一种波导-双对极鳍线-微带线形式的空间功率合成器

摘要

本发明涉及一种波导-双对极鳍线-微带线形式的空间功率合成器，包括连接波导端口、过渡结构、防谐振片和微带线；过渡结构采用余弦平方方程的金属渐变鳍线，印制在介质基板的正反两面上，正面的金属渐变鳍线过渡成两路微带线，反面的金属渐变鳍线作为地，防谐振片印制在介质基板的反面，采用两端为半圆、中间为长方形的形状。

说明书

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体是雷达固态发射机中的空间功率合成器。

背景技术

高功率放大器是微波或毫米波频段发射机必不可少的关键部件之一，其主要通过 电真空器件或固态器件来实现功率放大功能。对于电真空器件，由于其是高压器件， 在实际应用中需提供高压电源系统，所以体积和重量对应用场合有一定的限制；对于 固态放大器件，具有电压低、体积小、重量轻等优点，特别是随着微带印制电路在雷 达固态发射机中应用，固态放大器件可以应用在更广泛的场合，但是单个的固态功率 放大器件，其功率容量比电真空器件低，常常不能满足大功率的要求。为了既可以体 现固态放大器件的优点又可以满足大功率的实际需求，就需要设计无源的功率合成网 络将多个功率固态放大器的输出进行叠加，即进行空间功率合成。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决了由于单个固态放大器件的功率容量小，而固态发射机需要输出大功率 时的功率合成问题。本发明提出一种波导-双对极鳍线-微带线形式的空间功率合成器。

技术方案

一种波导-双对极鳍线-微带线形式的空间功率合成器，包括连接波导端口、过渡 结构、防谐振片和微带线；其特征在于过渡结构采用余弦平方方程的金属渐变鳍线， 印制在介质基板的正反两面上，正面的金属渐变鳍线过渡成两路微带线，反面的金属 渐变鳍线作为地，防谐振片印制在介质基板的反面，采用两端为半圆、中间为长方形 的形状；在介质基板两侧延伸出1/4介质波长有金属地的介质基片作为安装固定结构， 安装固定结构上开等间距圆孔。

所述的金属渐变鳍线余弦平方方程：

$\omega \left(z\right)=\frac{b/2+\omega }{2}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\pi z}}{{2L}_f}\right),0\le z\le L_f$

式中，ω为50Ω微带线的宽度，z为鳍线传输线的纵向坐标，b为波导高度，L_f为过渡段长度，取值1.5λg，其中λg为TE10模波导波长。

介质基板选用RT/Duroid 5880材料，介电常数ε_r＝2.2，介质厚度为0.254mm。

有益效果

本发明提出的一种波导-双对极鳍线-微带线形式的空间功率合成器，在Ku频段 12.5GHz～15.5GHz内，功率合成器的插入损耗小于0.6dB，回波损耗大于16dB。此功 率合成器的优点主要是：在3GHz带宽内实现了空间功率合成的情况下，将一路波导 内的能量分层分路的耦合到了4条微带线上，便于微带印制电路上固态功放器件对输 入功率同时进行放大，并通过一路标准波导口输出。在结构上易于机械加工，便于安 装。在电气性能上，实现了较小的插入损耗和较大的回波损耗。

附图说明

图1本发明中对极鳍线结构说明图

图2本发明中对极鳍线正反两面尺寸标示图：(a)正面图，(b)反面图

图3本发明中双对极鳍线结构说明图

图4本发明中双对极鳍线尺寸标示图

图5本发明中双对极鳍线背靠背结构电压驻波比仿真结果图

图6本发明中双对极鳍线背靠背结构插入损耗仿真结果图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

在雷达发射机中采用波导-双对极鳍线-微带线过渡结构的无源功率合成网络目的 是为了实现在波导内的功率合成，保证良好的功率合成效率和工作带宽，以及较小的 辐射损耗，并且适用于微带印制电路中固态器件的安装。在本发明中，采用规则矩形 标准波导作为功率的输入与输出端口。在物理结构上，可将波导的宽边进行多层剖分， 形成相同的多层平面结构，在各层上实现功率放大电路结构。同时，标准波导便于与 前后电路进行标准化连接。在波导内传输主模的工作条件下，功率在等效的波导内进 行的合成。过渡结构采用波导转微带的形式，将波导内传输的能量耦合到每一层的微 带印制电路中，再利用固态放大器件将各支路的功率进行放大，输出端采取微带到波 导的过渡结构将放大后的功率耦合到波导内，实现了功率的合成输出。

在本发明中，采用双对极鳍线的过渡形式实现波导-微带间的能量传输。双对极鳍 线可视为准平面结构，不仅易于集成在波导宽边多层剖分后的每层平面结构中，而且 由于采用了双路结构，可以在同一平面内将波导内的功率分为幅相一致的两路能量并 耦合到微带线上。在输出端用同样的过渡形式将微带线上的功率合成并耦合到波导内。

选用Ku频段标准矩形波导BJ140(15.8mm×7.9mm)，微带线介质基片选用 RT/Duroid 5880材料，其介电常数εr＝2.2，介质厚度为0.254mm。

如图1，通过连接波导端口的一小段介质基片以减小波导过渡到微带介质基片的 不连续效应。然后，过渡到渐变鳍线段，渐变鳍线采用沿渐变方向的平滑阻抗变换曲 线，曲线方程为余弦平方方程。在渐变鳍线段，两个金属鳍印制在介质基板的两面， 一个鳍作为微带线，并平滑分成相同的两路，另一个鳍作为微带线的地，用短路片与 波导金属壁相连。防谐振金属片印制在微带线地的一面，与微带线地相距一小段距离。 为了使整个功率合成结构可以安放在波导内，在介质基片两侧延伸出一段有金属地的 介质基片作为安装固定结构，延伸宽度约为1/4介质波长，在固定结构上开等间距圆 孔，以防止谐振。

如图2，渐变鳍线余弦平方过渡方程为

$\omega \left(z\right)=\frac{b/2+\omega }{2}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\pi z}}{{2L}_f}\right),0\le z\le L_f$

式中，ω为50Ω微带线的宽度，z为鳍线传输线的纵向坐标，b为波导高度，L_f为过渡段长度。L_f的长度过短，会使端口的反射系数增大；长度过长，会增大电路的 损耗，所以一般取1.5λg左右(λg为TE10模波导波长)。

对极鳍线背面的防谐振片两端的半圆弧半径为L_r，中间距离为L_c，距鳍线渐变线 组成的半圆弧距离为S，短路片距离为L_s，微带线宽度为W_m，相距W_ms，固定结构宽 度为W_x，开孔直径为R。

如图3，将上述两个相同的对极鳍线过渡结构以背靠背的形式安装在标准波导的 宽边内，短路片在两介质基片之间，与波导壁的长边相连。如图4，两对极鳍线的间 距为Ds。

利用Ansoft HFSS电磁仿真软件，采用上述双对极鳍线结构背靠背形式对各项参 数进行仿真优化，参数优化结果如表1所示。

如图5，仿真结果表明：在12.5GHz～15.5GHz工作频带内，双对极鳍线电压驻波 比均小于1.35，在14.35GHz达到最大值1.34。如图6，在12.5GHz～15.5GHz工作频 带内，双对极鳍线插入损耗均小于0.6dB，单边损耗小于0.3dB，在15.5GHz达到最大 值0.55dB。

表1双对极鳍线尺寸参数

Wd Ws D L Lf Lm 3.94mm 6.03mm 6.1mm 39mm 19.9mm 17.5mm Wm Wms W Wx Ls Lr 0.76mm 3.18mm 7.9mm 4.05mm 34.5mm 1.3mm Lc S R Ds     9.5mm 0.3mm 2.4mm 6.5mm