??? 摘? 要： 研究了一種改進(jìn)型毫米波開槽波導(dǎo)空間功率分配合成網(wǎng)絡(luò)。該功率分配/合成結(jié)構(gòu)具有合成效率高且合成效率基本不受合成路數(shù)的限制、尺寸小、設(shè)計(jì)過程靈活和容易散熱等特點(diǎn)。在詳細(xì)闡述了其原理及設(shè)計(jì)過程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為38 GHz的Ka頻段末端的功率合成器。仿真結(jié)果顯示此種結(jié)構(gòu)回波損耗小于-12 dB的帶寬達(dá)2.3 GHz，相對中心頻率帶寬約為6%，且插入損耗小于0.3 dB，可見具有極低的插入損耗和較低的回波損耗，從而驗(yàn)證了此種結(jié)構(gòu)的可行性。 ?

??? 關(guān)鍵詞： 毫米波； 開槽波導(dǎo)； 空間功率合成； 波導(dǎo)-微帶過渡

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??? 毫米波頻段廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星保密通信、導(dǎo)彈精確制導(dǎo)、雷達(dá)、電子對抗等方面，提高發(fā)射機(jī)的輸出功率意味著具有更好的通信質(zhì)量、更大的作用半徑、更強(qiáng)的抗干擾能力，所以提高毫米波電路輸出功率對系統(tǒng)性能至關(guān)重要，但是在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，單片毫米波功放芯片（MMIC）的輸出功率是有限的，一般只能達(dá)到瓦級，采用功率合成技術(shù)是一種有效的解決問題的方法。功率合成的實(shí)現(xiàn)方式可分為電路合成和空間合成。電路合成具有帶寬寬的優(yōu)點(diǎn)，但是工作頻率較低，在毫米波頻段其合成效率低下，損耗很大，因而不適合在毫米波頻段應(yīng)用；空間功率合成相對帶寬較窄(3 dB帶寬約5%左右)，但是因?yàn)槠浜铣尚驶九c固態(tài)器件數(shù)量無關(guān)，更適合多器件的大功率輸出，并且具有容易散熱、外形小等優(yōu)點(diǎn),因而得到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，在微波、毫米波頻段提出了一些實(shí)現(xiàn)的方式?？臻g功率合成技術(shù)由ALEXANIAN A和YORK R A于1997年提出^[1]。此后，以YORK R A教授為代表的學(xué)者相繼提出了規(guī)則矩形波導(dǎo)、擴(kuò)展尺寸矩形波導(dǎo)和擴(kuò)展同軸線內(nèi)空間功率合成等形式，并在X波段和K波段研制并實(shí)現(xiàn)基于該類結(jié)構(gòu)形式的空間功率合成系統(tǒng)^[2-3]；1999年BASHIRULLAH R和MORTAZAWI A提出了開槽波導(dǎo)空間功率合成器^[4-5]，在10 GHz時(shí)8路的合成效率為88%，3 dB帶寬為5%。但是在毫米波頻段的實(shí)現(xiàn)方式報(bào)道的不多，國內(nèi)在這方面的研究還處于初級階段。?

??? 毫米波系統(tǒng)的成功應(yīng)用很大程度上取決于系統(tǒng)功率的大小，功率分配合成網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)功率輸出的關(guān)鍵部件，本文在參考文獻(xiàn)[4]、[5]基礎(chǔ)上，對此種開槽波導(dǎo)空間功率合成方法進(jìn)行了改進(jìn)，把其工作頻帶拓展到Ka頻段末端，設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為38 GHz的6路功率合成器，其具有較寬的帶寬、極低的插入損耗和較低的回波損耗等特點(diǎn)。?

1 原理與結(jié)構(gòu)?

??? 開槽波導(dǎo)空間功率合成器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其原理是信號從波導(dǎo)口輸入，利用在輸入波導(dǎo)寬邊上開完全相同的縫隙耦合能量到鋪設(shè)在波導(dǎo)上壁的微帶線中實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)-微帶過渡，用6路此類結(jié)構(gòu)構(gòu)成功率分配網(wǎng)絡(luò)；耦合出來的信號采用MMIC放大；根據(jù)微波無源網(wǎng)絡(luò)互易定理，功率分配網(wǎng)絡(luò)反過來可用作功率合成網(wǎng)絡(luò)，各MMIC輸出端接上反對稱放置的功率分配網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)功率的合成輸出。在輸入和輸出的另一面用短路活塞實(shí)現(xiàn)短路壁。該結(jié)構(gòu)較好地解決了空間功率合成時(shí)在有限空間內(nèi)如何放置多器件的一大難題，因?yàn)榇私Y(jié)構(gòu)的合成效率基本與合成路數(shù)即固態(tài)器件數(shù)量無關(guān)，當(dāng)需要更大的功率輸出時(shí)，增加合成路數(shù)即可。?

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2 電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇準(zhǔn)則?

??? 開槽波導(dǎo)功率合成器設(shè)計(jì)可以采用基于電磁場有限元方法的三維電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行全波仿真，但是非常耗機(jī)時(shí)，給設(shè)計(jì)帶來困難，一個(gè)更好的辦法是對其進(jìn)行分布式參數(shù)等效^[5-6]，如圖2所示。?

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??? 波導(dǎo)寬邊上的縫隙用傳輸線的支路部分來代替。第K個(gè)波導(dǎo)-微帶過渡單元所帶來的不連續(xù)性用電導(dǎo)G_K和電納B_K來等效。L_K(K=2，3，…，N)為第K個(gè)縫隙中心和第(K+1)個(gè)縫隙中心的距離。Y0是波導(dǎo)TE₁₀模式的特性導(dǎo)納。假設(shè)相鄰單元的耦合是可以忽略的，則從波導(dǎo)口向里看去每一節(jié)波導(dǎo)部分的導(dǎo)納是^[6]：?

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??? 首先設(shè)計(jì)每個(gè)波導(dǎo)——微帶過渡單元，然后級連起來就構(gòu)成了整個(gè)分配/合成網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)?？臻g功率合成的另一大難題是在盡可能大的帶寬內(nèi)分/合成時(shí)信號幅度、相位的一致性，以及各路之間有足夠的隔離度。故設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于波導(dǎo)寬邊上縫隙尺寸、縫隙到波導(dǎo)中心的距離、短路壁距最后一路縫隙中心的距離、每相鄰單元的間距的設(shè)計(jì)以及波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換處的阻抗匹配。?

??? 波導(dǎo)寬邊上縫隙尺寸的選擇：按照波導(dǎo)縫隙天線的理論，在特定頻率下，縫隙的長度為諧振長度時(shí)，阻抗的虛部消失，表現(xiàn)為純電導(dǎo)，假設(shè)每個(gè)單元的縫隙長度一樣，此時(shí)有：?? ?

??? G₁=G₂=…=G_K=…=G_N?

則信號輸入波導(dǎo)口的導(dǎo)納為：?

?????

??? 縫隙諧振長度的選擇先通過粗略的計(jì)算，確定一個(gè)初值，再通過Ansoft HFSS仿真、優(yōu)化，當(dāng)波導(dǎo)口的導(dǎo)納符合im(Y)=0時(shí),長度就是中心頻率的諧振長度。由于毫米波頻段末端色散嚴(yán)重，以及在縫隙上面鋪上微帶板，影響了電磁場的分布，高次模復(fù)雜，因此由公式計(jì)算出來的初值有可能與軟件仿真出來的值差異較大，需要反復(fù)仿真得到。縫隙的寬度對性能影響相對較小，一般選擇原則是能夠抵擋縫邊之間的最大電壓擊穿強(qiáng)度的沖擊以及兼顧機(jī)械加工的難度。?

??? 縫隙到波導(dǎo)中心的距離的選擇：當(dāng)能量在波導(dǎo)中行波傳播時(shí)，各路耦合系數(shù)分別為：1/(N+1-k),k=1,2,…,N。當(dāng)能量在波導(dǎo)中駐波傳播時(shí)，各路耦合系數(shù)分別為：1/N。每路波導(dǎo)-微帶過渡的耦合系數(shù)大小可以通過調(diào)節(jié)縫隙到波導(dǎo)中心的距離加以實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)過程中要兼顧每路信號幅度的平衡度。?

??? 短路壁距最后一路縫隙中心的距離的確定：當(dāng)開槽波導(dǎo)功率合成器工作在駐波方式時(shí)，短路壁對性能的影響相當(dāng)敏感，此處選擇的距離大約為3/4波導(dǎo)波長(3λ_g/4)，工程中實(shí)際長度需優(yōu)化得到。在距最后一路縫隙中心為3λ_g/4處設(shè)置短路壁的原因是，當(dāng)某一相位的電磁波向短路面?zhèn)鞑?，?jīng)歷3/4波導(dǎo)波長，在短路壁處全反射，再經(jīng)過3/4波導(dǎo)波長，再次回到最后一路縫隙中心處時(shí)與原來同相，同相場相互疊加獲得更強(qiáng)的場，使得作為接收天線的微帶線在電場強(qiáng)的地方可以得到更好的耦合效果。?

??? 每相鄰單元間距的確定：由于鋪設(shè)在縫隙上面的微帶線的不連續(xù)性，微帶探針很容易引起振蕩；此外相鄰單元要獲得足夠的隔離度；還要考慮MMIC放置的問題，合理地設(shè)置每相鄰單元的間距至關(guān)重要。經(jīng)理論分析發(fā)現(xiàn)，如果距離落在nλ_g/4(n取奇數(shù)，頻率在30 GHz～40 GHz范圍內(nèi))，則必然在32 GHz～38 GHz范圍內(nèi)出現(xiàn)振蕩，使得幅度有較大不一致，工程上一般取半個(gè)波導(dǎo)波長的整數(shù)倍，設(shè)計(jì)過程中折中考慮，用軟件優(yōu)化取得一個(gè)最優(yōu)值。?

??? 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換處的阻抗匹配：標(biāo)準(zhǔn)BJ320波導(dǎo)等效阻抗大約為500 Ω，比標(biāo)準(zhǔn)微帶線特征阻抗50 Ω高很多。利用減高波導(dǎo)(7.112 mm×1.778 mm)是一種有效的方法^[6-7]，但是不便與外部部件連接。本文對此做了改進(jìn)，采用標(biāo)準(zhǔn)BJ320波導(dǎo)(7.112 mm×3.556 mm)，把鋪設(shè)在縫隙上面的微帶線特征阻抗設(shè)為75 Ω，再通過一個(gè)過渡匹配至50 Ω，較好地解決了匹配問題又方便與外部部件連接。75 Ω微帶線開路端距縫隙中心距離為1/4微帶波長（λ_w/4），使得縫隙的中心處于微帶線的射頻短路點(diǎn)，縫隙輻射出的能量能夠最有效地激勵(lì)起微帶中的場，更好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。?

??? 頂蓋尺寸的確定：為了取得更好的回波損耗、更好的隔離度，本文在參考文獻(xiàn)[4]、[5]的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，在每路MMIC周圍加上一個(gè)金屬頂蓋，蓋子兩端距離縫隙中心λ_g/4，這樣從縫隙輻射出來的信號和從蓋子兩端發(fā)射回來的信號在縫隙中心處同相疊加，加強(qiáng)微帶線的耦合作用，且信號不會(huì)輻射到空氣中損耗掉。此外，這種結(jié)構(gòu)在調(diào)試某一路時(shí)不會(huì)影響到相鄰的單元，方便調(diào)試。仿真發(fā)現(xiàn)蓋子的高度對性能的影響不大，可適當(dāng)選取。?

3 無源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果?

??? 采用標(biāo)準(zhǔn)BJ320波導(dǎo)，微帶板基片選用易于加工和低損耗的Rogers公司生產(chǎn)的介電常數(shù)相對較小的RT Duroid5880基片(ε_r=2.2,厚度0.254 mm)。?

??? 根據(jù)以上設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)38 GHz的6路開槽波導(dǎo)空間功率合成器，其中縫隙的尺寸為：5 mm×1.5 mm，距離波導(dǎo)中心的距離為3.1 mm；微帶板距波導(dǎo)上表面為1mm，50 Ω微帶線寬度為0.774 mm；短路壁距最后一路縫隙中心為0.77λ_g。設(shè)計(jì)過程中，先對各參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，粗略計(jì)算各參數(shù)的初值，然后用HFSS軟件仿真、優(yōu)化。功率分配器第一至第六路輸出口分別定義為端口2、3、…、7，其仿真結(jié)果如圖3至圖6所示。?

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??? 從圖3可以看出在36.5 GHz～39.5 GHz的范圍內(nèi)，輸入端的回波損耗小于-15 dB的帶寬達(dá)1 GHz，各路耦合系數(shù)為-7.8左右，幅度不平衡度小于0.3 dB，取得了較好的幅度一致性。從圖4、圖5和圖6可以看出在36.5 GHz～39.5 GHz的范圍內(nèi)，相位一致性較好，隔離度基本達(dá)到-15 dB以下（除第一路和第二路之間的隔離度外）。?

??? 把功率分配器連接成為功率合成器有兩種方式：對稱放置和反對稱放置。其中反對稱放置對信號的相位有一定的補(bǔ)償，有利于相位的一致性，功放的合成效率更高，插損更小。此功率合成器仿真結(jié)果如圖7所示。?

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??? 從圖7可見，整個(gè)合成網(wǎng)絡(luò)回波損耗小于-12 dB的帶寬達(dá)2.3 GHz，插入損耗小于0.3 dB。由于開槽波導(dǎo)空間功率合成結(jié)構(gòu)是基于諧振方式，其相對帶寬較窄，一般只能達(dá)到5%左右。本文設(shè)計(jì)的空間功率合成器相對帶寬約為6%，帶寬有所拓展。?

??? 最后進(jìn)行公差分析，對最敏感的尺寸參數(shù)在公差(±0.05 mm)范圍內(nèi)仿真發(fā)現(xiàn)，此網(wǎng)絡(luò)各性能指標(biāo)偏差不大，說明此結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)健性。?

??? 本文提出了一種改進(jìn)型的適用于毫米波頻段的開槽波導(dǎo)空間功率分配合成網(wǎng)絡(luò)，詳細(xì)闡述了其原理及設(shè)計(jì)過程，并在中心頻率為38 GHz的Ka頻段末端設(shè)計(jì)了此種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。仿真結(jié)果顯示，此種結(jié)構(gòu)具有極低的插入損耗和較低的回波損耗，相對帶寬也有所增大，此外，還具有散熱容易、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)果顯示此改進(jìn)型的結(jié)構(gòu)相對參考文獻(xiàn)[4]、[5]來說，能工作在更高的頻段，插損更小，且?guī)捯灿兴龃螅f明了此結(jié)構(gòu)的可行性，是一種較有競爭力的空間功率合成方式。?

參考文獻(xiàn)?

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[5]?BASHIRULLAH R, MORTAZAWI A. A slotted-waveguide ??? power amplifier for spatial power-combining applications[J].IEEE Trans. Mircow. Theory Tech., 2000,48(7):1142-1147.?

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