摘要：設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造的開(kāi)槽波導(dǎo)功率分配器／合成器。該合成器采用錐形微帶線(xiàn)一波導(dǎo)的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，每路微帶線(xiàn)傳輸部分由小腔體進(jìn)行隔離。通過(guò)CST仿真軟件，設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為35 GHz的Ka頻段的功率合成器。仿真結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)回波損耗小于-20 dB時(shí)的帶寬達(dá)近500 MHz，且插入損耗小于0．1 dB?？梢?jiàn)，具有極低的插入損耗和較低的回波損耗。
關(guān)鍵詞：空間功率合成；開(kāi)槽波導(dǎo)；功分器；CST

0 引言
    當(dāng)前，在本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)這種無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，越來(lái)越多地用到毫米波段?；景l(fā)射機(jī)需要中、高功率的固態(tài)功率放大器。盡管目前在高頻半導(dǎo)體技術(shù)和芯片制作方面取得不小的進(jìn)展，但是毫米波設(shè)備仍然受制于它們的最大輸出功率。目前，市場(chǎng)上可以買(mǎi)到的毫米波段功率放大器芯片MMIC一般只有幾瓦的輸出功率，因此要獲得足夠高的輸出功率，需用好幾片MMIC進(jìn)行合成。
    空間合成器因?yàn)槠漭^低的插入損耗和更高的合成效率，從而比傳統(tǒng)的電路合成更受歡迎，它們的合成效率與用于合成的芯片數(shù)量有關(guān)。在制作時(shí)，合成電路應(yīng)盡可能緊湊，但是實(shí)際尺寸卻受芯片大小、偏置電路、散熱等方面的影響。
    本文介紹的空間功率合成方案，采用開(kāi)槽矩形波導(dǎo)與多路錐形微帶線(xiàn)耦合的方案。該方案中，開(kāi)槽矩形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，容易制作，尺寸也不大，而且散熱很好。在制作10～33 GHz的功率放大器時(shí)備受推崇。這種方式構(gòu)建的放大器，維修起來(lái)也很容易，若要獲得更大的合成功率，只需要使用較大功率的芯片代替某路原有芯片即可。當(dāng)然，這些高頻段的芯片體積都很小，在裝配時(shí)必須非常小心。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)
    開(kāi)槽波導(dǎo)空間合成器的工作原理和開(kāi)槽波導(dǎo)功分器的外形如圖1所示。信號(hào)從波導(dǎo)口輸入，通過(guò)開(kāi)在波導(dǎo)寬邊或窄邊上的縱向槽耦合到微帶線(xiàn)中實(shí)現(xiàn)功分，經(jīng)過(guò)放大器放大后的信號(hào)再由微帶到槽耦合后合成。

    開(kāi)槽波導(dǎo)功分器按能量在波導(dǎo)中的傳播方式不同可分為行波式和駐波式。行波工作方式下，可在波導(dǎo)終端填充吸收材料，避免在波導(dǎo)內(nèi)形成駐波，耦合槽的位置無(wú)特別要求；在駐波工作方式下，波導(dǎo)終端短路，能量在波導(dǎo)中呈駐波分布，耦合槽應(yīng)開(kāi)在電場(chǎng)的波腹位置。
    這兩種工作方式下，能量在波導(dǎo)內(nèi)的分布不同也帶來(lái)了耦合系數(shù)設(shè)置的不同。以4路功分為例，為得到等功率分配，駐波工作方式各路的耦合系數(shù)相同。都是1／4；行波工作方式下能量在波導(dǎo)內(nèi)傳輸時(shí)逐級(jí)遞減，耦合系數(shù)的設(shè)置為第1路1／4，第2路1／3…第4路應(yīng)保證耦合系數(shù)為1。
    本文最終采用的功分器方案為駐波式，開(kāi)槽方式為波導(dǎo)邊側(cè)開(kāi)槽。波導(dǎo)槽位置、尺寸的初始值可以由如下方式確定：
    方法一：借鑒波導(dǎo)裂縫陣天線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法，引入分布參數(shù)等效電路，其等效圖如圖2所示。

    忽略槽間互耦影響，每個(gè)耦合槽帶來(lái)的不連續(xù)性用并聯(lián)在傳輸線(xiàn)上的一對(duì)復(fù)阻抗單元等效。如圖3所示。電導(dǎo)GK與電納BK分別代表第K個(gè)耦合槽帶來(lái)的不連續(xù)性；Y0為波導(dǎo)特性導(dǎo)納；LK(K=1，2，…，N)為第K個(gè)波導(dǎo)即微帶過(guò)渡單元中心和第(K+1)個(gè)波導(dǎo)即微帶過(guò)渡單元中心的距離。那么每一節(jié)波導(dǎo)部分的合導(dǎo)就是：
   
    在特定頻率下，阻抗單元的虛部消失，表現(xiàn)為純電導(dǎo)，即耦合槽的輻射電導(dǎo)。諧振長(zhǎng)度的尋找可通過(guò)CST仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)。以開(kāi)槽長(zhǎng)度為優(yōu)化參數(shù)，Im Y11為優(yōu)化目標(biāo)，當(dāng)Im Y11=0時(shí)，長(zhǎng)度就是此時(shí)的諧振長(zhǎng)度。

    為使槽與波導(dǎo)達(dá)到良好匹配而降低駐波，開(kāi)槽單元的電導(dǎo)必須滿(mǎn)足以下條件：

    式中：；x為耦合槽偏離波導(dǎo)，中心線(xiàn)的距離；a，b為波導(dǎo)尺寸。因?yàn)?路等功率分配，gi均取1／4，則根據(jù)上式可近似得到4路耦合槽相對(duì)波導(dǎo)中心距離。
    開(kāi)槽寬度根據(jù)擊穿強(qiáng)度確定，在開(kāi)槽的中心部位，槽邊之間的電壓達(dá)到最大值，此處應(yīng)有擊穿電壓3～4倍的余量。在耦合系數(shù)相同的情況下，每個(gè)耦合槽上分擔(dān)的輻射功率是相同的，則每個(gè)槽上的最大電壓為：

    式中：Enp為發(fā)生擊穿時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度，由此可得最小槽寬。實(shí)際上，槽寬還必須兼顧加工的難易程度，若槽寬太小，則無(wú)法用常規(guī)機(jī)械加工手段實(shí)現(xiàn)。通過(guò)以上分析推導(dǎo)，可得波導(dǎo)開(kāi)槽的尺寸、位置初始值。
    方法二：波導(dǎo)槽位置、尺寸的設(shè)計(jì)可用全波分析方法對(duì)整個(gè)功分合成器建模，然后進(jìn)行迭代求解。但由于結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，這種方法將耗費(fèi)大量機(jī)時(shí)。理想的功率分配／合成網(wǎng)絡(luò)要求每一個(gè)分配和合成單元都有相同的放大幅度和相位。對(duì)于每個(gè)單一的波導(dǎo)——微帶過(guò)渡單元來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是達(dá)到恰當(dāng)?shù)牟▽?dǎo)到微帶的耦合。這可以通過(guò)調(diào)整錐形微帶線(xiàn)外形、開(kāi)槽寬度、長(zhǎng)度和它距離波導(dǎo)邊的距離來(lái)獲得。而整個(gè)分配／合成網(wǎng)絡(luò)就可以通過(guò)級(jí)聯(lián)N個(gè)波導(dǎo)——微帶的過(guò)渡單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。
    基于該方法，一個(gè)4路的功率分配／合成網(wǎng)絡(luò)就可以設(shè)計(jì)出來(lái)了。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以等效為4個(gè)波導(dǎo)即微帶過(guò)渡單元的級(jí)聯(lián)。每個(gè)單元都包含一個(gè)波導(dǎo)寬邊的徑向槽和一個(gè)錐形微帶線(xiàn)。因此該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)就可以簡(jiǎn)化為單個(gè)的波導(dǎo)——微帶過(guò)渡單元的設(shè)計(jì)。
1．2 開(kāi)槽波導(dǎo)空間合成器的結(jié)構(gòu)
    開(kāi)4個(gè)槽的波導(dǎo)功率合成器拓?fù)鋱D如圖3所示。它由4個(gè)開(kāi)在輸入波導(dǎo)同一E面的槽組成，這些槽將輸入功率分為4路同相等幅的信號(hào)。每路信號(hào)耦合進(jìn)入錐形微帶線(xiàn)后，饋入固態(tài)功率放大器件，放大后的信號(hào)由具有同樣槽的輸出波導(dǎo)合成。在每個(gè)波導(dǎo)最后一個(gè)槽后放置短路面，距槽中心距離為1／4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。

2 建模仿真
    先分析錐形微帶線(xiàn)到波導(dǎo)的過(guò)渡并進(jìn)行仿真，得到相關(guān)參數(shù)的初步結(jié)果，尺寸如圖4所示。

    假設(shè)四路功分器彼此隔離，標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ-320的壁厚1 mm，波導(dǎo)長(zhǎng)度為5個(gè)波長(zhǎng)，在該波導(dǎo)E面開(kāi)一槽，距波導(dǎo)側(cè)面h2，槽長(zhǎng)l，槽寬w。短路面距槽中心距離為3λ／4，λ為波導(dǎo)波長(zhǎng)，這里λ是理論值，實(shí)際工作中有所出入可以通過(guò)仿真優(yōu)化得到最優(yōu)值?；褂媒殡姵?shù)相對(duì)較小的Duroid5880(εr=2．2)，厚度0．254mm。
    4 路功分器結(jié)構(gòu)在CST中的仿真模型及電場(chǎng)分布圖如圖5，圖6所示。

    仿真目標(biāo)是每個(gè)輸出端口有相同的輸出功率，即-6 dB的插損；信號(hào)相位一致，在開(kāi)槽波導(dǎo)中，槽的不連續(xù)性使得電磁波在波導(dǎo)中的相速發(fā)生改變，使得最后輸出相位不一致，所以相位的調(diào)節(jié)只能依賴(lài)于調(diào)整功率分配單元之間的距離和微帶線(xiàn)長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。駐波式功分器，波導(dǎo)上縫隙之間的間隔必須等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，考慮到振蕩的影響和偏置電路的安放空間，本文選取一個(gè)波長(zhǎng)作為縫隙間距，但需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。各參數(shù)取值如表1所示。

    仿真結(jié)果如圖7，圖8所示。由圖可以看出，在34．3～35．3 GHz頻段幅度一致性和相位一致性較好。

    兩個(gè)功分器背靠背相連構(gòu)成功分-放大-合成網(wǎng)絡(luò)時(shí)存在兩種方式：對(duì)稱(chēng)式和反對(duì)稱(chēng)式，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9，圖10所示。其中圖9為對(duì)稱(chēng)式，圖10為反對(duì)稱(chēng)式。

    比較圖11和圖12，反對(duì)稱(chēng)式背靠背結(jié)構(gòu)傳輸系數(shù)在頻率高端優(yōu)于對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，這是由于反對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)在功率合成時(shí)可以對(duì)功分帶來(lái)的相位不平衡進(jìn)行一定的補(bǔ)償。

3 結(jié)語(yǔ)
    本文主要研究了具有錐形耦合微帶線(xiàn)的開(kāi)槽波導(dǎo)功率分配器／合成器，其優(yōu)勢(shì)在于將功分與波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換同時(shí)完成，有效降低了系統(tǒng)損耗，減小了體積(理論上尺寸只有53 mm×21 mm×8 mm)。目前，雷達(dá)、通信、航天測(cè)控和精確制導(dǎo)系統(tǒng)迫切需要大功率毫米波固態(tài)源，功率從數(shù)瓦到數(shù)十瓦，甚至數(shù)百瓦以上，這必將促進(jìn)毫米波功率合成技術(shù)的快速發(fā)展。