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一种改进型毫米波开槽波导空间功率分配合成网络

时间:08-04 来源:电子技术应用 点击:

缝隙到波导中心的距离加以实现。调节过程中要兼顾每路信号幅度的平衡度。

短路壁距最后一路缝隙中心的距离的确定:当开槽波导功率合成器工作在驻波方式时,短路壁对性能的影响相当敏感,此处选择的距离大约为3/4波导波长(3λg/4),工程中实际长度需优化得到。在距最后一路缝隙中心为3λg/4处设置短路壁的原因是,当某一相位的电磁波向短路面传播,经历3/4波导波长,在短路壁处全反射,再经过3/4波导波长,再次回到最后一路缝隙中心处时与原来同相,同相场相互叠加获得更强的场,使得作为接收天线的微带线在电场强的地方可以得到更好的耦合效果。

每相邻单元间距的确定:由于铺设在缝隙上面的微带线的不连续性,微带探针很容易引起振荡;此外相邻单元要获得足够的隔离度;还要考虑MMIC放置的问题,合理地设置每相邻单元的间距至关重要。经理论分析发现,如果距离落在nλg/4(n取奇数,频率在30 GHz~40 GHz范围内),则必然在32 GHz~38 GHz范围内出现振荡,使得幅度有较大不一致,工程上一般取半个波导波长的整数倍,设计过程中折中考虑,用软件优化取得一个最优值。

波导-微带转换处的阻抗匹配:标准BJ320波导等效阻抗大约为500 Ω,比标准微带线特征阻抗50 Ω高很多。利用减高波导(7.112 mm×1.778 mm)是一种有效的方法[6-7],但是不便与外部部件连接。本文对此做了改进,采用标准BJ320波导(7.112 mm×3.556 mm),把铺设在缝隙上面的微带线特征阻抗设为75 Ω,再通过一个过渡匹配至50 Ω,较好地解决了匹配问题又方便与外部部件连接。75 Ω微带线开路端距缝隙中心距离为1/4微带波长(λw/4),使得缝隙的中心处于微带线的射频短路点,缝隙辐射出的能量能够最有效地激励起微带中的场,更好地实现阻抗匹配。

顶盖尺寸的确定:为了取得更好的回波损耗、更好的隔离度,本文在参考文献[4]、[5]的基础上做了改进,在每路MMIC周围加上一个金属顶盖,盖子两端距离缝隙中心λg/4,这样从缝隙辐射出来的信号和从盖子两端发射回来的信号在缝隙中心处同相叠加,加强微带线的耦合作用,且信号不会辐射到空气中损耗掉。此外,这种结构在调试某一路时不会影响到相邻的单元,方便调试。仿真发现盖子的高度对性能的影响不大,可适当选取。

3 无源网络设计及仿真结果

采用标准BJ320波导,微带板基片选用易于加工和低损耗的Rogers公司生产的介电常数相对较小的RT Duroid5880基片(εr=2.2,厚度0.254 mm)。

根据以上设计原理,设计了一个38 GHz的6路开槽波导空间功率合成器,其中缝隙的尺寸为:5 mm×1.5 mm,距离波导中心的距离为3.1 mm;微带板距波导上表面为1mm,50 Ω微带线宽度为0.774 mm;短路壁距最后一路缝隙中心为0.77λg。设计过程中,先对各参数进行敏感性分析,粗略计算各参数的初值,然后用HFSS软件仿真、优化。功率分配器第一至第六路输出口分别定义为端口2、3、…、7,其仿真结果如图3至图6所示。

从图3可以看出在36.5 GHz~39.5 GHz的范围内,输入端的回波损耗小于-15 dB的带宽达1 GHz,各路耦合系数为-7.8左右,幅度不平衡度小于0.3 dB,取得了较好的幅度一致性。从图4、图5和图6可以看出在36.5 GHz~39.5 GHz的范围内,相位一致性较好,隔离度基本达到-15 dB以下(除第一路和第二路之间的隔离度外)。

把功率分配器连接成为功率合成器有两种方式:对称放置和反对称放置。其中反对称放置对信号的相位有一定的补偿,有利于相位的一致性,功放的合成效率更高,插损更小。此功率合成器仿真结果如图7所示。

从图7可见,整个合成网络回波损耗小于-12 dB的带宽达2.3 GHz,插入损耗小于0.3 dB。由于开槽波导空间功率合成结构是基于谐振方式,其相对带宽较窄,一般只能达到5%左右。本文设计的空间功率合成器相对带宽约为6%,带宽有所拓展。

最后进行公差分析,对最敏感的尺寸参数在公差(±0.05 mm)范围内仿真发现,此网络各性能指标偏差不大,说明此结构具有较好的稳健性。

本文提出了一种改进型的适用于毫米波频段的开槽波导空间功率分配合成网络,详细阐述了其原理及设计过程,并在中心频率为38 GHz的Ka频段末端设计了此种结构的网络。仿真结果显示,此种结构具有极低的插入损耗和较低的回波损耗,相对带宽也有所增大,此外,还具有散热容易、尺寸小等优点。结果显示此改进型的结构相对参考文献[4]、[5]来说,能工作在更高的频段,插损更小,且带宽也有所增大,说明了此结构

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