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学术：基于双对极鳍线的空间功率合成器设计：微波理论与技术研究的重要课题

原创 2016-12-30 ☞ 学术plus

今日荐文

今日荐文的作者为中国电子科技集团公司第三十八研究所专家安士全，张瑞，金雁冰。本篇节选自论文《基于双对极鳍线的空间功率合成器设计》，发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第4期。下面和小编一起开始学习吧~

1.引言

在雷达、制导、射电天文、遥感等电子系统中，微波功率源作为系统的重要元件之一，其研究一直是微波理论与技术研究的重要课题。由于受到半导体自身物理特性及加工工艺等方面的限制，单个固态功率器件产生的功率不能满足系统日益增大的功率要求。因此，功率合成技术一直以来是微波技术研究的一个重要方向。从实现的方式来分，目前功率合成技术可分为电路功率合成和空间功率合成两种。

空间功率合成技术在20世纪 80年代初首先提出，其最初主要应用于光学频率。到上世纪九十年代出现了一股空间功率合成技术研究的热潮，并逐渐将该技术推广到准光和毫米波以外的频段。空间功率合成主要是通过将多个功率辐射单元，按照一定的相位关系实现功率的叠加。合成后的功率可以通过天线接收后进行传输，也可以直接在高功率需求处进行功率合成。

空间功率合成技术具有以下优点：

1. 合成效率高，空间合成的效率不随合成路数的增加而剧烈下降，更适合多器件大功率合成的场合。

2. 带宽更宽，空间功率合成一般采用渐变鳍线作为收发天线，可以利用微波仿真软件对鳍线过渡电路进行优化设计，保证良好的宽带性能和系统的输入输出隔离度。

3. 可扩充性，扩大波束的截面就可增大合成单元的数目，实现更高的功率输出。

4.适度恶化性能，由于各合成单元为并联关系，相互间的影响很小。当少数单元失效时系统仍能正常工作，而不会出现毁灭性的后果。因此，空间功率合成技术是提高输出功率非常有效的方法，也是当前最热门的功率合成技术。

本文结合矩形波导空间功率合成系统的特点，基于对已有渐变鳍线过渡电路的研究，在微波仿真软件CST中进行了渐变鳍线优化设计，研制了一款X波段对极鳍线结构的空间功率合成器，较好地提高了空间功率合成系统的带宽和合成效率。

2.原理与方法

2.1 矩形波导空间功率合成的工作原理

图1是两托架结构矩形波导空间功率合成系统的示意图。其中，输入输出端口是对称结构，为标准波导；射频信号在输入端从波导模式经过空间功率合成系统转变为鳍线，经过鳍线渐变过渡转变为微带形式，到达功率芯片进行信号放大，之后经过与输入相同的过渡以波导形式输出。

图1 矩形波导空间功率合成示意图

图2是一种基于双对极鳍线的 2×2 路功率分配器在 CST 软件中的仿真模型。这种 2×2 路功率分配器的两个波导－对极鳍线过渡分别制作在两块基片上，然后对称地放置在嵌入波导 E 面中心位置处的金属托架上，从而完成四路功率分配。图3 表明了模式变换的原理。在图2的a、b之间的区域，锥形对极鳍线逐渐把TE10模的电场旋转成横向场。此区域同时实现阻抗变换，把波导高阻抗变换成微带线的低阻抗。当波到达c点时，电场旋转90°，并几乎与微带线的电场分布和阻抗一致。最后到达d点时，变成微带线中的准TEM模，实现波导到微带的过渡。微带的后面是对射频信号进行放大的功率芯片，放大后的信号经过与输入相同的微带到波导转换进行功率合成，以波导接口输出，从而完成了射频信号的空间功率合成。

图2 2×2 路功率合成器波导微带过渡结构

图 3 过渡上各个点的电场分布

在矩形波导空间功率合成器中，由于在空波导到介质波导转换中，介质的不连续性使转换产生反射损耗，因此设计反射损耗尽量小的渐变过渡鳍线电路是提高空间功率合成器性能指标的关键。

2.2 鳍线电路设计

渐变鳍线电路设计的最终目标是选择一种沿渐变方向的平滑阻抗变换曲线，射频信号在渐变鳍线上传输时反射系数和插入损耗都尽可能的小，而渐变线的长度也尽可能短。一般来说，渐变段的长度与反射系数成反比，渐变线越长反射越小，但传输线越长路径损耗会越大，因此渐变鳍线的长度与其损耗是一对矛盾，需要进行折中设计。其设计的目标就是选择一种渐变鳍线，在满足插损要求的情况下长度尽量短。

目前，在实际工程应用中，渐变鳍线已有指数、抛物线、余弦、余弦平方等比较成熟的四种渐变线，对于一般的工程应用是可以满足要求的。在实际应用中余弦平方和指数形式的渐变鳍线使用较多。一般回波损耗在20～25dB左右的指标要求时，渐变长度要在一个波长量级，而且其渐变线的外形差别明显减小。因此为了尽量优化渐变鳍线的性能，进一步提高电路带宽，缩小插入损耗，需要对渐变鳍线进行优化设计。

本电路的设计中使用余弦平方渐变线，渐变线公式如下

（1）

其中b为标准波导的宽边，由于本系统采用的是对极鳍线，因此建模时b取波导宽边10.16mm的一半。W表示的是鳍线的缝隙宽度，取值与微带线的加工工艺有关，一般不小于0.1mm，l是渐变段的长度，与半波长相当，设计中需对这两个参数进行优化。

由于三维微波仿真软件CST在此类渐变曲线的建模比HFSS软件更方便，建模和计算选择在CST软件中进行，也可将CST中的模型导入HFSS进行计算验证，通过实际验证，两种软件的仿真结果基本一致。实际在CST中的模型如图4所示。

图4 渐变鳍线电路仿真模型

渐变鳍线电路的板材选用Rogers公司的RT5880介质基板，其介电常数为2.22，厚度0.254mm，微带板表面镀金2um。首先对加工好的渐变鳍线进行无源测试，无源测试满足要求后方可进行芯片装配，无源测试与仿真结果的对比如图5所示。无源测试的结果表明，渐变鳍线在工作频段内插入损耗小于0.5dB，输入回波损耗大于15dB，测试曲线与仿真结果基本吻合。无源测试结果表明满足指标要求，可以进行芯片装配了。

图5 渐变鳍线S参数-频率测试与仿真的比较

2.3 MMIC装配

在X波段，可供选择的单片微波集成电路（MMIC）厂家比较多，综合各方面考虑，本设计选择了Mimix公司的XP1006，该功率芯片饱和输出功率40dBm，增益19dB。

由于功率芯片为静电敏感芯片器件，需选择恰当的装配工艺并在专门的净化间内进行。矩形波导空间功率合成器中，渐变鳍线微带板与托架的粘结采用真空钎焊，首先将MMIC的焊接到钼铜衬底上，之后带有衬底的MMIC焊接到微带板和托架上，最后进行金丝键合后完成整体的装配，装配好的矩形波导空间功率合成器如图6所示。

图6 矩形波导空间功率合成器实物图

3.结果与分析

利用微波信号源和功率计搭好测试平台，对空间功率合成器进行测试，按照图7所示搭好测试平台，测试条件为脉冲周期1ms，脉宽100us。首先固定射频频率在中心频率f₀，逐渐增大输入信号的功率，记录下合成器饱和输出时的输入功率，如图8所示，表明在输入功率28dBm时，功率合成器输出功率达到饱和45dBm。

图7 空间功率合成器测试框图

图8 中心频率f₀时合成器Pout-Pin曲线

图9 饱和输出功率和合成效率随频率的曲线

之后，固定功率合成器的输入功率为28dBm，对工作频率进行测试，对工作频带内功率合成器的输出功率和合成效率的测试结果进行整理如图9所示，功率合成器在整个频带内的饱和输出功率大于45dBm，合成效率大于80%。表1是最近国内公开报道的一些空间功率合成产品的性能对比，可以看出本文在宽带性能上具有一定优势。

需要说明的是，以上测试是脉冲信号的测试，如果选用最新上市的效率更高的功率芯片，采取风冷的散热条件，该合成器可以连续波工作。

表1 公开发表的空间功率合成产品性能对比

作者	频率(GHz)	效率(%)	功率(W)	时间
武锦	3.2-4.9	72.3	19.1	2009
党章	15.7-16.2	85	44	2010
魏国强	14.2-14.4	80	100	2011
王正伟	33-36	75	12	2012

结论

利用余弦平方渐变鳍线，在微波仿真软件CST中对渐变鳍线电路进行了优化设计，实现了宽带、低损耗的渐变鳍线过渡电路，研制了一款X波段对极鳍线的空间功率合成器。经测试，在相对带宽25%的宽带内，合成效率大于80%。在X波段微波固态功率的宽带、高效合成具有一定的使用价值和积极的推动作用，并可推广至毫米波等更高频段的工程应用中。