一种Ka波段开槽波导空间功率合成器的设计

摘要：设计了一种结构简单，容易制造的开槽波导功率分配器／合成器。该合成器采用锥形微带线一波导的过渡结构，每路微带线传输部分由小腔体进行隔离。通过CST仿真软件，设计了一个中心频率为35 GHz的Ka频段的功率合成器。仿真结果显示，该结构回波损耗小于-20 dB时的带宽达近500 MHz，且插入损耗小于0．1 dB。可见，具有极低的插入损耗和较低的回波损耗。
关键词：空间功率合成；开槽波导；功分器；CST

0 引言
当前，在本地多点分配业务这种无线通信系统中，越来越多地用到毫米波段。基站发射机需要中、高功率的固态功率放大器。尽管目前在高频半导体技术和芯片制作方面取得不小的进展，但是毫米波设备仍然受制于它们的最大输出功率。目前，市场上可以买到的毫米波段功率放大器芯片MMIC一般只有几瓦的输出功率，因此要获得足够高的输出功率，需用好几片MMIC进行合成。
空间合成器因为其较低的插入损耗和更高的合成效率，从而比传统的电路合成更受欢迎，它们的合成效率与用于合成的芯片数量有关。在制作时，合成电路应尽可能紧凑，但是实际尺寸却受芯片大小、偏置电路、散热等方面的影响。
本文介绍的空间功率合成方案，采用开槽矩形波导与多路锥形微带线耦合的方案。该方案中，开槽矩形波导的结构比较简单，容易制作，尺寸也不大，而且散热很好。在制作10～33 GHz的功率放大器时备受推崇。这种方式构建的放大器，维修起来也很容易，若要获得更大的合成功率，只需要使用较大功率的芯片代替某路原有芯片即可。当然，这些高频段的芯片体积都很小，在装配时必须非常小心。

1 工作原理与结构
开槽波导空间合成器的工作原理和开槽波导功分器的外形如图1所示。信号从波导口输入，通过开在波导宽边或窄边上的纵向槽耦合到微带线中实现功分，经过放大器放大后的信号再由微带到槽耦合后合成。

开槽波导功分器按能量在波导中的传播方式不同可分为行波式和驻波式。行波工作方式下，可在波导终端填充吸收材料，避免在波导内形成驻波，耦合槽的位置无特别要求；在驻波工作方式下，波导终端短路，能量在波导中呈驻波分布，耦合槽应开在电场的波腹位置。
这两种工作方式下，能量在波导内的分布不同也带来了耦合系数设置的不同。以4路功分为例，为得到等功率分配，驻波工作方式各路的耦合系数相同。都是1／4；行波工作方式下能量在波导内传输时逐级递减，耦合系数的设置为第1路1／4，第2路1／3…第4路应保证耦合系数为1。
本文最终采用的功分器方案为驻波式，开槽方式为波导边侧开槽。波导槽位置、尺寸的初始值可以由如下方式确定：
方法一：借鉴波导裂缝阵天线的设计方法，引入分布参数等效电路，其等效图如图2所示。