一種Ka波段開槽波導空間功率合成器的設計

摘要：設計了一種結構簡單，容易制造的開槽波導功率分配器／合成器。該合成器采用錐形微帶線一波導的過渡結構，每路微帶線傳輸部分由小腔體進行隔離。通過CST仿真軟件，設計了一個中心頻率為35 GHz的Ka頻段的功率合成器。仿真結果顯示，該結構回波損耗小于-20 dB時的帶寬達近500 MHz，且插入損耗小于0．1 dB?？梢?，具有極低的插入損耗和較低的回波損耗。
關鍵詞：空間功率合成；開槽波導；功分器；CST

0 引言
當前，在本地多點分配業(yè)務這種無線通信系統(tǒng)中，越來越多地用到毫米波段。基站發(fā)射機需要中、高功率的固態(tài)功率放大器。盡管目前在高頻半導體技術和芯片制作方面取得不小的進展，但是毫米波設備仍然受制于它們的最大輸出功率。目前，市場上可以買到的毫米波段功率放大器芯片MMIC一般只有幾瓦的輸出功率，因此要獲得足夠高的輸出功率，需用好幾片MMIC進行合成。
空間合成器因為其較低的插入損耗和更高的合成效率，從而比傳統(tǒng)的電路合成更受歡迎，它們的合成效率與用于合成的芯片數(shù)量有關。在制作時，合成電路應盡可能緊湊，但是實際尺寸卻受芯片大小、偏置電路、散熱等方面的影響。
本文介紹的空間功率合成方案，采用開槽矩形波導與多路錐形微帶線耦合的方案。該方案中，開槽矩形波導的結構比較簡單，容易制作，尺寸也不大，而且散熱很好。在制作10～33 GHz的功率放大器時備受推崇。這種方式構建的放大器，維修起來也很容易，若要獲得更大的合成功率，只需要使用較大功率的芯片代替某路原有芯片即可。當然，這些高頻段的芯片體積都很小，在裝配時必須非常小心。

1 工作原理與結構
開槽波導空間合成器的工作原理和開槽波導功分器的外形如圖1所示。信號從波導口輸入，通過開在波導寬邊或窄邊上的縱向槽耦合到微帶線中實現(xiàn)功分，經(jīng)過放大器放大后的信號再由微帶到槽耦合后合成。

開槽波導功分器按能量在波導中的傳播方式不同可分為行波式和駐波式。行波工作方式下，可在波導終端填充吸收材料，避免在波導內形成駐波，耦合槽的位置無特別要求；在駐波工作方式下，波導終端短路，能量在波導中呈駐波分布，耦合槽應開在電場的波腹位置。
這兩種工作方式下，能量在波導內的分布不同也帶來了耦合系數(shù)設置的不同。以4路功分為例，為得到等功率分配，駐波工作方式各路的耦合系數(shù)相同。都是1／4；行波工作方式下能量在波導內傳輸時逐級遞減，耦合系數(shù)的設置為第1路1／4，第2路1／3…第4路應保證耦合系數(shù)為1。
本文最終采用的功分器方案為駐波式，開槽方式為波導邊側開槽。波導槽位置、尺寸的初始值可以由如下方式確定：
方法一：借鑒波導裂縫陣天線的設計方法，引入分布參數(shù)等效電路，其等效圖如圖2所示。