一种Ka波段链式功率合成结构设计

贾 兵，赵永久，贺 颖

(南京航空航天大学电子信息工程学院，江苏南京210016)

0 引言

近年来，技术上较成熟的功率合成结构多是基于传统的3 dB波导电桥［1］多级合成原理，可以得到较高的毫米波功率输出。但当合成级数增加时，合成网络损耗将成倍增加，相应的合成效率将大幅下降，在合成级数达到一定数量后，将难以有效地提高固态毫米波功率输出。

基于波导的链式功率合成是一种较好的选择，在波导纵向分出多路微带支路实现功率分配，避免了波导截面尺寸对放大单元数目的限制，而且各集成传输线支路分散排列的方式，为大功率固态器件集成提供了较好的散热通道，有利于功率器件性能发挥。文献［2］对链式功率合成结构进行了较全面的分析，本文在此基础上提出了一种新颖的功率分配合成结构。该结构降低了加工的难度，并且扩展了工作带宽，提高了功率合成效率。

1 链式功率合成

一些学者已经对链式功率合成结构［3］进行了研究，文献［4，5］中的功率分配合成结构是通过同轴探针深入波导中进行能量的耦合来实现的;文献［6］中提出了用波导—微带探针过渡的形式，但该结构是一个谐振结构，带宽较窄;文献［7，8］是通过波导开槽结构来实现能量的耦合。本文是基于文献［2］中提出的功率分配合成结构，通过伸入波导E面的微带探针来实现每一级能量的耦合，并通过每一级耦合结构后面的容性膜片来实现各级探针的阻抗匹配，在带宽、合成效率和插入损耗等方面都有很好的表现。这种结构是在X频段提出的，如果将其应用在Ka波段甚至更高的频率，由于匹配膜片的存在，这种结构的加工就变的比较困难了，在毫米波频段，匹配膜片的尺寸将变的很小，其尺寸略微变化就将引起结果的剧烈恶化。改进的结构如图1所示，避免了膜片的使用，而是用阶梯波导来实现阻抗的匹配，这样的结构使四路功率分配器输出端口得到的结果幅度一致性更好，带宽也更宽。

图1 阶梯波导链式功率分配合成结构

2 原理分析

基于波导的链式功率合成结构是在输入波导中沿着电磁波传播方向插入多个无反射的耦合结构，每个耦合结构都可以从输入波导耦合出一定比例的能量，耦合出的能量经过放大器放大后进入输出波导，最终在波导输出端口合成输出。

这种结构可以看作2个背靠背连接的功率分配结构，每一个分配结构又可以等效为3个三端口网络和1个二端口网络的级联，每个三端口网络的S参数应该为:

最后一阶结构是一个二端口网络，它对应的S参数为

下面用信号流图对功率分配结构进行分析，以便了解每个三端口/二端口网络本身的性能对整体结构的影响。为简化分析，下面对一个二阶结构进行分析，该结构由一个三端口网络级联一个二端口网络而成，如图2所示。

图2 2阶结构信号流

最终分析结果如下:

此外可以求得:

在S44不是足够小的频率点上，由S11和S31S44S13这2项组成，如果这2项相位差接近180°，则会减小;如果相位差接近于0°，则会增大

同样道理，在S44不是足够小的频率点上，由S21和S31S44S23这2项组成，如果这2项相位差接近180°，则会减小;如果相位差接近于0°，则会增大

3 建模与分析

3.1 4路功率分配结构设计

根据以上的原理介绍，使用HFSS对提出的功率分配结构(图1所示结构的一半)建模，并进行仿真优化。因为功率4路分配结构可以看成3个三端口网络和1个二端口网络的级联，由式(1)、式(2)和式(3)可求出每一级结构的耦合度，如表1所示。

表1 各级三端口网络耦合系数

根据表1，先对每一级三端口网络进行建模仿真，当每一级结构都优化完成后，再将各级结构级联起来进行微调。在该功率合成结构当中，对于最后一级结构，当平面探针横跨整个波导时，得到的结果会更好，仿真的最终结果如图3所示。

由仿真结果看出，该4路功分结构的带宽很宽，为28.5～36 GHz，回波损耗＜－15 dB，各耦合端口幅度平衡度在29.5～35.5 GHz为时±0.25 dB，相比于文献［2］中4 GHz的幅度平衡度为±0.5 dB的带宽，这种改进的结构表现了良好的性能。

图3 四路功率分配结构S参数曲线

3.2 4路功率合成结构设计

将2个功率分配结构背对背连接起来就构成了一个功率分配合成结构，对其进行仿真，结果如图4所示。

图4 4路功率合成结构S参数曲线

从仿真结果可看出，该结构的反射信号上有很多波峰，这对整个结构的工作带宽有很大的影响，在文献［2］中对这种现象给出了解释。下面用信号流的形式对该结构进行分析，如图5所示，其中Lx表示连接三端口网络的传输线的长度，Ly表示连接输入波导和输出波导的传输线长度。

图5 用信号流图表示功率分配合成结构

正常的合成路径是:

这4个路径的信号最终在输出端口同相合成。但是由于任何无源的三端口网络不能同时实现无耗、互易和各个端口的匹配，在文中每个三端口网络只有在输入端是匹配的，即在端口1、6、11和16是匹配的，在功率合成结构中端口2、3、7、8、12 和13 都存在反射波，这些反射波的影响造成了反射信号上波峰的存在。现在对功率合成结构中端口2和3进行分析，其他端口类似，端口2和端口3的反射波分别为:

为了保证背对背结构的对称性，必须使每级耦合结构间的波导长度相等，同时也必须满足Ly2=Ly3，Ly1=Ly4，于是式(14)和式(15)简化为:

由式(16)和式(17)可看出，当功率分配结构确定后，只有分别调整Ly2跟Ly1的值，才可能使各个端口的反射波在一定的频带内相互抵消，本文在Ly2和Ly3上加了一段圆弧，并对圆弧进行仿真优化，最后得到的结果如图6所示。

图6 改进后的背对背结构仿真结果

由仿真结果可看出，该4路功分结构在28～35.5 GHz，回波损耗 ＜ －15 dB，插入损耗不大于0.9 dB，与幅度平衡度为±0.25 dB的等功率功分带宽29.5～35.5 GHz相对应，展现了较宽的带宽，验证了该功率分配合成结构的可行性。如果将匹配良好的放大器置于连接输入波导与输出波导的微带传输线上，放大器的存在将会消除来自输出波导的反射信号，从而减小反射信号的波峰，这将会使该背对背结构的－15 dB带宽扩展到整个频带。

4 结束语

提出了一种新颖的工作于Ka波段的波导链式功率分配合成结构，具有工作频带宽、合成效率高和易加工的优点。在对功率分配结构进行仿真建模时，多个不同的尺寸组合都可以达到相同的效果，这里要选择一种有较强误差容忍度的组合。虽然设计的是工作于Ka波段四路的功率合成结构，但同样可以用于其他频段多路功率合成的结构设计当中。该结构弥补了传统的基于波导的链式功率合成结构的不足，在多级功率合成中有着重要应用价值，在毫米波功率合成中有着广阔的应用前景。

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