一款X波段功率合成器的設計與仿真

郭 垚

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在傳統雷達系統中，原X波段雷達電真空發射機存在壽命短，可靠性差，開機燈絲預熱時間長等現象，造成現有X波段雷達無法穩定使用。固態發射機因其高穩定性、高可靠性、高效率等等優點成為電真空發射機的替代產品。由于高頻段固態功率放大器輸出功率較小，因此需要功率合成。在此基礎上，本文設計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。

1 10～11GHz八路功率合成器設計與仿真

1.1 傳輸線選擇

一般來說，傳統傳輸線如帶狀線、同軸線、矩形波導或者微帶等等如果要傳輸大功率，例如同軸線、波導其尺寸通常較大，微帶線的功率容量由于結構的限制一般較小，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稱面上的中心導帶組成，圖1中、分別表示導帶的寬度和厚度，表示兩接地板之間的距離。計算導帶厚度不為0時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出的公式進行近似計算。

圖1 帶狀線結構

在寬導帶(-)>035的情況下，應用部分電容的概念，得到帶狀線的特性阻抗的計算方式

(1)

當帶狀線的上下接地板間距、導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倍導帶寬度。對于空氣介質的帶狀線，其內部導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。經倒圓角的空氣帶狀線的最大峰值擊穿功率可表示為

(2)

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，其功率容量會略微下降。經過計算，理論上該形式帶狀線的最大峰值擊穿功率可以達到40kW。帶狀線傳輸的功率除了受擊穿場強(與峰值功率對應)影響，還有介質的導熱率有一定關系。若帶狀線填充介質為固體介質而非空氣，其瞬時峰值擊穿功率與空氣瞬時峰值擊穿功率的關系為

(3)

1.2 合成方式設計

傳統功率合成器的合成形式有Wilkinson式、耦合環電橋式、3dB分支電橋式和T形結合成形式等等，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；耦合環電橋式結構較于復雜不利于導帶的加工；為了方便加工，采用T形結合成方式。T形結構是一個簡單的三端口網絡，可用任意類型的傳輸線制作，實現任意功率分配比。

1.3 阻抗變換

對于一個T形結功率合成器，保持兩端口輸入阻抗為50Ω，合成部分阻抗約為25Ω，再經過25Ω至50Ω的阻抗變換，實現輸出阻抗同樣為50Ω。由于單節四分之一波長阻抗變換器帶寬較窄，為展寬帶寬須采用多節阻抗變換器，如圖2所示。

圖2 采用多節阻抗變換器的功率合成器

T形結過渡部分的尺寸約為211×116mm，由于三級功率合成，整體尺寸還是偏大。為了縮小尺寸，在T形結輸出端阻抗匹配段采用漸進式阻抗變換來實現阻抗匹配。對于漸進傳輸線，它是由一系列長度為的增量節組成，根據小反射理論，=0處的總反射系數可由所有帶有適當相移的局部反射之和得出

(4)

(5)

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

圖3 漸進式阻抗匹配

圖4是經過優化的阻抗變換過渡段模型，將帶狀線的空氣介質換為聚四氟乙烯介質，把導帶夾在介質中心位置。把空氣介質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中過渡部分尺寸約為11.4×8.8mm，相比于多節四分之一波長阻抗變換器減小59%。

圖4 經優化的漸進式阻抗匹配

圖5是采取新型漸進式T形結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，采用三級功率合成，每一級過渡部分尺寸經過整體優化略有差異，總體滿足設計要求。在此基礎上，輸入輸出部分按照選定BMA型、N型接頭的尺寸進行仿真。

圖5 漸進式T形結八路功率合成模型

1.4 軟件仿真

HFSS軟件仿真時，以模型S參數為主要目標進行優化仿真，主要做法是把需要優化的參數作為變量，設置優化目標和變量變化范圍，反復優化得到下面結果。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中各個合成路徑傳輸損耗保持在0.3dB以內。

圖6 輸出端口駐波

圖7 插入損耗

2 測試結果

導帶是在銅箔上線切割出具體形狀，由于尺寸對測試結果影響較大，需要通過公差控制來保證精度，聚四氟乙烯介質同樣是通過線切割成大小相同的兩塊，接地層是在鋁塊上經過洗削洗出大小相同的兩塊，外殼拐角進行倒圓角處理。各個端口與連接器進行點焊，再用砂紙磨平焊點。整個合成器尺寸約為306×85.5×16.5mm。最后使用矢量網絡分析儀測試S參數和駐波。考慮測試過程中的誤差，在中心頻率(10～11GHz)，輸出端口駐波保持在1.3以內，各合成路徑的傳輸插損保持在0.5dB左右(圖8、圖9)。由于測試條件限制，測量合成效率時采取的方式是從輸出端口輸入1kW功率，然后依次測量8個輸入端口的輸出功率(其他輸入端口接匹配負載)。圖10測量了從輸出端到各個輸入端的相位差，根據文獻[12]，在兩路功率合成時，當相位差15°、幅度差1dB，合成效率約為98%，這對本文有一定參考意義。經過計算，工作頻帶內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92.10%，滿足合成預期。

圖8 輸出端口駐波

圖9 實測插損

圖10 實測相位一致性

圖11 內部結構

3 結束語

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傳輸線的八路功率合成器。該功率合成器在X波段實現了小型化的需求，對模型的性能分析通過采用軟件仿真和實物測試相結合的方式進行了驗證，測試結果表明，各合成路徑傳輸損耗較小，合成輸出端口駐波穩定，工作頻段內合成效率滿足預期。