Ka頻段波導內空間功率合成

讀研期間寫了一系列關於功率合成的小論文，會陸續放出，形成一個專題。

摘要：本文提出了一種Ka頻段波導-微帶對極鰭線陣列形式的空間功率合成網路。

該結構以波導作為輸入和輸出口，過渡和功率分配一步完成，經三維電磁模擬軟體HFSS模擬表明，該合成網路具有寬頻帶、低插損的優點。

引言：為降低損耗，便於測試，毫米波傳輸線常用波導，而單片放大器則以微帶連接形式居多，因此波導-微帶轉換就不可避免。

為此本文提出了波導-微帶對極鰭線陣列形式的空間功率合成網路,以波導作為輸入和輸出，這樣可以減少在輸出高功率能量時的損耗，其結構如圖1所示：

其優點在於進行傳輸線轉換的同時完成功率分配，並且四路相互之間是一個對稱結構，可以很好的實現能量地等分和合成，還具有體積小，結構簡單的特點。

理論分析：矩形波導內空間功率合成技術的基本結構與工作原理如圖所示：

在物理結構上，對波導寬邊進行多層剖分，將標準波導切分成相同的多層托盤平面結構，各層組合後形成等效傳輸波導，在每層托盤上實現功率放大電路結構。

在波導主傳輸模式下，利用波導-微帶的多路過渡結構，將能量從波導耦合到各層平面電路，在平面電路上使用MMIC或功放組件分別對各支路功率進行放大。

各平面輸出端的微帶-波導過渡結構將經過平面電路放大的各路能量耦合到波導空間實現功率合成並最終在波導埠實現能量合成輸出。

對極鰭線的漸變形式有很多種，其中採用餘弦平方漸變方式最為普遍。餘弦平方漸變過渡結構便於機械加工，因而製作成本相對較低。

典型的波導-微帶單路對極鰭線過渡結構如圖所示：

在整個過渡段長度l內，兩個金屬鰭線製作在基片兩面組成一圓弧漸變段，在過渡段的開始端，介質基片兩面的金屬條帶相距為波導的高度，這樣才能最好的耦合TE10模。

1區和2區是對極鰭線過渡，它將射入的TE10模的電場集中並旋轉90度，成為在有交疊鰭的對極鰭線中傳播的准TEM模。另外，它還將波導的高阻抗轉變為低阻抗。

3區、4區、5區將對極鰭線轉變為微帶線，通常的諧振就發生在這些區域，因此加入防諧振片S，此時可將它看成長為L1的槽線諧振器。

物理模型的建立及模擬：對極鰭線過渡段選用了餘弦平方的過渡形式，其設計公式為：

式中w為50Ω微帶線的寬度，z為鰭線傳輸線的縱向坐標；b為波導高度；L為過渡段的長度。

本文採用雙對鰭線形式，其2×2形式的四路功率合成網路在HFSS軟體中建立的模擬模型如圖所示：

模擬結果如下圖所示，從結果可以看出，在30-40GHz的頻段內，回波損耗在20-50dB, 插入損耗在0.16-0.22dB，通帶平坦且無諧振點。

在四路合成的基礎上，設計2×4形式的八路合成網路，採用對稱結構，在HFSS中建立的模型如圖所示，四層過渡結構等間距排列：

模擬結果如下圖所示，可以看出在33GHz-38GHz其回波損耗小於-19dB，插入損耗在0.20dB-0.28dB，通帶平坦且無諧振點：

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