Ka频段宽带波导功率分配器

电子信息对抗技术　７８　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｗａｒｆａｒｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　中图分类号：ＴＮ６２６　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４—２２３０（２０１８）０３—００７８—０３　Ｋａ频段宽带波导功率分配器　吴昌勇，余　雷，李玲玉　（电子信息控制重点实验室，成都６１００３６）　摘要：介绍一种基于阻性膜片的Ｋａ频段宽带波导功率分配器。有别于传统波导功率分配器，　该结构通过在波导公共端插入阻｝生膜片．从而可实现输出端口相互隔离。无源网络实测结果　显示，在２９ＧＨｚ　４０ＧＨｚ的频带内其ｓ２　和ｓ　优于一４．１ｄＢ，￥２３优于一１７ｄＢ。该种功率分配器具　有宽带、低损耗、高隔离度特性，在毫米波功率合成领域应用前箭广阔。　关键词：功率分配器：阻性膜片：隔离度　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１６７４—２２３０．２０１８．０３．０１６　Ａ　Ｗｉｄｅｂａｎｄ　ａｎｄ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｉｖｉｄｅｒ　ｉｎ　Ｋａ——Ｂａｎｄ　ＷＵ　Ｃｈａｎｇ—ｙｏｎｇ，ＹＵ　Ｌｅｉ，ＬＩ　Ｌｉｎｇ—ｙｕ　（Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　Ｋａ—ｂａｎｄ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　ｐｏｗｅｒ　ｄｉｖｉｄｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　ｆｉｌｍ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ａ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　ｐｏｗｅｒ　ｄｉｖｉｄｅｒ，ｔｈｉｓ　ｎｏｖｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｕｌｄ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｈｉｇｈ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｂｅ—　ｔｗｅｅｎ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｒｔｓ　ｗｉｔｈ　ａ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　ｉｆｌｍ　ｉｎｓｅｒｔｅｄ　ｉｎ　ｃｏｍｍｏｎ　ｐｏｒｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ．Ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｒｅ－　ｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　Ｓ２ｌ　ａｎｄ　Ｓ３１　ａｒｅ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈａｎ－４．１　ｄＢ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｓ２３　ｉｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈａｎ－１７ｄＢ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒａｎｇｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　２９ＧＨｚ　ａｎｄ　４０ＧＨｚ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｖｉｄｅｒ　ｃｏｕｌｄ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｗｉｄｅ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ａ　ｌｏｗ　ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ　ｌｏｓｓ　ａｎｄ　ａ　ｈｉｇｈ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｕｓ　ｉｔ　ｍａｙ　ｂｅ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ　ｗａｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ　ｄｉｖｉｄｅｒ；ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　ｆｉｌｍ；ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　１　引言　由于毫米波具有高辐射特性，现代毫米波系　统普遍采用封闭的波导作为传输媒介，以减小电　路损耗。功率分配器作为最基本的无源电路结　本文详细分析了阻性膜片波导功分器的实现　原理，着重解决该种结构形式的加工、装配和宽带　工程实现问题。设计的两路功分器实测结果显　示，在２９～４０ＧＨｚ的频带内Ｓ　。和Ｓ，　优于　一构，广泛应用于功率分配／合成、自检等场合。宽　带、高隔离度成为毫米波波导功分器的设计难点。　４．１ｄＢ，￥２３优于一１７ｄＢ。　传统的波导三端口功分器是无耗互易的，不　能实现高隔离特性．如理想的Ｅ—Ｔ和Ｈ—Ｔ隔离　度仅６ｄＢ；而四端口的魔Ｔ加工装配困难，且难以　满足宽带应用要求ｌ１］。为使得波导三端口器件　具有隔离特性，必须引入阻性材料。国外文献报　２　宽带阻性功分器设计的理论依据　２．１　波导宽带Ｅ—Ｔ结构　波导Ｅ—Ｔ分支是一种典型的无耗互易三端　口功率分配结构。文章『２　１详细介绍了利用减高　波导结构来解决宽带匹配的方法。如图１所示，　道了这种新颖的功分器的实现方法＿３］。　如果两分支波导输出端口宽边ａ不变，窄边高度　收稿日期：２０１７—１２—１４：修回日期：２０１８—０１—０８　作者简介：吴昌勇（１９８４一），男，Ｉ￣ＪＩ１人，工学硕士；余雷（１９８６一），男，四川人，工学硕士；李玲玉（１９８３一），女，湖南人，工学硕士。　电子信息对抗技术·第３３卷　２０１８年５　Ｊ第３期　吴晶勇，余雷，李玲玉　７９　Ｋａ频段宽带波导功率分配器　ｂ减半，波导２、３端口对于１端口来说，将呈现固　有的阻抗ｐ１；配。采用此方法极易实现整个波导带　递，故它们是隔离的。　分析可见。插入阻性膜片的波导Ｅ—Ｔ能同时　实现等幅反相功率分配和输出端口之间的隔离。　理论上，各端口匹配，输出口理想隔离的波导Ｅ—Ｔ　宽内的等功率分配。　滏　Ⅸ　ｌ■目　横　瓣　＿　＿　分支的Ｓ参数矩阵应为：　，ｎ２　嚣　豳ｊ　璧　一　删　——翻豳＿．－－－－－．．．　．．。，．　．＿　［Ｌｓ］：５√２广．ｒ　０　１　一１］　ｐｏｒｔｄ　一Ｉ　ｌ　０　０　Ｉ　ｌ一１　０　０　Ｊ　（２）　■—圈—■■醴蹦　龋　＿＿＿＿＿．．．．．．一　图１波导Ｅ—Ｔ宽带功分器　３　Ｋａ频段波导Ｅ—Ｔ的仿真分析　基于前述理论分析，在ＨＦＳＳ中建立波导功分　结构仿真模型如图３。陶瓷介质片应该足够薄，以　减小介质损耗和保证膜片两侧磁场相等。电阻方　阻和尺寸应合理选择，以实现最优的匹配和隔离特　性。采用Ｋａ频段标准波导ＢＪ３２０，ｊ个波导口面　２．２波导Ｅ—Ｔ中的阻性膜片　我们常采用奇偶模法分析平面ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功　分器，它能实现输出端口相互隔离的实质是有耗　的电阻吸收了非对称端口激励下的能量串扰。对　于波导Ｅ—Ｔ中在Ｔ字形中间垂直插入阻性膜片　的结构，如图２所示，可以采用类似的分析方法。　假设Ｅ—Ｔ的三个端口电磁场分别为Ｅｌ／Ｈ１，　尺寸均为ａ￣ｂ，其中２、３两个端口在输出时包含一　段阻抗渐变线，将窄边由０．５ｂ变为ｂ。　Ｅ２／Ｈ２以及Ｅ３／Ｈ３。根据电磁场边界条件，物体　表面电流．，。可以用法向单位矢量　和表面两侧的　矢量磁场　：、　表示：　＿＋　．———＋———＋　Ｊ　＝ｎ×（　一目　）　（１）　图３　波导功分器仿真模型　如图２所示，在此功分结构中，电阻片厚度不　能过大。否则，仅有１端口激励时，电阻膜两侧　Ｈｌ的磁场分量不相等，由（１）式可知，在电阻膜　片上将产生表面电流，能量将部分被吸收。传输损　耗显著增大。　—－。Ｔｓ　匝口ＩＬ电—　：—ＪＪＪＩ｛　．＿ｌ．—Ｊ　Ｌ＋．、　图２波导阻性膜片结构　由于波导Ｅ—Ｔ两个输Ｊ｝ｆｊ＿口电磁场为等幅反　相，当电阻片厚度足够薄，且２、３端口反对称激励　时（等幅反相），在电阻两侧的磁场就可以近似看　作等幅同相，由式（１）可知电阻表面无面电流通　图４波导阻性膜片结构　电路仿真结果如图４．Ｅ—Ｔ功分器中增加薄　膜电阻后。整个Ｋａ频段的隔离度大于１６ｄＢ，其中　２６ＧＨｚ一３８ＧＨｚ大于２０ｄＢ；输入端反射系数ｓ　小　于一１４ｄＢ．其中２８ＧＨｚ一４０ＧＨｚ小于一２０ｄＢ：输出　过，电阻上不消耗能量。这时，Ｅ—Ｔ完成等功率　分配的功能；当２、３端口为对称激励时（等幅同　相），电阻两侧磁场不相同，此时将有Ｙ向面电流　端反射系数优于一１２．５ｄＢ，其中２８ＧＨｚ～３７ＧＨｚ　小于一２０ｄＢ。可见，薄膜电阻的使用使得Ｅ—Ｔ输　出端驻波和隔离度都得到显著改善。　．，　流过电阻。如果电阻值取得合理，这些能量将　会被电阻全部消耗。因为没有能量在２、３口传　Ｋａ频段宽带波导功率分配器　器　投种箱：：　　“一　…＠ｌ２６．。。　…　“　４　Ｋａ频段宽带功分器的实验研究　如前所述，为尽量减小电路损耗，陶瓷介质片　于阻性膜片装配不对称，加固时导电胶涂抹不均　应足够薄。还要有足够机械强度：介质片应该方便　安装和固定；安装槽不应使电路产生谐振；在大功　率场合应用时．电阻片应与外部腔体可靠接触，以　方便散热。在毫米波频段，加工细小的深槽较为　匀，使得波导内侧胶面不平整，增大了传输损耗。　通过改进装配工艺，可以进一步提升该种结构全　频段的损耗特性。　困难。采用线切割方式能加工的最细缝隙宽为　０．４ｍｍ。综合考虑上述因素，选取陶瓷片厚度为　０．２５４ｍｍ，在图３所示的固定槽内填充导电胶固　定陶瓷片，优化腔体尺寸以抑制电路谐振。Ｋａ频　段功分器实物如图５所示。　２ｉ］Ｉ】２７４　２８　：　２　３１　：　；ｌ１＂ｋ１．４：蜗．　３７２：　４Ｉ　频率／（；ｌｌｚ　图７　Ｋａ频段功分器的ＶＳＷＲ２和５＂２３　＾　ｌＪ＼籼　∞Ⅱ磐罢Ｎ口释　图５　Ｋａ频段宽带功分器　波导功分器Ｓ参数实测结果如图６—８所示。　由测试结果可见，在２９ＧＨｚ～４０ＧＨｚ频段内，　ＶＳＷＲ１和ＶＳＷＲ２均小于１．７（在频带低端有所恶　频率，Ｉ　ＩＩｚ　图８　Ｋａ频段功分器两端口相位差　化），两输出端口之间的幅度差为±０．１ｄＢ，Ｓ　。和　．ｓ　，均优于一４．１ｄＢ。由于隔离电阻的引入，整个工　５　结束语　本文结合工程实际。研制了一种基于阻性膜　片的Ｋａ频段宽带波导功率分配器。该功分器在　２９ＧＨｚ　４０ＧＨｚ频带内的Ｓ，。和｜ｓ　均优于　４．１ｄＢ：隔离度大于１７ｄＢ，两端口间相位差介于　一作频带内功分器端口之间的隔离度大于１７ｄＢ。　两路相位差介于１７３。和１７８。之间。　ｌ　９　８　７　６　４　３　２　ｌ　¨Ⅲ　０　ｎ　０　Ｏ　０　Ｏ　０　Ｏ　０　岫　旧ｍ　１７３ｏ和１７８ｏ之间。证明该种合成结构具有宽频　带、低损耗和高隔离度的优良特性，在毫米波领域　具有独特的应用前景。　参考文献：　［１］杜仑铭，徐可荣．宽带波导魔Ｔ设计［Ｊ］．舰船电子　；（）２７４　２８．８　｝．２　３１　ｆ；３３Ｉｌ：Ｈ４　３５抖：ｌ７．２：　５＇４１１．０　频￣／Ｇｔｌｚ　对抗，２００６，２９（３）：５２—５４．　［２］　吴昌勇．一种Ｘ波段四路大功率合成器［Ｃ］／／西南　电子设备研究所学术交流论文集．成都：西南电子　设备研究所．２０１０：２５１—２５４．　图６　Ｋａ频段功分器的ＶＳＷＲ１、￥２１和５３１　［３］　ＫＨＡＮＰ，ＥＰＰ　Ｉ　，ＳＩＩＮＡ　Ａ．Ａ　Ｋａ—Ｂａｎｄ　Ｗｉｄｅｂａｎｄ—Ｇａｐ　通过对比仿真数据可见，功分器在频带低端　损耗偏大，在２８．７ＧＨｚ处出现轻微谐振。这是由　Ｓｏｌｉｄ—Ｓｔａｔｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：Ａｒｃ￣ｔｅｃｔｕｒｅ　Ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ　［Ｒ］．ＩＰＮ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　Ｒｅｐｏｒｔ，２００５（４２－１６２）：１－１６．