一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)傳輸線如帶狀線、同軸線、矩形波導(dǎo)或者微帶等等如果要傳輸大功率，例如同軸線、波導(dǎo)其尺寸通常較大，微帶線的功率容量由于結(jié)構(gòu)的限制一般較小，因此綜合考慮功率容量、物理尺寸、加工難度及與其他器件集成的能力等等，選用帶狀線作為功率傳輸線。

帶狀線是由上下兩塊接地板和位于兩接地板中心對(duì)稱(chēng)面上的中心導(dǎo)帶組成，圖1中、分別表示導(dǎo)帶的寬度和厚度，表示兩接地板之間的距離。計(jì)算導(dǎo)帶厚度不為0時(shí)帶狀線的特性阻抗是比較困難的，目前大多采用柯恩(Cohn)利用部分電容概念導(dǎo)出的公式進(jìn)行近似計(jì)算。

圖1 帶狀線結(jié)構(gòu)

在寬導(dǎo)帶(-)>035的情況下，應(yīng)用部分電容的概念，得到帶狀線的特性阻抗的計(jì)算方式

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當(dāng)帶狀線的上下接地板間距、導(dǎo)帶厚度和寬度確定后，為減少帶狀線在橫截面方向的能量泄漏，上下接地板的寬度取3倍導(dǎo)帶寬度。對(duì)于空氣介質(zhì)的帶狀線，其內(nèi)部導(dǎo)帶的支撐物一般以聚四氟乙烯居多，支撐方式較為多樣。相比于微帶線，帶狀線有著更低的插入損耗和更大的功率容量，由于涉及大功率傳輸，在保證小型化和大功率容量的基礎(chǔ)上，選用帶狀線作為功率傳輸線是更為合適的選擇。帶狀線的功率容量可用于判斷是否可承受大功率傳輸。經(jīng)倒圓角的空氣帶狀線的最大峰值擊穿功率可表示為

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其中為最大峰值擊穿功率，單位為kW；為大氣壓力，單位是atm；為上下接地板之間的距離，單位為cm。本文中的帶狀線未倒圓角，其功率容量會(huì)略微下降。經(jīng)過(guò)計(jì)算，理論上該形式帶狀線的最大峰值擊穿功率可以達(dá)到40kW。帶狀線傳輸?shù)墓β食耸軗舸﹫?chǎng)強(qiáng)(與峰值功率對(duì)應(yīng))影響，還有介質(zhì)的導(dǎo)熱率有一定關(guān)系。若帶狀線填充介質(zhì)為固體介質(zhì)而非空氣，其瞬時(shí)峰值擊穿功率與空氣瞬時(shí)峰值擊穿功率的關(guān)系為

(3)

1.2 合成方式設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)功率合成器的合成形式有Wilkinson式、耦合環(huán)電橋式、3dB分支電橋式和T形結(jié)合成形式等等，Wilkinson式輸入兩臂之間的隔離度較好，但由于隔離電阻跨接在兩輸出臂上，承受功率有限，不適合大功率傳輸；耦合環(huán)電橋式結(jié)構(gòu)較于復(fù)雜不利于導(dǎo)帶的加工；為了方便加工，采用T形結(jié)合成方式。T形結(jié)構(gòu)是一個(gè)簡(jiǎn)單的三端口網(wǎng)絡(luò)，可用任意類(lèi)型的傳輸線制作，實(shí)現(xiàn)任意功率分配比。

1.3 阻抗變換

對(duì)于一個(gè)T形結(jié)功率合成器，保持兩端口輸入阻抗為50Ω，合成部分阻抗約為25Ω，再經(jīng)過(guò)25Ω至50Ω的阻抗變換，實(shí)現(xiàn)輸出阻抗同樣為50Ω。由于單節(jié)四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器帶寬較窄，為展寬帶寬須采用多節(jié)阻抗變換器，如圖2所示。

圖2 采用多節(jié)阻抗變換器的功率合成器

T形結(jié)過(guò)渡部分的尺寸約為211×116mm，由于三級(jí)功率合成，整體尺寸還是偏大。為了縮小尺寸，在T形結(jié)輸出端阻抗匹配段采用漸進(jìn)式阻抗變換來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。對(duì)于漸進(jìn)傳輸線，它是由一系列長(zhǎng)度為的增量節(jié)組成，根據(jù)小反射理論，=0處的總反射系數(shù)可由所有帶有適當(dāng)相移的局部反射之和得出

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(5)

圖3為采用漸進(jìn)式阻抗變換的T形結(jié)功率合成器模型圖，過(guò)渡尺寸約為295×16mm，圓圈部分是聚四氟乙烯支撐柱，通過(guò)在導(dǎo)帶上打孔保證導(dǎo)帶處于腔體中央。

圖3 漸進(jìn)式阻抗匹配

圖4是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的阻抗變換過(guò)渡段模型，將帶狀線的空氣介質(zhì)換為聚四氟乙烯介質(zhì)，把導(dǎo)帶夾在介質(zhì)中心位置。把空氣介質(zhì)換為聚四氟乙烯可以增大帶狀線的功率容量，便于加工。圖5中過(guò)渡部分尺寸約為11.4×8.8mm，相比于多節(jié)四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器減小59%。

圖4 經(jīng)優(yōu)化的漸進(jìn)式阻抗匹配

圖5是采取新型漸進(jìn)式T形結(jié)的八路功率合成器模型，8路輸入端口相距40mm，整體縱向63mm，橫向283.2mm，采用三級(jí)功率合成，每一級(jí)過(guò)渡部分尺寸經(jīng)過(guò)整體優(yōu)化略有差異，總體滿足設(shè)計(jì)要求。在此基礎(chǔ)上，輸入輸出部分按照選定BMA型、N型接頭的尺寸進(jìn)行仿真。

圖5 漸進(jìn)式T形結(jié)八路功率合成模型

1.4 軟件仿真

HFSS軟件仿真時(shí)，以模型S參數(shù)為主要目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化仿真，主要做法是把需要優(yōu)化的參數(shù)作為變量，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)和變量變化范圍，反復(fù)優(yōu)化得到下面結(jié)果。圖6中，在9.5～11.5GHz，輸出端口駐波小于1.3；在中心頻率10～11GHz，輸出端口駐波小于1.1；圖7中各個(gè)合成路徑傳輸損耗保持在0.3dB以內(nèi)。

圖6 輸出端口駐波

圖7 插入損耗

2 測(cè)試結(jié)果

導(dǎo)帶是在銅箔上線切割出具體形狀，由于尺寸對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，需要通過(guò)公差控制來(lái)保證精度，聚四氟乙烯介質(zhì)同樣是通過(guò)線切割成大小相同的兩塊，接地層是在鋁塊上經(jīng)過(guò)洗削洗出大小相同的兩塊，外殼拐角進(jìn)行倒圓角處理。各個(gè)端口與連接器進(jìn)行點(diǎn)焊，再用砂紙磨平焊點(diǎn)。整個(gè)合成器尺寸約為306×85.5×16.5mm。最后使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試S參數(shù)和駐波。考慮測(cè)試過(guò)程中的誤差，在中心頻率(10～11GHz)，輸出端口駐波保持在1.3以內(nèi)，各合成路徑的傳輸插損保持在0.5dB左右(圖8、圖9)。由于測(cè)試條件限制，測(cè)量合成效率時(shí)采取的方式是從輸出端口輸入1kW功率，然后依次測(cè)量8個(gè)輸入端口的輸出功率(其他輸入端口接匹配負(fù)載)。圖10測(cè)量了從輸出端到各個(gè)輸入端的相位差，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，在兩路功率合成時(shí)，當(dāng)相位差15°、幅度差1dB，合成效率約為98%，這對(duì)本文有一定參考意義。經(jīng)過(guò)計(jì)算，工作頻帶內(nèi)最低功率合成效率為86.32%，最高合成效率為95.55%，全頻段合成平均功率合成效率可達(dá)92.10%，滿足合成預(yù)期。

圖8 輸出端口駐波

圖9 實(shí)測(cè)插損

圖10 實(shí)測(cè)相位一致性

圖11 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語(yǔ)

基于X波段功率合成器大功率以及小型化的需求，本文提出了一種基于漸進(jìn)傳輸線的八路功率合成器。該功率合成器在X波段實(shí)現(xiàn)了小型化的需求，對(duì)模型的性能分析通過(guò)采用軟件仿真和實(shí)物測(cè)試相結(jié)合的方式進(jìn)行了驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果表明，各合成路徑傳輸損耗較小，合成輸出端口駐波穩(wěn)定，工作頻段內(nèi)合成效率滿足預(yù)期。