一种基于波导的Ka波段功率合成器设计

1、一种基于波导的毫米波高功率合成器李勇利(电子科技大学物理电子,成都 100190nie_yang17摘 要:本文介绍了一种基于波导结构的微波毫米波功率合成器,它是一种扩展同轴波导的 N 端口空间功率合成器,这种 功率合成器采用 TEM 主模传输, 截止频率无限低,具有宽频带应用特点。同时它所具有的大功率,高效率, 低差损等特点, 使其在微波毫米波大功率合成方面具有良好的应用前景。关键词:毫米波,同轴波导,空间功率合成, TEM 模A type of millimeter-wave power-combinor based on waveguideNieYang(Institute Of Ele

2、ctronics , Chinese Academy Of Sciences, Beijing 100000Abstract: A new type of waveguide- microstrip line transitions is introduced in this article. In this transition the waveguide and microstrip line are connected in a straight line ,it is airproof and is smaller than ever been. We tested it back t

3、o back, it has a good performance. In the frequency of 28GHz 32GHz, it has a insert loss is less than 0.7 dB ,and return loss less than 18dB.Keywords: waveguide- microstrip line transitions ,probe, agitate-pole1 引言随着我国国防军事电子技术的快速发展,毫米波逐渐成为我国军事运用的主要频段,功率放大器作为 发射机的关键部件,对高功率放大器的需求更是与日俱增。然而,目前由于毫米波段单级固态

4、功放的输出 功率有限,不能满足要求。采用功率合成技术能够得到更大的输出功率以满足系统的要求。波导结构的空 间功率合成技术作为功率合成技术的一种具有工作频带宽,合成效率高的优点。较传统的功率合成方式如 Wilkson 功分器,分支线耦合器等有很大的改善。目前,各种新型的功率合成方法和新型结构不断出现。 功率合成技术和功放的输出能力也得到了进一步的提高。空间功率合成的结构有很多种,本文主要介绍的 是一种扩展同轴波导的空间功率合成。2 基本原理我们可以把深入波导的探针看成一个天线,若同轴线接波源,向波导所限定的方向辐射电磁波,一般 地说,只要电磁波的电场或磁场分量与波导某模式的电场或磁场分量一致,该

5、模便会被激励 1。根据互易 定理,若波导口接波源,那么此时能量也能从波导中被耦合出来。探针从波导的短路面插入,与波导内的 电场方向垂直,探针会对波导内的场结构产生影响(如图 1,这样是不能把能量耦 2图 1 探针附近的电场矢量合出去的,所以就要从探针的正上方插入一根调节螺钉,对波导内的场结构产生扰动 3(如图 2。探针和 螺钉的顶面之间就会形成一个电容,能量是可以从这个电容上被耦合出去的。图 2 插入调节钉后波导内的电场结构3 仿真设计根据理论分析可知,螺钉的位置和长度、探针的长度是影响过渡结构性能的因素。将探针从短路面中 间插入, 调节螺钉从波导宽边的中间插入, 螺钉位于探针尖端的正上方附近

6、, 设调节螺钉的半径为变量 R1, 调节螺钉的长度为变量 D , 调节螺钉与短路面的距离为变量 C , 探针的长度为变量 L , 探针的半径为变量 R2, 利用 Ansoft 公司的商用软件 HFSS 建立模型进行仿真。 调节这几个变量可以得到一个较好的效果如图 4所示。图 3 过渡结构的侧面剖视图和波导口入视图图 4 过渡结构优化结果由图中可以看出,在 27G-32G 之间的一段频率内,过渡结构有较好的性能,插损小于 0.2dB 。4 过渡结构的制作与测试测试采用背对背形式,两个过渡结构由一段 15mm 长的微带线联接。 图 5 测试结构剖面图测试仪器使用 Agilent 公司的 10MHz

7、 40GHz 矢量网络分析仪,旋动调节螺钉得到最佳的传输性能,如 图 6所示。 图 6 测试结果从图中可以看出,在 28GHz 32GHz 频率范围内,回波损耗小于 -18dB ,插入损耗小于 0.7dB (其中包 括 15mm 长的 50微带线的损耗 。实测结果与仿真结果基本一致,插入损耗较仿真结果略大,这是由装配 误差引起的。 图 7 实物照片5 结论本文介绍了一种直通方向的波导同轴探针微带过渡结构,这种结构与以往所用的过渡结构相比, 其主要优点在于既解决了波导微带探针过渡、波导鳍线微带过渡等结构普遍存在的气密性的问题, 而且具有波导接口同轴探针微带线直通的联接方向,比传统的 E 面插入的

8、波导同轴探针微带线过 渡结构更有利于小型化集成。由于调节螺钉可以对装配误差进行一定的补偿调节,这种新结构受装配工艺 水平的影响也较其他结构更小。但是,这种结构的带宽较窄,有待进一步改进。3参考文献1 刁睿 徐锐敏 谢小强,“ Ka 频段波导同轴探针微带过渡的研究”,中国科技论文在线2 薛良金 , 毫米波工程基础 . 北京:国防工业出版社 , 1999.3 黄香馥 . 微波固体电路 . 成都:电子科技大学出版社 .19904 Yi-Chi Shih, Thuy-Nhung Ton, and Long Q. Bui, “ Waveguide-to-microstrip Transition for Millimeter-wave Applications, ” IEEE MTT-S, Vol.1, pp. 473-475, May 1988.5 Yoke-Ch