一種基于波導H面的Ka波段寬帶功率合成網絡詳細教程

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一種基于波導H面的Ka波段寬帶功率合成網絡詳細教程

工程師2 發表於 2018-04-18 15:20:00

1 引言

毫米波矩形波導電橋在毫米波雷達和通信系統的功分器中扮演了相當重要的角色。在毫米波段，矩形波導耦合器可以彌補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。基於矩形波導的功率分配/合成網絡由於本身低損耗、應用頻率高的特點成為研究人員的研究重點。在毫米波段，對於二進位功率分配波導單元結構多採用3-dB 波導E-面分支結構，該波導分支結構具有低損耗、高隔離度及結構緊湊等特點，但是由於受到機械加工的影響，波導分支數有一定的限制，這樣會導致在毫米波段波導分支結構的帶寬受到嚴格的限制。

在功率合成技術中，採用寬頻帶特性的功率合成網絡，可以大幅度提高系統的輸出功率。Louis W. Hendrick等學者提出了一種窄臂短槽的寬帶電橋，這種寬帶耦合是由於在耦合的一個公共區域內TE30模逐漸消失的作用，這樣會導致奇偶模電路電長度的改變，從而實現寬帶特性。運用這種結構，實現了緊湊的結構和寬帶特性。

本文基於該學者的理論提出了一種基于波導H-面的Ka波段寬頻帶功率合成網絡，該功分網絡可以實現近7.5GHz的帶寬，在29.5-37GHz範圍內，兩埠的幅度差小於0.4dB，回波損耗小於-19.5dB。

2 基于波導H-面的Ka波段寬頻帶功率合成網絡理論分析

本文所提出結構是通過H面階梯不連續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，由於該電路結構僅在H面這個面上變化，所以由於TE10模的激勵，磁場的方向與H面平行。此外，電路有兩個可以摺疊的對稱面：AA和BB，所以可以把四個埠看成四個一樣的埠進行分析，該埠的劃分依據是根據平面的奇偶模激勵用電場和磁場邊界沿著兩個對稱面進行劃分（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埠的反射係數：推導得出：

下標e和o分別代表對稱面的奇模和偶模，與此對應的第一個下標對應的是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埠的電路，這個結構是由一個兩級階梯結構成，這個階梯結由三個波導的電場窄臂或磁場窄臂構成。三個多模式導引級聯會產生階梯的不連續性。所以由此可以推導出如圖3所示的多模等效電路模型，每個導引在階梯不連續性的等效模式電壓和電流互相耦合如下式：

圖2 四分之一埠剖面圖

圖3 多模等效電路模型

    下標分別代表每個波導H面的模數，代表相連波導的模型耦合係數，它是由分界面模式匹配決定。如果假定輸入波導端逐漸消失的高次模端接他們的特性阻抗，輸出波導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，那麼就可以推導出每個激勵下的反射係數，從而得出整個電路的散射矩陣 。

3 基于波導H-面的Ka波段寬頻帶功率合成網絡設計及仿真

通過對基于波導H-面階梯型定向耦合起的理論分析，根據其理論設計了基于波導H面的一級階梯定向耦合器。本文設計該矩形波導電橋的方法是主要利用HFSS三維電磁場仿真軟體進行設計。通過建立模型，設置邊界，進行參數掃描和優化，數據處理，繪製仿真圖形，得到最終結構尺寸。這種方法的核心主要是參數掃描和優化，需要花費大量時間和精力。但是由於方法比較簡便，利用計算機軟體完成大量計算，尤其對於毫米波段波導結構器件的設計相當有用。利用HFSS仿真結構如圖4如下：

圖4 基于波導H面一級階梯定向耦合器

圖5 合成網絡的功分幅度

仿真結果如圖5和6所示，在29GHz-37GHz寬頻帶的範圍內，功分網絡的四路幅度不平衡度小於0.5dB，相位也取得了很好的一致性，並且輸入端的回波損耗小於-17dB。通過仿真結果可以看出，其雖然達到了所需的寬頻帶特性的要求，但是在整個頻帶內，幅度不平衡度及回波損耗的效果不是很好。

圖6 合成網絡的回波損耗及隔離度

本文基於一級階梯設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別是在公共耦合器的區域內，一級階梯變成了二級階梯，通過這樣的變化，實現耦合區域範圍內的阻抗漸變，從而可以實現較低的回波損耗，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H面二級階梯定向耦合器

圖8 合成網絡的功分幅度

仿真結果如圖8和9所示，在29.5GHz-37GHz的範圍內，功分網絡的四路幅度不平衡度小於0.4dB，相位也取得了很好的一致性，並且輸入端的回波損耗小於-19.5dB。

圖9 合成網絡回波損耗及隔離度

通過以上兩種結構的仿真結構對比，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，都比一級階梯結構有了較明顯的改善。

4 結論

本文在Louis W. Hendrick等學者的基礎上，提出了一種基于波導H-面的Ka波段寬頻帶功率合成網絡。該合成網絡是基於H面階梯不連續性多模等效電路模型提出的，通過對階梯定向耦合器的設計分析，基于波導H-面的階梯型定向耦合器具有寬頻帶特性，並且隨著級數的增加其性能具有明顯的改善。從仿真結果來看，該結構具有寬頻帶、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。

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