论文部分内容阅读
摘 要：功率合成器是将两路或多路功率合成一个功率，在微波功率放大器、测试电路、带电粒子加速器等领域应用广泛。现有技术通常是在波导中加入轴向分割带，实现矩形波导的输入功率合成一路，但其输入功率比例是固定不可调节的。在微波理论的基础上，设计出一种输入比例连续可调的功率合成器，并利用CST软件进行仿真，通过对S参数的分析，得到影响其性能的主要因素。
关键词：功率合成器 CST仿真 S参数
中图分类号：TN73 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）008-076-02
1 前言
功率合成器是将两路或多路功率合成一个功率，在微波功率放大器、测试电路、带电粒子加速器等领域应用。为了将矩形波导的输入功率分为多路，Charles P. Moeller 等人在波导中加入轴向分割带，设计了多口功率合成器，其输入功率比例是固定的。Ronald J. Hash 等人通过调节谐振电路电容，以控制谐振电路状态的方法，设计出固态二路可变高频功率合成器，使其输入功率可调，但由于电路限制，不适合于大功率条件下工作，而且电路较为复杂。本文提出的输入比例连续可调的功率合成器利用矩形波导实现两个功率非相干合成，具有体积小、结构简单、功率容量高等优点，还可实现远程自动控制，具有良好的应用前景。
2 工作原理介绍及设计
以下分别介绍输入比例连续可调的功率合成器的工作原理及设计。
2.1 工作原理
功率合成器原理图如图1所示，楔形板的位置与移动方向z，上端厚度c。
矩形波导不能传播TEM波，只能传播TE波或TM波。大部分矩形波导的工作主模是模。其工作波长由矩形波导的宽边a决定，功率容量由矩形波导的窄边b决定。在T形位置、垂直于矩形波导宽边加入楔形功分板，置于矩形波导的底板上，就不会改变宽边的长度，即不改变波导的工作频率。通过驱动装置带动楔形板在功率输入波导内移动，改变窄边的长度，从而达到调节两个输入端口功率通过量的目的。
2.2 机械设计
功率合成器的机械设计如图2所示。
大功率高频传输多采用矩形波导或同轴波导。由于矩形波导结构简单，造价低，一般采用矩形波导传输高频功率。矩形波导的型号已经标准化，因此波导的截面尺寸a和b根据功率合成器的运行频率和功率选择。
为了减小反射功率，在楔形板和波导宽边垂直处倒角，倒角距离为b；在T形波导的连接处倒角，其距离为b/2；在T形波导的肩处，设计一台阶，其宽度等于楔形板的上端厚度c。
在T形波导底部宽边开槽，在下面布置机械传动系统，使楔形板可以沿着z轴匀速移动。为了防止楔形板在丝杠上过度移动，在机械传动系统中安装限位传感器，达到保护功率合成器的作用。
通过计算机、步进电机和丝杠来实现功率合成器的自动控制。步进电机带动丝杠转动，使楔形板沿着z轴匀速移动，而步进电机由计算机控制。其基本工作原理：输入功率、输出功率的信息通过方向耦合器传输的计算机低电平控制系统，控制系统将当前功率分配状况和设计值进行比较，把调整值转换为步进电机的行进步数，然后发信号给步进电机驱动器，使楔形板移动，最终使输入功率达到要求。
3 CST仿真
本文采用CST软件对这种新型功率合成器进行仿真，主要对其S参数。其中S21、S31是传输参数，反映传输损耗；S11、S22、S33分别是输入输出端口的反射系数，由它可以换算出输入、输出端的电压驻波比。如果反射系数过大，导致反射损耗增大，系统性能下降。S32、S23反映三个端口间的隔离度。
首先，楔形板的位置固定，楔形板高度不变，随着楔形板的上端厚度c的增加，S33逐渐减小，S21缓慢减小，S31增大。
楔形板左右移动，S33先减小后增大，变化明显。在-29.5mm和-32mm之间时，S33小于-30dB。
楔形板上端高度的增加，其他条件不变，S33增大，S21、S31迅速减小，但其隔离度S32、S23达到技术要求，小于-20db。
由此可知，影响S参数的因素主要包括以下几方面：楔形板上端厚度和高度、楔形板的移动位置。
4 结论
本文提出了一种新型的功率合成器，可以实现输入功率按比例连续可调。通过CST仿真得出影响功率合成器性能指标S参数的主要因素为楔形板上端厚度和高度、楔形板的移动位置，可见楔形板加工的重要性。此外，设计中的不足需要进一步解决。
参考文献：
[1] 李嗣范.微波元件原理与设计[M].北京：人民邮电出版社，1982.
[2] 芮延年.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社，2004.
[3] 张强，袁成卫，刘列.一种T形高功率微波功率合成器[J].强激光与粒子束，2010（10）.
关键词：功率合成器 CST仿真 S参数
中图分类号：TN73 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）008-076-02
1 前言
功率合成器是将两路或多路功率合成一个功率，在微波功率放大器、测试电路、带电粒子加速器等领域应用。为了将矩形波导的输入功率分为多路，Charles P. Moeller 等人在波导中加入轴向分割带，设计了多口功率合成器，其输入功率比例是固定的。Ronald J. Hash 等人通过调节谐振电路电容，以控制谐振电路状态的方法，设计出固态二路可变高频功率合成器，使其输入功率可调，但由于电路限制，不适合于大功率条件下工作，而且电路较为复杂。本文提出的输入比例连续可调的功率合成器利用矩形波导实现两个功率非相干合成，具有体积小、结构简单、功率容量高等优点，还可实现远程自动控制，具有良好的应用前景。
2 工作原理介绍及设计
以下分别介绍输入比例连续可调的功率合成器的工作原理及设计。
2.1 工作原理
功率合成器原理图如图1所示，楔形板的位置与移动方向z，上端厚度c。
矩形波导不能传播TEM波，只能传播TE波或TM波。大部分矩形波导的工作主模是模。其工作波长由矩形波导的宽边a决定，功率容量由矩形波导的窄边b决定。在T形位置、垂直于矩形波导宽边加入楔形功分板，置于矩形波导的底板上，就不会改变宽边的长度，即不改变波导的工作频率。通过驱动装置带动楔形板在功率输入波导内移动，改变窄边的长度，从而达到调节两个输入端口功率通过量的目的。
2.2 机械设计
功率合成器的机械设计如图2所示。
大功率高频传输多采用矩形波导或同轴波导。由于矩形波导结构简单，造价低，一般采用矩形波导传输高频功率。矩形波导的型号已经标准化，因此波导的截面尺寸a和b根据功率合成器的运行频率和功率选择。
为了减小反射功率，在楔形板和波导宽边垂直处倒角，倒角距离为b；在T形波导的连接处倒角，其距离为b/2；在T形波导的肩处，设计一台阶，其宽度等于楔形板的上端厚度c。
在T形波导底部宽边开槽，在下面布置机械传动系统，使楔形板可以沿着z轴匀速移动。为了防止楔形板在丝杠上过度移动，在机械传动系统中安装限位传感器，达到保护功率合成器的作用。
通过计算机、步进电机和丝杠来实现功率合成器的自动控制。步进电机带动丝杠转动，使楔形板沿着z轴匀速移动，而步进电机由计算机控制。其基本工作原理：输入功率、输出功率的信息通过方向耦合器传输的计算机低电平控制系统，控制系统将当前功率分配状况和设计值进行比较，把调整值转换为步进电机的行进步数，然后发信号给步进电机驱动器，使楔形板移动，最终使输入功率达到要求。
3 CST仿真
本文采用CST软件对这种新型功率合成器进行仿真，主要对其S参数。其中S21、S31是传输参数，反映传输损耗；S11、S22、S33分别是输入输出端口的反射系数，由它可以换算出输入、输出端的电压驻波比。如果反射系数过大，导致反射损耗增大，系统性能下降。S32、S23反映三个端口间的隔离度。
首先，楔形板的位置固定，楔形板高度不变，随着楔形板的上端厚度c的增加，S33逐渐减小，S21缓慢减小，S31增大。
楔形板左右移动，S33先减小后增大，变化明显。在-29.5mm和-32mm之间时，S33小于-30dB。
楔形板上端高度的增加，其他条件不变，S33增大，S21、S31迅速减小，但其隔离度S32、S23达到技术要求，小于-20db。
由此可知，影响S参数的因素主要包括以下几方面：楔形板上端厚度和高度、楔形板的移动位置。
4 结论
本文提出了一种新型的功率合成器，可以实现输入功率按比例连续可调。通过CST仿真得出影响功率合成器性能指标S参数的主要因素为楔形板上端厚度和高度、楔形板的移动位置，可见楔形板加工的重要性。此外，设计中的不足需要进一步解决。
参考文献：
[1] 李嗣范.微波元件原理与设计[M].北京：人民邮电出版社，1982.
[2] 芮延年.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社，2004.
[3] 张强，袁成卫，刘列.一种T形高功率微波功率合成器[J].强激光与粒子束，2010（10）.