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宽带径向功率合成器设计

2022-08-11 来源:步旅网
王海龙,廖秋平,杨光 宽带径向功率合成器设计 电子信息对抗技术・第26卷 2011年7月第4期 中图分类号:TN73 文献标志码:A 文章编号:1674—2230(2011)04一OO64—05 宽带径向功率合成器设计 王海龙,廖秋平,杨光 (电子信息控制重点实验室,成都610036) 摘要:径向功率合成技术适用于对多路功率放大器进行高效的功率合成,因而近年来受到越来 越多的重视。然而,由于设计和结构的复杂性,径向功率合成器目前的应用并不广泛。使用阻 抗匹配的概念,提取了圆锥波导、径向线、扩展同轴结构的等效电路模型,分析了设计方法。采 用此方法设计的圆锥波导和径向线合成器取得了令人满意的仿真结果。比较了三种结构的径 向功率合成器的特性。 关键词:径向功率合成器;圆锥波导;径向线;扩展同轴 Design of Wideband Radail Power Combiners WANG Hai—long,LIAO Qiu—ping,YANG Guang (Science and Technology on Electronic Information Control Iabomtory,Chengdu 610036,China) Abstract:Increasing interests have been paid to radial power combiners recently because they are ex- tremely suitable for combining a lrge anumber of power ampliifers over a wide bandwidth itwh hJ ef- ifciency.However for its design and manufacture complexity,its use is limited.Equivalent circuit model has been extracted using conical line,radial line and oversized coaxil satructre respectuively. A desin metghod based on impedance matching is given.Based on our desin metghod,satisfactory simulation results are achieved.The comparison of such combiners on their bandwidth,efifciency and etc.iS alSO discussed. Key words:radil comabiner;conical waveguide;radila line;oversized coaxila 1 引言 微波固态功率放大器近年来发展迅猛,在民 用和军事领域得到广泛的应用。同时通信、雷达、 电子战等应用环境对放大器提出了越来越高的功 率需求,需要使用多个功率放大器进行功率合成 来得到系统需求的高功率。 本上,随着器件栅宽增大,其成品率将显著下降。 在电路级,二进制的合成方法应用广泛,它具有结 构简单,合成器损耗低的优势,同时,90度相差的合 成器还可以提高放大器可靠性和稳定性。但是,合 成器的损耗使得总的合成路数受限L1j。 径向功率合成技术较以上两种合成技术,在多 功率合成的形式有多种。在芯片层面,可以使 用片上功率合成。这种技术是直接在芯片上并联 路合成上具有优势,特别是合成效率高,合成路数 设计自由度高。但是径向功率合成器在设计、加工 多个功率胞单元来进行合成。但是,片上功率合成 技术通过增大总栅宽的方法在技术和成本上均有 制造上都比传统的二进制合成方式复杂,因此目前 径向功率合成技术使用不如二进制合成广泛。 根据能量传输径向方向传输线的种类不同, 限制。技术上是因为大栅宽器件难以有效匹配;成 收稿日期:2Oll一04—21;修回日期:2011—05—27 基金项目:国防基础科研计划资助(A1120080069) 作者简介:王海龙(1979__),男,工程师,研究方向为固态发射机技术。 电子信息对抗技术・第26卷 2011年7月第4期 王海龙,廖秋平,杨光 宽带径向功率合成器设计 径向功率合成器具有多种实现形式。比如圆锥波 导结构_2、径向线结构_2_3、径向波导结构l3_ 、扩展 同轴结构_55等。_ 本文从阻抗匹配的角度出发,采用等效电路 的方法分析了径向线结构、圆锥波导结构、扩展同 轴结构的设计方法。该方法基于“路”的概念进行 阻抗变化设计,仅需对局部不连续性进行电磁场 全波仿真,大大简化了设计方法和设计时间。同 时,本文还分别分析了以上三种传输线结构的设 计关键点,对它们的带宽、合成路数、散热能力、加 工装配难易等方面进行了研究和比较。 2合成器结构与设计 2.1圆锥波导合成器 圆锥波导合成器由以下五个部分组成:1)中 心同轴阻抗变换;2)中心同轴馈线到圆锥波导过 渡;3)圆锥波导传输线;4)输入耦合探针结构;5) 输入阻抗匹配。合成器2维剖面图如图1所示。 3)圆锥 5)输入阻 输入端口 波导 抗匹配 2)波同 ~圆锥导过滤 4)合探针 输入耦 输 端口 j同轴阻抗变化 图1 圆锥波导径向合成器剖面图 2.1.1圆锥波导 圆锥波导的主模TEM模。在圆锥波导中,电 磁场轴向对称,在 方向无变化。主模电场仅有 0分量,磁场仅有 方向分量。空气填充的圆锥 波导的TEM波的特性阻抗表示为_6j: 6oln (1) 圆锥波导特性阻抗仅与圆锥的 1, 2有关, 不随圆锥径向半径r变化。 设计Ⅳ路的合成器,通常选择圆锥波导特性 阻抗为50/N Q来匹配Ⅳ路并联的50Q输入端 口,中心同轴阻抗也同样选择50/N Q特性阻抗。 同轴线和圆锥波导均是非色散的传输线,且在同 轴一圆锥波导过渡处电磁场不连续性小,这种过 渡结构可以在多倍频程内获得极小的反射。 2.1.2 N路探针过渡 图1使用同轴探针过渡结构。探针过渡的功 能是完成50Q同轴线到5012圆锥波导的耦合。 合成器Ⅳ路输入端口均匀分布在半径为邱的圆 周上。 输入端口同轴内导体插入圆锥波导构成探 针,探针直径为d,探针下与波导下表面接触。探 针中心到波导短路面的距离为Rd。 与d是关键变量,可以通过三维全波仿真 软件进行优化设计, 的初值选为中心频率的四 分之一波长,较大的d更容易获得较宽的带宽。 同时,因为合成器轴向对称,所以可以仅抽取 1/N的结构进行分析,如图2所示。 2.1.3输入输出匹配 圆锥波导的特性阻抗设计为50/N Q。因此 中心同轴合成端口需要使用N:1的阻抗变化。 可以简单的用1/4波长变换器完成。输入端为Ⅳ 路并联的50&'2端口,因此输入阻抗为50/N Q,与 圆锥波导传输线自然匹配。输入端阻抗匹配的作 用是补偿探针过渡引入的不连续性。这两段匹配 网络使用同轴线实现,主模为TEM波,路仿真就 能实现很高的精度。 图2圆锥波导导径向合成器仿真结构 使用上一小节优化好的模型进行三维全波仿 真,得到端口Js参数。使用路仿真对输入输出匹 配进行协同仿真优化。合成端采用两级Butter. woah同轴阻抗变化,通过优化,得到两段同轴线 参数:特性阻抗10.312,同轴线长7.86mm;特性阻 抗28.812,同轴线长7.5mm。仿真结构和结果见 图4和图5。在6.5~12GHz合成端口回波损耗优 于一20dB,10个输入端到合成端的s参数(s 1) 为一10~一10.2dB,合成器损耗小于0.2dB。 2.1.4性能分析 需要指出的是,仿真模型中,合成器是理想轴 王海龙,廖秋平,杨光 宽带径向功率合成器设计 电子信息对抗技术・第26卷 2011年7月第4期 对称结构,主模延圆锥波导径向传播;而实际的合 成器由于加工、装配误差,必然存在结构上的不对 称性。这些不对称结构将激励起延圆周传播的高 次模。高次模叠加在主模上,将导致个端口的幅 度波动和相位不平衡,从而降低合成效率。同时, 输入端口之间的隔离、一致性将恶化。 合成器的结构决定了合成器能实现的有效带 宽,通过等效电路模型,分析了影响带宽的关键结 构。 根据我们前面对圆锥波导的分析,图1中结 构2)同轴一圆锥波导过渡,3)圆锥波导传输线和 5)输入阻抗匹配为宽带结构。而1)中心同轴阻 抗变换,4)输入耦合探针为窄带结构。 中心同轴阻抗变换需要完成N:1的阻抗变 化,能够实现的有效带宽与合成路数相关,合成路 数越多,能实现的有效带宽越窄。本文采用2级 Butterworth变化,实现了10:1的阻抗变比下,实现 了近倍频程的带宽。 按照本文的设计方法,探针输入输出端等效 阻抗相等。探针用来实现圆锥波导和输入同轴线 之间的能量耦合,分析表明,较大的探针半径具有 更好的宽带特性,能够实现倍频程以上的带宽。 2.2径向线合成器 径向线合成器结构如图6所示。结构上可以 分为五部分:1)同轴阻抗变换;2)同轴一径向线过 渡;3)径向传输线;4)径向线一微带过渡;5)阻抗 匹配。等效电路如图7所示。 糌 换Ⅳ:I兰兰竺 11  黯 囊萎H陛蔷 图3圆锥波导径向合成器等效电路模型 图4圆锥波导协同仿真 。 / 、 / .・.-dB(1 s(1,11  5 J 一一. / m一 ‘at(h l , 、I \ 一…厂/ \\ _o_d B(cIhS‘ + ’ 2。 25 \ /A√ ~,dBf}州5.1 lfGHz 图5十路圆锥波导径向合成器的仿真结果 2.2.1径向线 中心的同轴端口是合成端口,分析合成端口 特性时,可等效为中心同轴线端接无限长径向线。 径向线可以看作激励在圆心的平行导电板。径向 线中,电磁场约束在两平行理想导电板之间,关于 圆心轴对称分布。径向线的损耗很小,大致为微 带线的1/3。一般径向线的阻抗是复数,当径向 线长度较长时,其电抗分量可以忽略 j。径向线 的特性阻抗可以近似计算为: 卫(2) E,EO 其中,h是平行板距离(即介质基片厚度);r是径 向线半径。由公式(2)可知,径向线的特性阻抗在 径向方向是变化的,与半径成反比。 渡 配 图6径向线合成器结构 . c 西 司 =堕墼广  0Q . 列 匹配r— NZ, (Rc) 图7径向线合成器等效电路模型 一 电子信息对抗技术・第26卷 2011年7月第4期 宽带径向功率合成器设计 王海龙,廖秋平,杨光 67 2.2.2输入输出匹配 基于阻抗匹配方法的径向线合成器的分析方 法与圆锥波导类似。首先分析径向线中心合成端 fI  h +一2 l 口和Ⅳ路输入端口的特性阻抗。即在式(2)中,r 分别取值b和 ,得到中心馈点的特性阻抗 Z0(b)以及径向线末端的特性阻抗zo( )。 由合成路数Ⅳ和单个模块宽度确定。 径向线在径向 圆周上,向内侧开槽,分出 Ⅳ个微带线端口。开槽的末端加上隔离电阻,可 以抑制轴向传输的高阶模式,增加输入端口的隔 离度。每个微带端口阻抗为N×Z。(Rc),输入端 阻抗变换器将此阻抗匹配到5OQ放大器模块。 变换器可由1/4波长微带线构成。 b是径向线的起始点半径,也是中心同轴线 外导体半径。中心同轴到径向线过渡是这种功率 合成器设计的关键。Williamson给出了图8所示 过渡结构的等效电路分析方法l8 J,等效电路如图 9所示。在同轴端的输入导纳可以表示为: i 哦 (肋) 一yokh In2(b/a)U(o ’(ka) [。,0( )l, ( 6)一-,o(kb)}1o(ka)]+ j B1+j 2 (3) ,'一 B1一 cot( (4) B27c 1 Ko(qmkb) 2 一 一q2—Ko(q—zka)× [Io(qmka)Ko(qmkb)一,0(g Ji}6) ,0(g 后0)](5) 其中, 、 、,0、 是贝塞尔和修正贝塞尔函数, )是第二类汉开尔函数。 采用上面的设计值,使用三维全波场仿真对 整个30路合成器进行了验证。在6.5~12GHz合 成端口回波损耗优于一15dB,30个输入端到合成 端的Js参数(5 】)在一14.8一一15.1dB,合成器损 耗小于0.3dB。 2.2.3性能分析 同圆锥波导一样,非理想的轴对称性将激励 起延圆周传播的高次模。不过,径向线为平面结 构,加工、装配误差相比腔体机械结构要小。并 且,隔离电阻可以有效抑制延圆周传播高次模,提 高端口隔离度。同时,更好的端口隔离度也可以 使各端口具有更好的幅度、相位一致性,有利于提 高合成效率。 ・一l  l 一26 图8径向线一同轴过渡 径圈哑… 图9等效电路 径向线合成器传输线包括了径向线和微带 线,相比圆锥波导,多出了介质损耗和辐射损耗的 能量损失。微带线损耗较大,设计时应尽量减小 微带线的长度。 而与圆锥波导不同的是,合成路数Ⅳ对阻抗 匹配的有效带宽没有明显影响。这是因为径向线 的特点是特性阻抗随径向线半径变化。如前所 述,微带端口阻抗为N×Z ( ),增大合成路数 Ⅳ的同时,增加径向线外圈半径 ,使得 ( ) 减小,可以控制阻抗变换比在合理的范围内。但 增大 也将增加合成器损耗,增大合成器体积 和重量。 2.3扩展同轴合成器 扩展同轴合成器的基本结构如图l0所示,可 以分为两个部分进行分析:1)扩展同轴传输线;2) 探针过渡。阻抗匹配的分析方法类似,不再赘述。 图10扩展同轴合成器结构 3性能比较 表1中列出了三种合成器在带宽、合成效率、 合成路数、端口一致性、隔离度以及加工装配难度 等性能上的比较。 王海龙,廖秋平,杨光 宽带径向功率合成器设计 电子信息对抗技术・第26卷 2011年7月第4期 表1主要指标比较 参考文献: l1 j SwI兀 w,Sr0NES D I.A Comprehensive Design Technique f the Radial w.dve Power Combiner[C]// IEEE M3T—S Int.Microwave Symp.Dig.May 1988: 279—281. 12 JⅥu皿:RSDI L,VanW肚TPW,MEYER P.Desin gof a Ten—Way Conical Transmission Line Power Combiner [J].IEEE trans on ̄r兀1,2007,55(2):302—308. 13j FATHY A E,LEE S W,KAL0KIrrJs D.A Simpliifed Desin gApproach for Radial Power Combiners[J].IEEE 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