一種基于波導(dǎo)H面的Ka波段寬帶功率合成網(wǎng)絡(luò)

　　1 引言

　　毫米波矩形波導(dǎo)電橋在毫米波雷達(dá)和通信系統(tǒng)的功分器中扮演了相當(dāng)重要的角色。在毫米波段，矩形波導(dǎo)耦合器可以彌補(bǔ)Wilkinson等微帶型功分器損耗過大、隔離度太小的缺陷，是毫米波功分器中不可缺少的重要部件。基于矩形波導(dǎo)的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)由于本身低損耗、應(yīng)用頻率高的特點(diǎn)成為研究人員的研究重點(diǎn)。在毫米波段，對(duì)于二進(jìn)制功率分配波導(dǎo)單元結(jié)構(gòu)多采用3-dB 波導(dǎo)E-面分支結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)分支結(jié)構(gòu)具有低損耗、高隔離度及結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，但是由于受到機(jī)械加工的影響，波導(dǎo)分支數(shù)有一定的限制，這樣會(huì)導(dǎo)致在毫米波段波導(dǎo)分支結(jié)構(gòu)的帶寬受到嚴(yán)格的限制。

　　在功率合成技術(shù)中，采用寬頻帶特性的功率合成網(wǎng)絡(luò)，可以大幅度提高系統(tǒng)的輸出功率。Louis W. Hendrick等學(xué)者提出了一種窄臂短槽的寬帶電橋，這種寬帶耦合是由于在耦合的一個(gè)公共區(qū)域內(nèi)TE30模逐漸消失的作用，這樣會(huì)導(dǎo)致奇偶模電路電長(zhǎng)度的改變，從而實(shí)現(xiàn)寬帶特性。運(yùn)用這種結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了緊湊的結(jié)構(gòu)和寬帶特性。

　　本文基于該學(xué)者的理論提出了一種基于波導(dǎo)H-面的Ka波段寬頻帶功率合成網(wǎng)絡(luò)，該功分網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)近7.5GHz的帶寬，在29.5-37GHz范圍內(nèi)，兩端口的幅度差小于0.4dB，回波損耗小于-19.5dB。

　　2 基于波導(dǎo)H-面的Ka波段寬頻帶功率合成網(wǎng)絡(luò)理論分析

　　本文所提出結(jié)構(gòu)是通過H面階梯不連續(xù)性多模等效電路模型分析而得。圖1所示的例子是一個(gè)H面兩級(jí)階梯的定向耦合器，由于該電路結(jié)構(gòu)僅在H面這個(gè)面上變化，所以由于TE10模的激勵(lì)，磁場(chǎng)的方向與H面平行。此外，電路有兩個(gè)可以折疊的對(duì)稱面：AA和BB，所以可以把四個(gè)端口看成四個(gè)一樣的端口進(jìn)行分析，該端口的劃分依據(jù)是根據(jù)平面的奇偶模激勵(lì)用電場(chǎng)和磁場(chǎng)邊界沿著兩個(gè)對(duì)稱面進(jìn)行劃分(如圖所示2)。在這種情況下，散射矩陣單元散射矩陣單元可以通過四端口的反射系數(shù)：

推導(dǎo)得出：

　　下標(biāo)e和o分別代表對(duì)稱面的奇模和偶模，與此對(duì)應(yīng)的第一個(gè)下標(biāo)對(duì)應(yīng)的是AA面和BB面。

　　圖1 兩級(jí)階梯型定向耦合器

　　接下來考慮的是如圖2所示的四分之一的一個(gè)端口的電路，這個(gè)結(jié)構(gòu)是由一個(gè)兩級(jí)階梯結(jié)構(gòu)成，這個(gè)階梯結(jié)由三個(gè)波導(dǎo)的電場(chǎng)窄臂或磁場(chǎng)窄臂構(gòu)成。三個(gè)多模式導(dǎo)引級(jí)聯(lián)會(huì)產(chǎn)生階梯的不連續(xù)性。所以由此可以推導(dǎo)出如圖3所示的多模等效電路模型，每個(gè)導(dǎo)引在階梯不連續(xù)性的等效模式電壓和電流互相耦合如下式：

　　圖2 四分之一端口剖面圖

　　圖3 多模等效電路模型

　　下標(biāo)

分別代表每個(gè)波導(dǎo)H面的模數(shù)，

代表相連波導(dǎo)的模型耦合系數(shù)，它是由分界面模式匹配決定。如果假定輸入波導(dǎo)端逐漸消失的高次模端接他們的特性阻抗，輸出波導(dǎo)端的傳播和非傳播模式端接從短路或者開路電路終端看去的輸出阻抗，那么就可以推導(dǎo)出每個(gè)激勵(lì)下的反射系數(shù)，從而得出整個(gè)電路的散射矩陣 。

　　3 基于波導(dǎo)H-面的Ka波段寬頻帶功率合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及仿真

　　通過對(duì)基于波導(dǎo)H-面階梯型定向耦合起的理論分析，根據(jù)其理論設(shè)計(jì)了基于波導(dǎo)H面的一級(jí)階梯定向耦合器。本文設(shè)計(jì)該矩形波導(dǎo)電橋的方法是主要利用HFSS三維電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過建立模型，設(shè)置邊界，進(jìn)行參數(shù)掃描和優(yōu)化，數(shù)據(jù)處理，繪制仿真圖形，得到最終結(jié)構(gòu)尺寸。這種方法的核心主要是參數(shù)掃描和優(yōu)化，需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力。但是由于方法比較簡(jiǎn)便，利用計(jì)算機(jī)軟件完成大量計(jì)算，尤其對(duì)于毫米波段波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件的設(shè)計(jì)相當(dāng)有用。利用HFSS仿真結(jié)構(gòu)如圖4如下：

　　圖4 基于波導(dǎo)H面一級(jí)階梯定向耦合器

　　圖5 合成網(wǎng)絡(luò)的功分幅度　　仿真結(jié)果如圖5和6所示，在29GHz-37GHz寬頻帶的范圍內(nèi)，功分網(wǎng)絡(luò)的四路幅度不平衡度小于0.5dB，相位也取得了很好的一致性，并且輸入端的回波損耗小于-17dB。通過仿真結(jié)果可以看出，其雖然達(dá)到了所需的寬頻帶特性的要求，但是在整個(gè)頻帶內(nèi)，幅度不平衡度及回波損耗的效果不是很好。

　　圖6 合成網(wǎng)絡(luò)的回波損耗及隔離度

　　本文基于一級(jí)階梯設(shè)計(jì)的方法和理論又提出了二級(jí)階梯定向耦合器，與一級(jí)階梯耦合器區(qū)別是在公共耦合器的區(qū)域內(nèi)，一級(jí)階梯變成了二級(jí)階梯，通過這樣的變化，實(shí)現(xiàn)耦合區(qū)域范圍內(nèi)的阻抗?jié)u變，從而可以實(shí)現(xiàn)較低的回波損耗，幅度的不平衡度也有所改善。利用HFSS仿真如圖7所示：

　　圖7 基于波導(dǎo)H面二級(jí)階梯定向耦合器

　　圖8 合成網(wǎng)絡(luò)的功分幅度

　　仿真結(jié)果如圖8和9所示，在29.5GHz-37GHz的范圍內(nèi)，功分網(wǎng)絡(luò)的四路幅度不平衡度小于0.4dB，相位也取得了很好的一致性，并且輸入端的回波損耗小于-19.5dB。

　　圖9 合成網(wǎng)絡(luò)回波損耗及隔離度

　　通過以上兩種結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)構(gòu)對(duì)比，二級(jí)階梯耦合在功分幅度不平衡度、輸入端回波損耗及隔離度等性能方面，都比一級(jí)階梯結(jié)構(gòu)有了較明顯的改善。

　　4 結(jié)論

　　本文在Louis W. Hendrick等學(xué)者的基礎(chǔ)上，提出了一種基于波導(dǎo)H-面的Ka波段寬頻帶功率合成網(wǎng)絡(luò)。該合成網(wǎng)絡(luò)是基于H面階梯不連續(xù)性多模等效電路模型提出的，通過對(duì)階梯定向耦合器的設(shè)計(jì)分析，基于波導(dǎo)H-面的階梯型定向耦合器具有寬頻帶特性，并且隨著級(jí)數(shù)的增加其性能具有明顯的改善。從仿真結(jié)果來看，該結(jié)構(gòu)具有寬頻帶、低回波損耗、較高的隔離度等特性，這些都是獲得高效率合成的必備條件之一。