一种波导功率合成器的设计

彭德强，徐声海

（1.船舶重工集团公司723所，扬州225001；2.海军驻扬州723所军事代表室，扬州225001）

0 引 言

随着现代雷达的发展，传统的磁控管、行波管型发射机将逐步被占空比更高的固态型发射机所取代。由于作用距离的需要，单个的固态管不能满足系统要求，这就要求将多个固态源进行功率合成。相位一致性、驻波系数、插入损耗是影响功率合成效率的几个关键因素，而用波导功率合成可以很好地解决这些问题，且具有功率容量大的优点［1］。

1 波导功率合成器的工作原理

将多路微波功放模块发射出来的大功率信号通过后馈式波导同轴转换的N型头输入，经过合成以后由波导口输出。考虑到功率合成器的带宽以及效率，用魔T比用电桥更加合适。为了减小各输入端口之间的相互影响，将单T改为魔T，魔T的一个端口作为输出端，另一端口连接波导负载，为了增大波导负载的散热面积，将负载表面与功率合成器大面积接触［2］。

波导魔T具有以下特征：

（1）四端口完全匹配。

（2）E臂和H臂相互隔离，且2个侧臂也相互隔离。

（3）一侧臂输入信号，E臂和H臂等分输出，而不进入另一侧臂。

（4）H臂输入信号，2个侧臂将等幅同相输出，而不进入E臂。

（5）E臂输入信号，2个侧臂将等幅反相输出，而不进入H臂。

以上特征可用S参数表示为：

在合成器的设计中，匹配模块尺寸的选取主要根据中心工作波长λ0，考虑直径Dφ和高度h，有以下几个选择参照标准［3］：

（1）直径的选取范围：Dφ＝ （0.8～1.1）λ0；

（2）高度的选取范围：h＝ （0.2～0.3）λ0；

（3）安装圆锥体的位置应考虑H壁的对称性；

（4）调整圆锥体的尺寸优化H臂驻波系数；

（5）调整圆柱的高度优化E臂驻波系数。

2 波导功率合成器的实现方法

结合单个管源的功率大小以及系统的功率需求，用八合一的功率合成器即可满足系统要求。由于单个固态源的输出口为N型，为了与之匹配，在波导功率合成器的输入端都采用N型接口，波导功率合成器的输入端各接一个后馈式的波导同轴转换。为了满足相位一致性要求，后馈式波导同轴转换的零部件都要求在同一程序下同一批次加工完成。

在输入端相位一致的情况下，将每2个相邻的后馈式波导同轴转换设置成相位相反，结合魔T的工作原理，则第1级合成功率由E－T端输出；由于各魔T输入端间距一致，且结构尺寸完全一样，则第2级输入端的相位相同，因此，第2级合成功率由H－T端输出。同理，第3级合成功率也从H－T端输出。考虑到各管源有功率变化的可能性，在各级魔T的匹配端口都连接匹配负载，如图1所示。

图1 波导功率合成器照片

由于整个波导功率合成器有较高的相位要求，故要求腔体加工前后都要进行热处理，保证各个端口的平坦度以及结构尺寸。支撑底板要承受整个功率合成器及其附件的重量，要求一定的强度保证，避免变形引起的相位变化。调节锥体和螺杆在腔体内的相对位置，使之保持一致，使各端口的驻波系数以及相位一致性更佳，从而保证合成效率。

3 仿真计算结果

配上后馈式波导同轴转换的波导功率合成器，输入端口驻波系数≤1.20，输出端口驻波系数≤1.27，隔离度≥24dB，插入损耗≤0.2dB，具体的仿真结果如图2～图4所示。

图2 驻波系数曲线

图3 隔离度曲线

图4 S12曲线

4 测试结果及实物图片

加工调试完毕，波导功率合成器的实测结果为：和路驻波系数≤1.20，端口隔离度≥25dB，插入损耗≤0.3dB，相位一致性≤±1°，分别如图5～图8所示。

图5 和路驻波系数测试结果

图6 端口隔离度测试结果

图7 S12测试结果

图8 相位一致性测试结果

由测试结果可以得知，该型波导功率合成器的驻波系数在全频带内可以控制在1.2以内，且各端口的驻波系数曲线一致性很好；各端口之间的相位一致性小于1°，不同端口的相位会有细微的变化，但左右相对应的位置相位基本一致；插入损耗小于0.3dB，合成效率92%，达到了国内领先水平。

5 结束语

波导功率合成器腔体由精密机械加工而成，可以保证加工精度，测试结果与仿真结果能够较好地吻合。由于端口之间的隔离度较高，相互之间的影响也比较小。同时由于魔T的匹配端为大功率负载，在输入源出现故障的情况下也不会对合成器造成破坏性的影响。根据单个固态源体积以及位置的变化也可以调节功率合成器的间距以及相对位置，在实际工程中灵活应用。

［1］梁昌洪.简明微波［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］廖承恩.微波技术基础［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2004.

［3］张德斌.雷达馈线技术［M］.北京：电子工业出版社，2004.