纪新峰，陈 会，张京国，张玉兴

(1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009;2.电子科技大学 电子工程学院，成都 611731)

0 引言

随着微波毫米波固态器件的发展，固态微波毫米波高功率放大技术引起了人们的广泛关注。由于单个MMIC 输出功率能力有限，难于满足工程应用的要求，功率合成技术是获得大功率固态微波毫米波源的最重要、最有效途径。功率分配/合成技术性能的好坏直接影响到整个系统能量的分配和合成效率。

对于功分器，需要在一定的频率范围内输出功率按一定的比例分配，并且要求各输出端口之间相互隔离，各输入输出端口匹配及传输损耗尽可能小［1-3］。传统的平面功率合成方法，如wilkinson 功分器、lange电桥和分支线耦合器等，由于输出功率有限、工作带宽窄［1-3］和散热特性差等一些固有的缺陷已不适用，而波导空间功率合成以其宽频带、低插损和散热特性良好的优点［4-6］正成为国内外研究的热点。

本文在综合各种合成结构优劣基础上，根据径向波导主模(TM00模）对称性特点，设计并制作了一种基于径向波导的五路功分/合成方案。测试结果表明，该合成器在X波段接近900 MHz 带宽内插入损耗小于0.75 dB，输入回波损耗大于20 dB，输出回波损耗大于12.5 dB，具有优良的散热特性和大功率承受能力，特别适合于制作宽带微波毫米波大功率合成放大器。

1 无源网络设计及理论依据

根据电磁场理论，径向波导中主模为TM00，它的场结构表达式如下:

因此，径向波导的主模TM00模电磁场分布具有轴向对称性:电场只有z 向分量，磁场只有Ф 向分量;在半径为R的圆周上，电场相同，磁场大小相等，方向沿圆周切向分布［7］。这种场结构的对称特性为构建N端口功率分配/合成器提供了理论依据。

根据TM00模的场结构特点，本文设计的X波段五路径向波导功分/合成器的二维平面视图及尺寸定义如图1所示，其中图1(a）是俯视图，图1(b）是截面图。波导内包含一个中心探针和5个均匀分布的外围探针。5个外围探针均匀分布在一个同心圆上，这样可简化功分/合成电路结构。为了保持电路结构的对称性，所有外围探针的形状和尺寸都相同，根据匹配特性，中心探针可能与外围探针形状和尺寸不同。

图1 五路功分器的二维视图

根据文献［8］对波导功分器进行理论分析，可以得到径向波导功分器的初始尺寸，即径向腔体直径为2R=60.0 mm，高度p=20.0 mm;中心探针直径为a=3.0 mm，高度为d=5.3 mm，同轴探针内导体直径为b=1.3 mm，外导体直径为4.2 mm，高度c=2.2 mm;外围探针直径e=2.4 mm，高度h=6.5 mm，而同轴探针直径与中心探针的尺寸一样，即f=1.3 mm，g=2.2 mm，而外围探针距离中心导体的距离为r=22.0 mm。

在全波电磁场仿真软件HFSS 环境下，所构建的五路径向波导功分器/合成器的电磁场仿真模型如图2所示。在一定条件下，图2所示径向波导的中心同轴探针可在径向波导中激励起TM00，其能量在沿着径向传播的过程中会遇到对称分布的分支同轴探针，这样能量就会耦合到分支同轴探针上，从而实现能量的等分，反之则为合成。图2 形象地展示了能量被等分或合成的原理。

图2 电磁模型及电场矢量分布

根据这种空间功率合成系统的结构和主模的对称性，可推知它的各路幅相一致性很好［8］;又因为它属于波导系统，所以传输损耗很小，而功率容量很大［4］;另外，因主模TM00模为柱面TEM 模式(把径向看为波传播方向时），所以可推知它一定具有较宽的工作带宽。由此可见，用径向波导构建成的空间功率合成系统一定是一种工作带宽宽、合成效率高、功率容量大的理想空间功率合成系统。

2 简化模型及等效电路

为了分析径向功分/合成电路，可以把径向波导功分器/合成器等效为一种简化的电磁模型，将整个功分器/合成器分为两个区域:半径为R0的包含中心探针的中心区域和中心区域以外的包含外围探针的外围区域。根据TM00电磁场分布特点，扇形波导间可用理想磁壁分开。当功分器/合成器路数较多时，每个扇形波导可近似为矩形波导［9］。

以N 路径向功分/合成电路为例，把含中心探针的中心区域可以看作一个二端口电路，外围区域可以等效为N个矩形波导-探针过渡结构，每个波导-探针过渡也可以等效为一个二端口电路。这样，外围区域就可以等效为由N个波导-探针过渡电路的并联结构，从而可以得出径向波导功分电路/合成电路的总体等效电路［9］，如图3所示。

图3 径向波导功分器总体等效电路

图3中，Yp=G+jB为外围探针导纳，从参考面AA'看向左边的导纳为Y1=GL+jBL，而从参考面AA'看向右边的外围探针阵列方向的导纳为Y2=GS+jBS。功分合成电路要达到良好匹配必须满足以下条件:

当令Φ1=00时，可以得到外围探针阵列的总导纳为

当确定了G、B和Φ2之后，就可以确定Y2值，那么中心探针的导纳值YC=GC+jBC和ABCD 矩阵就可以确定下来了。

3 径向波导功分器的仿真及测试结果

根据上述电磁场原理，以上结构的整个仿真优化过程总体上分为以下几个步骤:首先根据X波段频率，确定径向波导的初始尺寸，然后利用HFSS 三维电磁场仿真软件对建立的初始结构模型进行仿真。初始结果与理想数据有一定的偏差，可以通过优化外围探针到中心的距离、外围探针的半径、外围探针的高度得到更好的仿真结果。图2 就是利用上述原理建立的X波段五路功分器/合成器最终的整体电磁场仿真模型。从图2 可以直观地看出，电场能量被等距离分布于径向波导同一半径圆周上的各支路同轴探针等分。本文中的功率分配器，端口1为输入端口，2、3、4、5、6为输出端口。

幅度、相位与频率关系的仿真结果分别如图4、图5所示。由图可知，5 条支路的振幅和相位在仿真的整个频率范围内重合为一条曲线。这说明由于功分器结构和主模的对称性，各支路的幅相一致性非常好，幅度差和相位差几乎不影响合成效率。

图4 输出端口幅度与频率的关系

图5 输出端口相位与频率的关系

根据仿真建模时的材料、尺寸要求，腔体和探针分别选择紫铜、铝两种材料，加工时注意尽可能增加腔体内表面的光洁度，加工精度控制在0.1 mm。由于加工装配误差的存在，需加工不同半径、长度的外围探针和中心探针，以备调试时使用。装配后的功率分配器外部结构输入端平面图、输出端平面图如图6所示。

图6 功分器加工实物图

功分器的插入损耗及输入回波损耗仿真曲线与测试曲线如图7所示。由图可知，五路径向波导功分器/合成器在X波段近900 MHz的带宽范围内，插入损耗及输入回波损耗的仿真与测试结果一致性比较好，插入损耗小于0.75 dB，输入回波S11大于20 dB，输入回波损耗和插入损耗指标都很好。

图7 插入损耗及输入回波损耗的仿真与测试结果

功分器的输出回波损耗仿真与测试结果如图8所示。功分器在X波段近900 MHz的带宽范围内，仿真结果与测试结果一致性比较好，低端频率输出回波损耗测试结果优于仿真结果，高端频率，测试结果劣于仿真结果，输出回波损耗S22 大于12.5 dB。可见，以端口2为代表的分配器输出端口的S 参数很差，但是这并不能反应输出端口的实际反射情况。这主要是因为在多端口网络反射电压波不仅和自身端口S 参数有关，还和其他端口之间耦合有关。由于2、3、4、5、6 这5个输出端口位于同一个平面上，它们之间的耦合更强［10］。

图8 输出回波损耗的仿真与测试结果

为了更好地得到功率合成网络的插入损耗，估算无源合成网络的合成效率，需要进行功率合成网络的背靠背测试。图9所示两个相同的径向波导功分器背对背连接组成的无源功率合成电路。通过双阳头连接两个功率分配器，测试其插入损耗，其中连接头有0.1 dB的额外插入损耗。

图9 无源背靠背功率合成测试平台

图10所示为无源背靠背合成插入损耗的测试结果。由图可知，在X波段近900 MHz的频率范围内，插入损耗比较平坦，在低端频率插入损耗很小，几乎接近于零，在f0+0.5 GHz处达到1.34 dB的最大插入损耗。由于功率分配与功率合成电路的对称性，可知功率合成器的最大插入损耗为0.67 dB，即背靠背系统插入损耗的一半。如果不考虑有源单片、连接头造成的影响，可知无源合成网络的最大插损小于0.57 dB，估算出无源部分合成效率为

图10 无源背靠背功率合成测试结果

当这种径向功分/合成电路应用于有源功率合成电路时，可实现多器件的功率合成，获得较高的功率合成效率，在大功率多端口功率合成系统中具有广泛的应用前景。

4 结束语

本文根据径向波导中主模TM00的传输特性，提出了径向波导空间功率分配器/合成器的设计原理及简化模型;根据无源网络的设计原理和等效电路，利用全波电磁场仿真软件HFSS 设计、仿真并制作了一款X波段五路宽带径向波导功率合成器，测试结果表明，该合成器在X波段近900 MHz的带宽范围内，插入损耗小于0.75 dB，输入回波损耗大于20 dB，输出回波损耗大于12.5 dB。分析表明该种合成结构具有插入损耗低、合成效率高以及良好的端口匹配等优良特性。同时，设计的波导合成器具有结构紧凑且散热良好的特性，特别适合与高功率MMIC 芯片结合，制作微波大功率合成放大器。因此，该结构在大功率多端口功率合成系统中具有广泛的应用前景。

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