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1、微波学报 2015 年 10 月 收稿日期：2015-08-20 基于波导混合环的毫米波宽带功率分配/合成器的设计 张洪林 于映 ( 南京邮电大学电子科学与工程学院，南京 210023 ) 摘 要：本文设计了一种采用波导混合环实现毫米波宽带功率分配/合成器。它是在基于微带环形电桥的奇偶模分析的基 础上，用矩形波导代替微带线，实现了毫米波混合环，环路电桥的输入、输出端口均为 BJ320 波导。在传统的波导混合 环上，增加了四分之一波长阻抗变换器，增加带宽。仿真优化结果，在 33-37GHz 频段内传输损耗小于 0.5dB，所有端口 的反射均小于-15dB。在 33-37GHz 频段内，隔离度小于
2、-12 dB，尤其在 34.5-37GHz 频段内，隔离度小于-20 dB，表现出 良好的隔离效果。 关键词：波导混合环；奇偶模分析；功率分配 Design of Millimeter Wave Broadband Power Allocation / Synthesizer Based on Waveguide Hybrid Ring ZHANG Hong-lin, YU Ying (College of Electronics Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanji
3、ng 210023, China) Abstract: A kind of broadband power allocation / synthesizer with a waveguide hybrid ring was designed in this paper designs. It is based on the analysis of the odd and even mode of the microstrip ring bridge. The rectangular waveguide is used instead of the microstrip line, and th
4、e input and output ports of the hybrid ring are BJ320 waveguide. In the traditional waveguide hybrid ring, an increase of 1/4 wavelength impedance converter, increasing bandwidth. Simulation results showed that the transmission loss in the 33-37GHz band is less than 0.5dB, and the reflection of all
5、ports is less than -15dB. Especially in the 34.5-37GHz band, the isolation is less than dB -20. Show good isolation effect. Key words： waveguide hybrid ring; even and odd mode analysis; power divider 引 言 目前毫米波技术正得到空前的发展，各种毫 米波频段的器件，在各种雷达、导航、无线通信 中正逐步得到应用。毫米波功率分配器/合成器在 毫米波系统有着十分广泛的应用，而结构紧凑， 尺寸小的功率分配器
6、/合成器对系统尺寸的减小有 着重要作用。作为一种较常用的组件，环形电桥1 已经广泛使用在各种90、180的功率分配合成网 络中，它的良好的隔离度使得它能够应用在功率 分配和功率合成的结构中。目前的环形电桥大多 数采用的是微带线的平面结构，它的体积小,而且 易于与其它器件集成。与微带线相比，波导虽然 不如微带线体积小、结构紧凑，但是波导的传输 损耗小，而且具有更高的功率容量，因此，在功 率更高还有对损耗要求较高的应用场合中，目前 来说还是波导结构更具优势。 本文将介绍一个基于毫米波矩形波导的 Ka 波段环形电桥的设计，在应用四端口网络的分析 的基础上，通过 CST 电磁仿真软件进行优化，实 现了
7、输入输出端口均为 BJ320 矩形波导混合环功 分器，在 33-37GHz 频段内传输损耗小于 0.5dB， 所有端口的反射均小于-15dB， 并达到了较好的隔 离度。 1 理论分析 环形电桥又称为混合环电路，是微波系统中 常用的元件之一，其结构如图 1 所示，其中，图 （a）为波导型结构23，图（b）为 带状线的中 心导体或微带的导带结构45。从图中可以看出， 环形电桥是一周长 3/2 波长的闭合环形传输线接 4 根直传输线端口而构成。端口 2 与端口 3 之间 的长度为 3/4 中心频率波导波长。因此，当信号 从端口 1 输入时，端口 2 和 4 等幅同相输出，而 端口 3 无输出；当信号
8、从端口 2 输入时，端口 1 和端口 3 等幅反相输出，所以，这种环形电桥是 0或 180混合电路6。 图1(a)所示的波导环形电桥3用的是E面T 形接头， 环形传输线与各端口传输线为串联连接； 图 1(b)所示的带状线或微带环形电桥中环形传 输线与各端口传输线是内导体直接连接，故为并 联连接。这两种结构的等效电路互为对偶电路， 因此应用对偶原理，可以从一种类型环形电桥的 电路参数， 求得另一种类型环行电桥的电路参数。 164 网络出版时间：2016-05-23 13:54:06 网络出版地址： 微波学报 2015 年 10 月 图 1 环形电桥结构 下面以并联连接结构的环形电桥为例，来讨 论
9、环形电桥的原理和设计。 图 2 环形电桥奇偶模等效电路 环形电桥的特性可以用偶模和奇模法7进行 分析。在图 2(a)中，中心平面 T-T是对称面。对 于偶模激励，即端口 1 与 4，端口 2 与 3 激励等 幅同相，这时 T-T面为磁壁，电桥在该处相当于 开路，于是等效电路如图 2(b)所示，在中心频率 上，偶模散射参数8为 )2( )2(2 2 0 2 2 0 2 0 11e ZZj ZZjZZ S r rr （1） )2( 2 2 0 2 0 21e ZZj ZZ S r r （2） )2( )2(2 2 0 2 2 0 2 0 22e ZZj ZZjZZ S r rr （3） 对于奇模激
10、励，即端口 1 与 4，端口 2 与 3 等 幅反相激励， 则对称面 TT为电壁， 相当于短路， 这时等效电路如图 2(c)所示，在中心频率上，奇 模散射参数8为 )2( )2(2 2 0 2 2 r 2 0 22e11o ZZj ZZjZZ SS r rr （4） )( 2 2 0 2 0 21o ZZj ZZ S r r （5） e1122o SS （6） 根据环形电桥的结构对称性，可知其散射参 数间有如下关系： 4411 SS 3322 SS 4312 SS 2413 SS 以及互易关系 jiij SS , ji 。当偶模激励时，设 1e41 aaa ， e232 aaa ， 141 b
11、 o bb ， 232 b o bb 则 2e22231e31212e 2e21311e41111e )()( )()( aSSaSSb aSSaSSb (7) 同样，当奇模激励时，得 22322131212 23121141111 )()( )()( ooo ooo aSSaSSb aSSaSSb (8) 从(7)和(8)可以看出 2223e22 2131e12 4111e11 SSS SSS SSS (9) 2322o22 2131o12 4111o11 SSS SSS SSS (10) 于是，利用(9)，(10)和(4)(7)就可以得出环形 电桥的S参数 )2( 2 )( 2 1 )2(
12、 2 )( 2 1 )2( 2 )( 2 1 0)( 2 1 )2( 2 )( 2 1 )2( 2 )( 2 1 2 0 2 0 o22e2223 2 0 2 2 0 2 o22e2222 2 0 2 0 o11e1141 o21e2131 2 0 2 0 o21e2121 2 0 2 2 0 2 o11e1111 ZZj ZZ SSS ZZj ZZ SSS ZZj ZZ SSS SSS ZZj ZZ SSS ZZj ZZ SSS r r r r r r r r r r (11) 若要环形电桥在中心频率上完全匹配，即 0 11 S ，则 0r 2ZZ （12） 这时 2 1 2 1 0 23
13、21 11 jS jS S （13） （a）波导结构 /4 /4 /4 /4 （b）带状或微带结构 T T Zr Zo Zo Zo Zo (2)(3) (1)(4) (1) Zo Zr Zr Zr g/4Zo g/83g/8 (2) (1)(2) g/4 ZoZo Zr j/Zr -j/Zr (1) Zo Zr Zr Zr g/4Zo g/83g/8 (2) (1)(2) g/4 ZoZo Zr -j/Zr j/Zr （a）任意激励 （b）偶模激励 （c）奇模激励 165 微波学报 2015 年 10 月 此时环形电桥为3dB输出。 2 波导混合环功率分配器的设计 2.1 单节波导混合环功分器
14、的仿真 基于上述理论分析，我们利用 CST 对波导混 合环进行了参数扫描。先根据预先设计，建立好 物理模型，如图 3 所示。 图 3 CST 波导混合环的仿真模型 经过多次优化，其优化后的 S 参数如图 4 所示 图 4 波导混合环优化后的 S 参数 由上图的 S 参数仿真结果可以看出在 34-36GHz 频段内传输损耗小于 0.5dB， 所有端口 的反射均小于-13dB。 2.2 多节波导混合环功分器的仿真 从上述建模仿真结果看，波导混合环功率分 配器带宽比较窄。在设计中，为扩展工作带宽， 在环形波导中心耦合区与标准 BJ320 波导之间 采用一级渐变过渡结构，实现宽带阻抗匹配。其 改进型的
15、仿真模型如图 5 所示。 图 5 改进的波导混合环的仿真模型 经过多次优化，其优化后的 S 参数如图 6 所 示。 图 6 改进型波导混合环优化后的 S 参数 由上图的 S 参数仿真结果可以看出在 33-37GHz 频段内传输损耗小于 0.4dB， 所有端口 的反射均小于-15dB。增加了带宽。 其隔离度的仿真 S 参数如图 7 所示。 图 7 改进型波导混合环的隔离度 由图 7 可以看出在 33-37GHz 频段内，隔离 度小于-15 dB。尤其在 34.5-37GHz 频段内，隔离 度小于-25dB。表现出良好的隔离效果。 2.3 波导混合环功分器的机加工设计 根据 CST 仿真模型，用 INVENTOR 绘图软 件制作了毫米波波导混合环功分器机加工图。设 计机加工图时，波导输入、输出及隔离端口为 BJ320 标准波导口，便于功分器测试。机加工时 采用波导口长边横切的形式平分功分器腔体，既 便于加工又有利于防止信号泄露。实物的机加工 图如图 8 所示。 图 8 波导混合环机加工 166 微波学报 2015 年 10 月 3 结论 基于环形电桥理论设计了波导混合环的毫米 波宽带功率分配/合成器。 波导环路电桥能够实
