摘 要：平行板径向波导功率合成器具有工作频带宽，低插入损耗，与放大器和传输线匹配良好，端口隔离度较高，功率容量大等特点。设计了一个1.5 kW宽带6路径向波导功率合成器，CST软件仿真结果表明：该合成器在驻波比小于1.1的情况下，其工作频带为1.35~3.3 GHz，合成效率达到96%。
关键词：宽带大功率微波；径向波导；功率合成；VSRW；CST
中图分类号：TN73 文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2008)11-097-03
Design of Broadband High Power Parallel-plate Radial-waveguide Combiner
ZENG Xiaobo,GE Qing
(Hunan Vocational Institute of Technology,Xiangtan,411104,China)
Abstract：Parallel-plate radial-waveguide combiner has the properties of broad bandwidth,low insertion loss,good matching to amplifiers and transmission lines,good isolation between the ports and high power capacity.In this paper,a 6-ways broadband radial-waveguide combiner with output power of 1.5 kW is presented.The CST simulation results show that this combiner achieves broad operating band,which cover 1.35~3.3 G,with a SWR less than 1.1.Across the passband,a high combine efficiency reaches 96%,and the isolation greater than 7 dB.
Keywords：broadband high power microwave;radial-waveguide;power combine;VSRW;CST
1 引 言
高功率合成器要求合成器功率容量大、工作频带宽、各端口隔离度大。微波毫米波功率合成技术主要可以分为[1,2]：
(1) 器件级(或芯片级)合成
一定数量的器件(典型的使用二极管)被组合到一起用于放大,通常其尺寸远小于波长。然而其物理尺寸限制了合成效率,更加严重的是其隔离度差[3,4]。
(2) 线路级功率合成
在电路级功率合成中,器件被不小于波长的距离隔开,因而比芯片级可以容纳更多的器件用于功率合成,电路级功率合成又分为谐振和非谐振合成器。典型的谐振型功率合成器[5,6]基于矩形或者圆柱形腔体,被广泛应用于窄带功率放大器及振荡器,但其相位噪声,频率稳定度较差,工作频带窄；非谐振型基于如：径向波导[7]、球形波导[8]、脊波导\[9\]及微带电路[10,11]，合成器有较小的损耗，工作频带宽的优点。
(3) 空间功率合成
空间功率合成器[12,13]由辐射阵列构成，互相隔开便于微波在自由空间进行合成，这种技术在毫米波亚毫米波具有很大的潜力。
从以上分类分析可以看出径向波导具有合成效率高、工作频带宽的优点，本文选择径向波导功率合成器进行分析。平面径向波导的功率合成器由圆形腔体、外围探针，中心探针组成。其中外围探针由N个同轴线延伸到腔体内部，合成功率由中心探针通过同轴传输线输出，其结构图如图1所示。
图1 N路探针型径向波导功率合成器
图2 N路径向波导内部图
2 径向功率合成器理论分析
Bialkowski利用场匹配理论分析了同轴-径向波导接头[14-16]，本文详细推导计算公式。
采用场匹配技术对径向波导进行理论分析:
2.1 腔体中4个区域的场
Ⅰ区电场应该满足边界条件：
3) 场匹配
为了确定场散射系数,需要对切向场分量进行场匹配:
Ey5(r=Ra)=Ey1(r=Ra),[WB]0 < y < B1
0,[DW]B1 Ey2(r=Ra),[DW]B-B2 HΦ5(r=Ra)=HΦ1(r=Ra), [KG*2/3][WB]0 HΦ2(r=Ra),[DW]B-B2 Ey5(r1=Rc)=Ey3(r1=Rc), [KG*2/3][WB]0 0,[DW]B3 Ey4(r1=Rc),[DW]B-B4 HΦ5(r1=Rc)=HΦ3(r1=Rc), [WB]0 HΦ4(r1=Rc),[DW]B-B4 将式(1)~式(8)代入到4个等式可以求解出A,C的解集,再求出D1m,D2m,D3m,D4m,将它们代入得到场(1)~(4)的表达式： I0=1g012π∫h0+g0/2h0-g0/2∫2π0HΦ(r=a)dΦdy I1=1g112π∫h1+g1/2h1-g1/2∫2π0HΦ(r1=c)dΦdy 根据上面公式进行Matlab编程计算，再与仿真结果比较。 3 径向波导功率合成器的仿真设计 利用CST对径向波导功率合成器进行仿真设计，为了在腔体中传输主模，腔体高度小于在4 GHz的波长的一半，相邻外围探针的距离约等于中心频率2.5 GHz的波长的一半，外围探针到腔体的距离等于2.5 GHz波长的1/4。经过仿真优化其S参数如图3、图4所示。 图3 径向波导合成器S11 图4 传输损耗和隔离度[LL] 其中隔离度由于外围端口之间相对位置不一致而不同，工作频带内大于7 dB。 4 结 语 本文设计的宽带高功率径向波导功率和成器，在驻波比小于1.1情况下工作带宽为1.35~3.3 GHz，合成效率大于96%。 参 考 文 献 ［1］Russell K J.Microwave Power Combining Techniques.IEEE Trans.,1979,27:472-478. ［2］Chang K,Sun C.Millimeter-Wave Power-Combining Techniques.IEEE,1983,31:91-107. ［3］Josenhans J G.Diamond as an Insulating Heat Sink for a Series Combination of IMPATT Diodes.Proc.IEEE,1968,56:762-763. ［4］Rucker C T,Hill G N.Symmetry Experiments with Four-Mesa IMPATT-Diodes.IEEE,1977,25:75-76. ［5］Harp R S,Stover H L.Power Combining of X-Band IMPATT Circuit Modules.IEEE,1973:118-119. ［6］Drubin C A,Hieber A L.A 1 kW peak,300W avg IMPATT Diode Injection Locked Oscillator.IEEE,1982:126-128. ［7］Sanders B J.Radial Combiner Runs Circles Around Hybrids.Microwaves,1980:55-58. ［8］Allen P J,Ness J B.A Hemispherical Radial Power-Waveguide Divider/Combiner for High Power Amplifiers.Ireecon,1987:102-104. ［9］Oz M.Wideband Double-Ridged 8-Way Radial Combiner\[C\].14th European Microwave Conference Proceedings,1984:317-322. ［10］Saleh A A M.Planar Electrically Symmetric n-Way Hybrid Power Dividers/Combiners.IEEE Trans.,1980:555-563. ［11］Stones I,Goel J,Oransky G.An 18 GHz 8-Way Radial Combiner. IEEE,1983:163-165. ［12］Staiman D,Breese M E,Patton W T.New Technique for Combining Solid-State Sources.IEEE,1968:238-243. ［13］Robinson A W,Bialkowski M E.Quasi-Optical Amplifiers for Wireless LAN\[C\].Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings,1995:736-739. ［14］Bialkowski M E,Waris V P.Electromagnetic Model of a Planar Radial-Waveguide Divider/Combiner Incorporating Probes.IEEE Trans.,1993,41:1 126-1 134. ［15］Harrington R F.Time Harmonic Electromagnetic Fields\[M\].New York:McGraw-Hill,1961. ［16］Bialkowski M E.Analysis of Disc-trpe Resonator Mounts in Parallel Plate and Rectangular Waveguides.AEU,1984,38:306-311. 作者简介 曾小波 男，1979年出生，助教，硕士生。研究方向为射频电子学应用，微波器件仿真设计。 注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
