【導(dǎo)讀】隨著毫米波的應(yīng)用越來越多，大家對毫米波應(yīng)該也有不少了解吧？對于5G 毫米波、毫米波雷達(dá)技術(shù)，相信大家都耳熟能詳了。除此以外，大家對毫米波還有更多的認(rèn)識(shí)嗎?本文將對四路毫米波空間功率合成技術(shù)加以講解，以增進(jìn)大家對毫米波進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。
隨著毫米波的應(yīng)用越來越多，大家對毫米波應(yīng)該也有不少了解吧？對于5G 毫米波、毫米波雷達(dá)技術(shù)，相信大家都耳熟能詳了。除此以外，大家對毫米波還有更多的認(rèn)識(shí)嗎?本文將對四路毫米波空間功率合成技術(shù)加以講解，以增進(jìn)大家對毫米波進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。
一、引言
大功率毫米波源是毫米波雷達(dá)、通訊、干擾機(jī)、精確武器制導(dǎo)系統(tǒng)中發(fā)射前端的核心部件。固態(tài)器件以直流電壓低、可靠性高、抗沖擊性能強(qiáng)、電路結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕而倍受重視。然而隨著頻率升高，單個(gè)固態(tài)器件的功率輸出就會(huì)迅速減少，難于滿足實(shí)際應(yīng)用要求。通過組合多個(gè)相干工作固態(tài)器件或疊加多個(gè)分離器件輸出功率的功率合成方法是提高毫米波系統(tǒng)輸出功率的有效方法，得到非常廣泛的應(yīng)用。
本文提出了基于波導(dǎo)的四路空間功率合成網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)可以很好的保證功率等幅同相四等分。同時(shí)，以波導(dǎo)作為輸入和輸出，可以減少在輸出高功率能量時(shí)的損耗。利用三維電磁仿真軟件 HFSS 進(jìn)行仿真結(jié)果顯示，在 31GHz-38GHz 的范圍內(nèi)，功分網(wǎng)絡(luò)的四路幅度不平衡度小于 0.05dB，相位也取得了很好的一致性，并且輸入端的回波損耗小于 -20dB。整個(gè)合成網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出端的回波損耗也小于 -12dB，插入損耗小于 0.6dB。
二、功率分配器設(shè)計(jì)
基于波導(dǎo)的四路功率分配器的基本結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，由于 T 型結(jié)功率分配網(wǎng)絡(luò)本身是不匹配的，需要在分支接頭處放入適當(dāng)?shù)钠ヅ湓碚{(diào)節(jié)各端口的匹配情況。本文在分支接頭處增加了一個(gè)起匹配作用的不連續(xù)性結(jié)構(gòu)，改變該結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)該功率分配網(wǎng)絡(luò)的中心頻率和帶寬。由于功率分配器是對稱的，4 個(gè)輸出端口的幅度和相位均一致。
圖 1 四路功率分配結(jié)構(gòu)
功率分配器通過 HFSS 仿真的結(jié)果如圖 2 所示：
(a)幅度
(b)相位
圖 2 功率分配器的仿真結(jié)果
從圖 2 中可看出，四路功率分配器可以在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率分配，且輸入端口回波損耗小于 -15dB。同時(shí)，由于功分網(wǎng)絡(luò)的對稱性，其相位一致性很好。
三、功率合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
探針式波導(dǎo) - 微帶過渡是毫米波平面集成電路中應(yīng)用最為廣泛的一種過渡結(jié)構(gòu)，根據(jù)微帶電路平面與波導(dǎo)中波傳播方向的關(guān)系不同可分為兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是微帶電路平面與波導(dǎo)中波的傳播方向垂直，如圖 3 所示;另外一種是微帶電路平面與波導(dǎo)中波的傳播方向平行，如圖 4 所示。
本文采用圖 4 所示的微帶平面與波傳播方向平行的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) Ka 波段波導(dǎo) - 微帶的過渡。在這種結(jié)構(gòu)利用一段起耦合作用的微帶探針把波導(dǎo)中的電磁場耦合到微帶中，并經(jīng)過一段高阻抗線過渡到 50Ω微帶線。采用適當(dāng)?shù)鸟詈铣叽缫詼p小微帶電路對波導(dǎo)內(nèi)部電場的影響。
圖 3 微帶平面與波傳播方向垂直
圖 4 微帶平面與波傳播方向平行
四路功率合成網(wǎng)絡(luò)的模型如圖 5 所示：
圖 5 四路功率合成網(wǎng)絡(luò)的模型
首先，四路等功率分配網(wǎng)絡(luò)把波導(dǎo)能量等分到四路減高波導(dǎo)，然后通過波導(dǎo) - 微帶探針過渡，經(jīng)四路功率合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功率合成。仿真結(jié)果如圖 6 所示：
圖 6 中可看出，在 31GHz-38GHz 的頻率范圍內(nèi)，合成網(wǎng)絡(luò)背靠背仿真的輸入和輸出端口回波損耗小于 -12dB，插入損耗小于 0.6dB。
圖 6 功率合成器仿真結(jié)果
四、結(jié)論
本文提出了一種適用于毫米波頻段的基于波導(dǎo)的四路空間功率分配 / 合成網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)利用矩形波導(dǎo)作為輸入和輸出端口，通過一分四功率分配結(jié)構(gòu)進(jìn)行功率分配 / 合成。經(jīng) HFSS 軟件仿真和優(yōu)化，該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出極低的插入損耗和回波損耗，是一種具有實(shí)用價(jià)值的功率合成結(jié)構(gòu)。
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