一种改进型毫米波开槽波导空间功率分配合成网络

毫米波频段广泛应用于卫星保密通信、导弹精确制导、雷达、电子对抗等方面，提高发射机的输出功率意味着具有更好的通信质量、更大的作用半径、更强的抗干扰能力，所以提高毫米波电路输出功率对系统性能至关重要，但是在现有的技术水平下，单片毫米波功放芯片（MMIC）的输出功率是有限的，一般只能达到瓦级，采用功率合成技术是一种有效的解决问题的方法。功率合成的实现方式可分为电路合成和空间合成。电路合成具有带宽宽的优点，但是工作频率较低，在毫米波频段其合成效率低下，损耗很大，因而不适合在毫米波频段应用；空间功率合成相对带宽较窄(3 dB带宽约5%左右)，但是因为其合成效率基本与固态器件数量无关，更适合多器件的大功率输出，并且具有容易散热、外形小等优点,因而得到国内外学者的关注，在微波、毫米波频段提出了一些实现的方式。空间功率合成技术由ALEXANIAN A和YORK R A于1997年提出[1]。此后，以YORK R A教授为代表的学者相继提出了规则矩形波导、扩展尺寸矩形波导和扩展同轴线内空间功率合成等形式，并在X波段和K波段研制并实现基于该类结构形式的空间功率合成系统[2-3]；1999年BASHIRULLAH R和MORTAZAWI A提出了开槽波导空间功率合成器[4-5]，在10 GHz时8路的合成效率为88%，3 dB带宽为5%。但是在毫米波频段的实现方式报道的不多，国内在这方面的研究还处于初级阶段。

毫米波系统的成功应用很大程度上取决于系统功率的大小，功率分配合成网络是实现功率输出的关键部件，本文在参考文献[4]、[5]基础上，对此种开槽波导空间功率合成方法进行了改进，把其工作频带拓展到Ka频段末端，设计了一个中心频率为38 GHz的6路功率合成器，其具有较宽的带宽、极低的插入损耗和较低的回波损耗等特点。

1 原理与结构

开槽波导空间功率合成器结构如图1所示。其原理是信号从波导口输入，利用在输入波导宽边上开完全相同的缝隙耦合能量到铺设在波导上壁的微带线中实现波导-微带过渡，用6路此类结构构成功率分配网络；耦合出来的信号采用MMIC放大；根据微波无源网络互易定理，功率分配网络反过来可用作功率合成网络，各MMIC输出端接上反对称放置的功率分配网络，从而实现功率的合成输出。在输入和输出的另一面用短路活塞实现短路壁。该结构较好地解决了空间功率合成时在有限空间内如何放置多器件的一大难题，因为此结构的合成效率基本与合成路数即固态器件数量无关，当需要更大的功率输出时，增加合成路数即可。


2 电路设计与参数选择准则

开槽波导功率合成器设计可以采用基于电磁场有限元方法的三维电磁仿真软件HFSS进行全波仿真，但是非常耗机时，给设计带来困难，一个更好的办法是对其进行分布式参数等效[5-6]，如图2所示。

波导宽边上的缝隙用传输线的支路部分来代替。第K个波导-微带过渡单元所带来的不连续性用电导GK和电纳BK来等效。LK(K=2，3，…，N)为第K个缝隙中心和第(K+1)个缝隙中心的距离。Y0是波导TE10模式的特性导纳。假设相邻单元的耦合是可以忽略的，则从波导口向里看去每一节波导部分的导纳是[6]：

首先设计每个波导——微带过渡单元，然后级连起来就构成了整个分配/合成网络的结构。空间功率合成的另一大难题是在尽可能大的带宽内分/合成时信号幅度、相位的一致性，以及各路之间有足够的隔离度。故设计的关键在于波导宽边上缝隙尺寸、缝隙到波导中心的距离、短路壁距最后一路缝隙中心的距离、每相邻单元的间距的设计以及波导-微带转换处的阻抗匹配。

波导宽边上缝隙尺寸的选择：按照波导缝隙天线的理论，在特定频率下，缝隙的长度为谐振长度时，阻抗的虚部消失，表现为纯电导，假设每个单元的缝隙长度一样，此时有：

G1=G2=…=GK=…=GN

则信号输入波导口的导纳为：

缝隙谐振长度的选择先通过粗略的计算，确定一个初值，再通过Ansoft HFSS仿真、优化，当波导口的导纳符合im(Y)=0时,长度就是中心频率的谐振长度。由于毫米波频段末端色散严重，以及在缝隙上面铺上微带板，影响了电磁场的分布，高次模复杂，因此由公式计算出来的初值有可能与软件仿真出来的值差异较大，需要反复仿真得到。缝隙的宽度对性能影响相对较小，一般选择原则是能够抵挡缝边之间的最大电压击穿强度的冲击以及兼顾机械加工的难度。

缝隙到波导中心的距离的选择：当能量在波导中行波传播时，各路耦合系数分别为：1/(N+1-k),k=1,2,…,N。当能量在波导中驻波传播时，各路耦合系数分别为：1/N。每路波导-微带过渡的耦合系数大小可以通过调节