一種新型Ku波段波導-微帶功率合成器?

王 嘉 胡 蓓（西安導航技術研究所西安710068）

一種新型Ku波段波導-微帶功率合成器?

王 嘉 胡 蓓
（西安導航技術研究所西安710068）

采用HFSS電磁仿真軟件設計了一款新型Ku波段波導-微帶功率合成器，在12.7GHz~16.8GHz范圍內波端口反射系數小于-20dB，微帶端口到波端口的插入損耗在3dB±0.1dB內，相位差為180°±8°內，具有很強的實用價值。

Ku波段；功率合成器；波導-微帶過渡

1 引言

在高功率微波傳輸過程中，矩形波導由于其低損耗的特性，被廣泛應用于天線前端、發射機、接收機、測試器件和低損耗部件中［1］。然而，目前大多數固態器件是基于平面電路應用，其中很大一部分為微帶電路，因此微帶-波導過渡結構成為了連接平面電路與波導系統一個必不可少的器件，一般來說其需要滿足寬頻帶、裝配簡單、低傳輸損耗和高發射損耗等條件［2］。

本文設計了一種Ku波段波導-微帶功率合成器，采用鰭線過渡結構，其不僅具有寬頻帶波導-微帶過渡的特點，同時兼具功率合成的功能，在工程中具有很強的實用價值。

2 設計原理

鰭線結構是一種便于制作毫米波混合集成電路的新型準平面結構［3］，實際使用的鰭線有四種結構，它們是單面鰭線、雙面鰭線、對極鰭線以及單雙面絕緣鰭線［4］。

在毫米波混合集成電路中，一般采用對極鰭線來實現微帶到矩形波導的過渡，在這種結構中，鰭線的槽寬逐漸變化到金屬波導的寬度［5］。對極鰭線的漸變形式包括指數線、余弦線、拋物線等［6］，其中余弦平方由于其便于機械加工，制造成本低等特點，使用最為普遍［7］。

余弦平方的設計公式為

式中，w為50ohm微帶線寬；Z為鰭線傳輸線的縱向坐標；L為過渡段長度。

經典的波導-微帶對極鰭線過渡結構如圖1所示。在整個過渡長度內，基片兩面的金屬鰭逐漸將波導口的電場逐漸轉化成微帶的TEM模［8］。1、2區的作用是將入射的TE10模旋轉90°，在交疊鰭區域傳播準TEM模，此外，它還將波導的高阻抗轉化為微帶的低阻抗［9］。3、4、5區將對極鰭線轉變為微帶

ClassNumber TN73線。為了消除諧振，可加入防諧振片S［10］，可將其等效為槽長為L1的槽線諧振器。

3 模型設計及仿真

針對波導-微帶功率合成器的實際使用頻率為Ku波段，使用HFSS三維電磁仿真軟件對模型設計、仿真及優化。該模型主要由兩部分組成，一部分為Ku波段的標準波導，另一部分為插入波導內部的介質板，其中兩個對極鰭線覆蓋在介質板的上表面，背面覆蓋一層地板，地板由兩部分組成，一部分為鰭線形成的弧形區域，一部分為矩形區域。

波導的尺寸采用Ku波段BJ140標準矩形波導尺寸（15.799mm*7.899mm），介質基板選擇介電常數為2.2的Rogers 5880，厚度為0.254mm，長度為40mm，介質基板距離波導壁k為3mm，根據實際的工作頻率12GHz~18GHz（中心頻率為15GHz）可計算出微帶線的寬度為0.76mm，鰭線間距為4.5mm，建立模型如圖2所示。

圖2 中，a、b分別為標準波導的長邊和短邊，t為微帶線的線寬，Wh為兩個鰭線之間的間距，k為介質板距離波導壁的距離，Kcl為背面地板矩形部分的長度。

其中，鰭線1、2的曲線均為余弦平方公式，鰭線3的曲線為余弦公式，最終模型仿真S參數結果如圖3所示。

由圖3（a）中可看出，波端口的反射系數在12.7GHz~16.8GHz頻帶范圍內反射系數均在-20dB以下，說明波端口匹配良好，能滿足寬頻帶的要求。由圖3可看出，微帶饋電端口到波端口的傳輸系數在3dB±0.1dB范圍內浮動，說明其傳輸特性良好。微帶饋電端口的相位差如圖4所示。

由圖4中可以看出，端口的相位差在180°±8°范圍內，能夠滿足工程的需要。

4 參數分析及優化

由于微帶端口在傳輸過程中，主要依靠上層基片與地板之間的準TEM波來傳輸［11］，因此場的能量主要集中在基片區域，但會有少部分存在于基片上方的空氣區域［12］。圖5為微帶橫截面處的電場分布圖。

由圖5可以看出，微帶鰭線之間的間距以及地板的形狀會對此波導-微帶功分器的電磁特性產生比較大的影響［13］，通過HFSS的優化參數分析，鰭線間距Wh的優化仿真結果如圖6所示。

由圖6可以看出，Wh在小于4mm的時候，波端口失配比較嚴重，在高于4mm之后，整個頻帶內迅速產生諧振，這是因為在兩個微帶端口距離較近的時候，微帶端口之間耦合比較嚴重，導致波端口的能量反射比較厲害，從而使其失配比較嚴重，反射系數比較差。但是，也不能間距過大，這會導致鰭線距離波導壁過近，端口與波導壁產生一定的耦合，導致傳輸系數變差，因此最終選擇Wh為4.5mm這一組數據。

圖7 為優化地板矩形面積的結果，由圖中可以看出當kcl為零時，沒有矩形部分，此時全頻帶內波端口反射系數很差，在l/6的時候，達到最佳，因此最終我們kcl的長為l/6。

5 結語

本文設計了一款Ku波段波導-微帶功率合成器，在12.7GHz~16.8GHz范圍內S11￡-20dB，插入損耗在3dB±0.1dB內，相位差為180°±8°范圍內，它不僅具有寬頻帶內波導微帶過渡的特點，同時完成了功率合成的功能，在大功率合成中具有很強的實用價值。

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A New Ku-band W aveguide-m icrostrip Power Com biners

W ANG Jia HU Bei
（Xi?an Navigation Technology Research Institute，Xi?an 710068）

A new Ku-band waveguide-m icrostrip power combiners has been designed by HFSS，for the wave port S11 ￡-17dB in 12.7GHz~16.8GHz，themicrostrip S12 and S13 are in 3dB±0.1dB，phase difference is in 180°±8°，which is really use?ful in practice.

Ku-band，power combiner，waveguide-microstrip

TN73

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.031

2016年11月8日，

2016年11月27日

王嘉，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：高功率微波傳輸。