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)用頻率高的特點成為研究人員的研究重點。在毫米波段，對于二進(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，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公共區(qū)域內(nèi)TE30模逐漸消失的作用，這樣會導(dǎo)致奇偶模電路電長度的改變，從而實現(xiàn)寬帶特性。運用這種結(jié)構(gòu)，實現(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H面兩級階梯的定向耦合器，由于該電路結(jié)構(gòu)僅在H面這個面上變化，所以由于TE10模的激勵，磁場的方向與H面平行。此外，電路有兩個可以折疊的對稱面：AA和BB，所以可以把四個端口看成四個一樣的端口進(jìn)行分析，該端口的劃分依據(jù)是根據(jù)平面的奇偶模激勵用電場和磁場邊界沿著兩個對稱面進(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分別代表對稱面的奇模和偶模，與此對應(yīng)的第一個下標(biāo)對應(yīng)的是AA面和BB面。

　　圖1 兩級階梯型定向耦合器

　　接下來考慮的是如圖2所示的四分之一的一個端口的電路，這個結(jié)構(gòu)是由一個兩級階梯結(jié)構(gòu)成，這個階梯結(jié)由三個波導(dǎo)的電場窄臂或磁場窄臂構(gòu)成。三個多模式導(dǎo)引級聯(lián)會產(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)出每個激勵下的反射系數(shù)，從而得出整個電路的散射矩陣 。

　　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)計及仿真

　　通過對基于波導(dǎo)H-面階梯型定向耦合起的理論分析，根據(jù)其理論設(shè)計了基于波導(dǎo)H面的一級階梯定向耦合器。本文設(shè)計該矩形波導(dǎo)電橋的方法是主要利用HFSS三維電磁場仿真軟件進(jìn)行設(shè)計。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，需要花費大量時間和精力。但是由于方法比較簡便，利用計算機(jī)軟件完成大量計算，尤其對于毫米波段波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件的設(shè)計相當(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

　　本文基于一級階梯設(shè)計的方法和理論又提出了二級階梯定向耦合器，與一級階梯耦合器區(qū)別是在公共耦合器的區(qū)域內(nèi)，一級階梯變成了二級階梯，通過這樣的變化，實現(xiàn)耦合區(qū)域范圍內(nèi)的阻抗?jié)u變，從而可以實現(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)對比，二級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，通過對階梯定向耦合器的設(shè)計分析，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。