无线电工程

参数	数值
d₀	0.3
d₁	2.24
d₂	2.7
d₃	6.13
h₁	5
h₂	1.04
h₃	1.32
h₄	0.14
hh₁	7.59
hh₂	6.56
hh₃	6.19
hh₄	5
g₁	1.87
g₂	1.57
g₃	2.17

参数	数值
d₀	0.3
d₁	2.24
d₂	2.7
d₃	6.13
h₁	5
h₂	1.04
h₃	1.32
h₄	0.14
hh₁	7.59
hh₂	6.56
hh₃	6.19
hh₄	5
g₁	1.87
g₂	1.57
g₃	2.17

基于脊间隙波导的宽带径向功率合成器

PDF下载

王迎栋 ¹^,²

无线电工程 | 电磁场与微波 2025,55(11): 2250-2255

收起

无线电工程 | 电磁场与微波 2025, 55(11): 2250-2255

基于脊间隙波导的宽带径向功率合成器

全屏

王迎栋¹^,²

作者信息

^1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄 050081

^2.西安电子科技大学通信工程学院,陕西西安 710071

王迎栋男，（1981—），硕士，高级工程师。

Wideband Radial Power Combiner Based on Ridge Gap Waveguide

Yingdong WANG¹^,²

Affiliations

^1.The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang 050081, China

^2.School of Telecommunications Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China

出版时间: 2025-11-05 doi: 10.3969/j.issn.1003-3106.2025.11.013

文章导航

摘要

收起

针对宽毫米波频段的高功率合成应用，设计了一种基于脊间隙波导（Ridge Gap Waveguide，RGW）的宽带径向功率合成器。该合成器由2层金属板组成，下层金属板中心处采用同轴线进行馈电，能量经由上方多个金属圆台反射进入到各个径向传输线实现功率等分。径向传输线采用RGW结构，即在金属脊两侧的金属底板上布有销钉型电磁带隙（Electromagnetic Band-Gap，EBG）结构，可以减小各通道间的相互耦合，且无需对上下金属板进行焊接。仿真结果表明，该合成器工作频率为14.7～37.5 GHz，反射系数小于-15 dB，传输系数约为-6.1 dB。测试结果与仿真结果吻合良好。

关键词

脊间隙波导 / 宽带 / 径向功率合成器

Abstract

收起

A wideband radial power combiner based on Ridge Gap Waveguide ( RGW) is designed for high-power combining applications in the wide millimeter-wave frequency band. The combiner consists of two metallic plates, with the center of the lower plate fed by a coaxial line. The energy is reflected by multiple metallic conical structures positioned above the plate, and directed into the radial transmission lines, achieving equal power division. The radial transmission lines employ ridge gap waveguides, which is built up by placing pin-type Electromagnetic Band-Gap (EBG) structures on the metal bottom plates adjacent to the ridge, effectively reducing coupling among adjacent channels without the need for welding the upper and lower plates. Simulation results show that the combiner operates within the frequency range from 14.7 to 37.5 GHz, with a reflection coefficient of less than -15 dB and a transmission coefficient of approximately -6.1 dB. The measurement results show good agreement with the simulation results.

Key words

RGW / wideband / radial power combiner

引用本文

王迎栋. 基于脊间隙波导的宽带径向功率合成器. 无线电工程, 2025 , 55 (11) : 2250 -2255 . DOI: 10.3969/j.issn.1003-3106.2025.11.013

Yingdong WANG. Wideband Radial Power Combiner Based on Ridge Gap Waveguide[J]. Radio Engineering, 2025 , 55 (11) : 2250 -2255 . DOI: 10.3969/j.issn.1003-3106.2025.11.013

正文

收起

0　引言

收起

宽带、高幅相一致性的功率合成器是射频功率合成系统中的关键组件,其性能直接影响系统技术指标。传统的功率合成器常采用平面功分结构^[1-3],譬如采用T型结多级级联,容易带来结构复杂、插入损耗大等问题。而基于径向传输结构的功率合成器结构更为简单^[4-5],尺寸更为紧凑,可以在较宽频带内实现较好性能,适用于毫米波频段的高功率合成应用。

同时,径向功率合成器往往受到所采用传输线带宽的限制,以传统矩形波导为例,其单模工作带宽通常仅为66%,难以满足更高带宽的需求^[6-11]。例如,文献[9]基于圆波导与矩形波导设计了一款工作于26.5～40 GHz的径向功率合成器。文献[10]基于矩形波导设计了一款径向功率合成器,其工作于2.6～3.95 GHz,相对带宽为41%。文献[11]针对于高频应用,基于圆波导与槽间隙波导设计了一款工作于200～260 GHz的径向功率合成器。为了进一步拓展径向功率合成器的工作带宽,采用脊波导作为径向传输线无疑是更为理想的选择。脊波导具备超宽的单模工作带宽和阻抗特性,结合径向功分结构有助于在更宽频率范围内实现低损耗的功率分配。此外,在毫米波频段,传统传输线普遍面临一系列问题。例如,微带线由于介质损耗和辐射损耗,导致传输损耗增大,从而降低了系统效率；虽然金属矩形波导和脊波导具有较低的损耗,但通常需要采用分层加工,并通过焊接工艺避免层间电磁能量泄露,不仅增加了加工成本,而且焊接过程中可能引起结构形变,影响性能。间隙波导的出现避免了上述问题,间隙波导最早由瑞典查尔姆斯理工大学的Kildal教授等提出^[12-13],其基本结构是在平行金属板的两侧加入高阻抗EBG结构,使得电磁能量能够在中心的空心通道中传输。该结构类似于传统金属波导,但由于高阻抗EBG的存在,即使上下金属板之间存在缝隙,也不会出现电磁能量泄漏。可见,将RGW引入到宽带径向功率合成器的设计中可以简化加工工艺并降低插入损耗,提高传输效率^[14-19]。

针对于毫米波频段射频前端宽带功率合成应用场景,本文提出了一种基于RGW的宽带径向功率合成器,该合成器的工作频率为14.7～37.5 GHz,采用一分四结构拓扑,实现了低损耗和简便的装配方式,且无需焊接,能够满足毫米波射频系统对带宽和功率合成的一体化需求。

1　传输线设计

收起

RGW是一种将传统脊波导与间隙波导相结合的新型传输结构,通常由上下2块金属板构成,中间留有空气间隙,脊结构位于下金属板中央。在脊的两侧布置EBG结构,以阻止电磁波在金属板之间横向传播,从而实现类似于传统波导的纵向电磁能量传输。EBG结构的几何参数（如销钉高度、间距、直径等）需要根据工作频率进行优化,以确保在目标频段内形成有效的带隙,防止能量泄漏。脊的高度、宽度和倾斜角度影响传输线的单模带宽和特性阻抗,需通过电磁仿真工具进行参数扫描和优化,以满足宽带匹配需求。RGW的优势在于无需焊接,仅通过上下金属板的机械压合即可实现低损耗传输。

图1（a）所示为本文采用的销钉型EBG结构,其金属销钉的宽度和长度均为1 mm,高度为2.95 mm,排列周期为2 mm,销钉顶部与其上方金属板之间的间距为0.05 mm。通过使用全波电磁仿真软件CST本征模求解器对其进行仿真,仿真结果显示该结构的色散曲线如图1（b）所示。仿真结果表明,该结构的禁带覆盖12.3～48.8 GHz,意味着在此频带内没有可以传输的模式,确保了电磁能量的有效隔离。

基于上述销钉型EBG结构和金属脊,构建了全金属结构的RGW。该波导结构如图2（a）所示,波导宽度为7 mm,高度为3 mm,金属脊的宽度为2 mm,高度为2.5 mm。使用全波电磁仿真软件CST本征模求解器对该脊金属波导进行仿真,其色散曲线如图2（b）所示。从图中可以看出,该RGW的单模工作频率为14.25～42.05 GHz,覆盖了较宽的频段。为了验证RGW的低损耗传输特性,对长度为100 mm的脊波导及RGW进行传输特性仿真,设置金属材料为铝,表面粗糙度为1.6 μm。仿真结果如图3所示,从图中可以看出RGW损耗约为0.4 dB,与传统金属脊波导相当,表明RGW具有良好的传输性能,并且能够有效减少电磁能量的泄漏和损耗。

2　宽带径向功率合成器设计

收起

径向功率合成器是一种基于径向波导结构的多端口功率合成器件,其核心原理是通过中心馈电结构将输入电磁能量均匀地分配到多个径向传输线中,从而实现功率的等幅同相合成或分配。该结构具有良好的对称性和宽带特性,适用于毫米波及高频段通信、雷达、功率放大器等系统。与传统的T形或Y形功分/合成结构相比,径向波导结构能够支持更宽的工作带宽,并具有良好的对称性和场分布均匀性,适合于毫米波频段的高功率合成应用。基于上述RGW传输线和径向功率拓扑结构,形成了宽带径向功率合成器,其结构如图4所示。该合成器由上下2层金属板组成,拓扑结构上包括同轴传输线、4路RGW和匹配结构。其中,下层金属板中心为同轴传输线,射频信号从该端口输入后,进入上下2层金属板间的空间,经过上层金属板中央的多阶金属圆台反射,最终将电磁能量传输至4路RGW传输线。为了进一步改善阻抗匹配特性, RGW末端设计有两级金属台阶。多阶金属圆台是改善阻抗匹配特性的关键,为了平衡带宽性能和加工复杂度,多阶金属圆台在本设计中采用了三阶金属台阶结构。

图5进一步展示了宽带径向功率合成器结构的工作原理,电磁波从同轴端口输入后,经多阶金属圆台反射,分别进入4路RGW,并通过多段脊波导的阻抗变换实现宽带匹配。其设计思路类似于传统波导功分器,即总端口为同轴传输线端口,特性阻抗为Z₀,通常选为50 Ω,输出脊波导端口特性阻抗为Z₀′,4个脊波导分支为并联工作,利用特性阻抗分别为Z₀₁、Z₀₂、Z₀₃的三段脊波导实现阻抗变换作用。利用电磁仿真软件可以方便计算输出脊波导端口的特性阻抗,在本设计中工作频率为30 GHz时其为54 Ω,其余参数通过优化后确定,具体尺寸如表1所示。

通过HFSS对径向功率合成器进行全波仿真。图6展示了功率合成器同轴线端口反射系数的仿真结果。仿真数据显示,该合成器在14.7～37.5 GHz具有良好的阻抗匹配特性,反射系数优于-15 dB,满足高性能功率合成器对宽频带匹配的基本要求,表明其具备较宽的工作带宽和较高的功率传输效率。此外,仿真中未考虑加工误差、材料损耗及表面粗糙度等实际因素。

金属圆台作为功率合成器中关键的反射与过渡结构,其直径决定了电磁波在径向方向上的传播路径与模式转换特性。直径过大可能导致局部阻抗突变,引起反射增强；而直径过小则可能影响能量的均匀分布,降低合成效率。因此,合理设计金属圆台的直径与阶数,能够实现多段渐进式阻抗变换,有效提升宽带匹配性能。图7给出了金属圆台结构参数d₁和d₃对反射系数的影响,随着直径偏离优化值,反射系数显著升高,表明该参数对阻抗匹配性能具有高度敏感性。

传输系数的幅度一致性与相位平衡性是衡量功率合成器性能的重要指标。图8展示了从同轴线端口到4个RGW输出端口之间的传输系数幅度响应及其相位不平衡度的仿真结果。仿真结果表明,在14.7～37.5 GHz工作频带内,各输出端口的传输系数幅值保持在约-6.1 dB,相位不平衡度优于±0.15°,显示出该功率合成器在宽带范围内具有优异的幅相一致性。各输出端口的传输系数曲线高度重合,表明合成器在宽频带内实现了良好的功率等分特性；4个输出端口间的最大相位差小于0.15°,说明该结构具有高度对称性和良好的电磁场分布均匀性。这一特性对于多通道通信系统、相控阵雷达和高精度功率合成应用具有重要意义。

为满足毫米波频段高性能传输的需求,宽带径向功率合成器的材料与表面处理工艺对电性能具有重要影响。结构主体选用铝材料,不仅具备良好的机械强度和加工性能,还能在兼顾轻量化的同时满足高频器件对结构稳定性的要求。此外,考虑到高频下趋肤效应的影响,内导体表面镀银处理能够显著降低导体损耗,提升传输效率。合成器实物如图9右侧所示,图中所示合成器采用防锈铝材料精密加工而成,内导体表面经过镀银处理,以提升导电性能并降低高频插入损耗。

采用矢量网络分析仪对实物进行测试,图10给出了宽带径向功率合成器测试结果及仿真结果的比较。经实测,14.7～37.5 GHz工作频带内总端口反射系数小于-11 dB,到各端口的传输系数约为（-6.4±0.3）dB。与仿真结果对比可以看出,反射系数实测和仿真有些许差别,主要受加工误差影响以及测试时采用的脊波导—同轴转换影响。传输系数的实测值略高于仿真结果（- 6.4 dB vs.-6.1 dB）,主要归因于测试过程中连接器的插入损耗以及器件表面粗糙度引起的额外衰减。此外,各端口传输系数的波动控制在±0.3 dB以内,说明合成器在宽频带内保持了良好的幅值一致性,有利于满足多通道系统中对功率均衡分配的高要求。

3　结束语

收起

本文提出了一种基于RGW的宽带径向功率合成器结构,采用2层金属板与三阶金属圆台相结合的设计方案。该合成器在14.7～37.5 GHz频段内表现出良好的宽带性能。通过引入RGW结构,有效解决了传统金属脊波导在加工中面临的焊接复杂、结构易变形等问题,显著简化了制造工艺,降低了生产成本。该功率合成器不仅在毫米波频段射频系统中展现出高效、稳定的性能,同时具备良好的可制造性和工程应用潜力,具有广阔的应用前景。

参考文献

收起

文献

收起

参考文献引证文献

排序方式：

[1]

何建平.基于切比雪夫变换的超宽带功分器设计[J].雷达科学与技术,2019,17(5):575-578.

[2]

ZHAO

Y X

,WANG

E L

,HE

D D

,et al. Design of Wideband Dual-circularly Polarized Endfire Antenna Array on Gap Waveguide[C]//2019 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). Krakow: IEEE, 2019:1-3.

[3]

JIANG

,ZHOU

J W

,SUN

,et al. Design of A Compact Planar Eight-way Hybrid Power Divider with Ultra-wide Bandwidth[C]//2021 13th International Symposium on Antennas,Propagation and EM Theory (ISAPE). Zhuhai:IEEE,2021:1-3.

[4]

HARO-BAEZ

R V

,MASA-CAMPOS

J L

,CRUZ

J A R

,et al. Development of Radial Waveguide Dividers with Large Number of Ports[C]//2015 Asia-Pacific Conference on Computer Aided System Engineering. Quito:IEEE,2015:58-62.

[5]

杨作成,任文成,吴丹,等.一种C波段宽带高功率径向波导合路器[C]//2024年全国微波毫米波会议(中国微波年会).北京:[出版者不详],2024: 284-286.

[6]

FAHMIM

,RUAIZ-CRUZ

J A

,MANSOUR

R R

. Design of Ridge Waveguide Radial Combiners[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology, 2021, 70(1):895-906.

[7]

刘涓,吕善伟.一种实现宽频带功分器的新方法[J].电子学报,2004,32(9):1527-1529

[8]

杨迎,谢小强.基于脊波导输出的6-18GHZ径向功率合成器[C]//2017年全国微波毫米波会议.杭州:[出版者不详],2017:973-976.

[9]

PARK

,KANG

,JEONG

. A Broadband Radial Power Combiner Using a Dipole Antenna-based TM Mode Trans ducer[J]. IEEE Access,2022,10:111901-111908.

[10]

ALI

M M M

,SIFAT

S M

,ELSAADANY

,et al. Innovative Development Approach for a High-power 8-way Coaxial Radial Combiner[C]//2024 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium-IMS 2024. Washington D. C.:IEEE,2024:788-791.

[11]

ZHANG

,ZHANG

,DANG

,et al. A Compact and High-efficiency 220-GHz Power Amplifier Module Based on TE11-Mode Radial Power Combiner[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2024, 72(5):3118-3129.

[12]

KILDAL

P S

, ALFONSO

, VALERO-NOGUEIRA

,et al. Local Metamaterial-based Waveguides in Gaps between Parallel Metal Pates[J]. IEEE Antennas Wireless Propagation Letters,2008,8: 84-87.

[13]

KILDAL

P S

, RAJO-IGLESIAS

, ALFONSO

, et al. Wideband,Low-loss,Quasi TEM Metamaterial-based Local Waveguides in Air Gaps between Parallel Metal Plates[C]//2009 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications. Turin:IEEE,2009:588-591.

[14]

KILDAL

P S

,ZAMAN

A U

,RAJO-IGLESIAS

,et al. Design and Experimental Verification of Ridge Gap Waveguide in Bed of Nails for Parallel-plate Mode Suppression[J]. IET Microwaves, Antennas&Propagation. 2011,5(3):262-270.

[15]

叶龙芳,王正一,陈仲凯,等.人工表面等离激元波导及天线若干进展[J].无线电工程,2022,52(2):200-208.

[16]

孙海.变形对双侧鳍线传输特性影响的数值计算[J].无线电工程,2022,52(6):1044-1049.

[17]

ZHANG

T L

, TANG

, CHEN

, et al. Ultra-wideband Full-metal Planar Array Antenna with a Combination of Ridge Gap Waveguide and E-plane Groove Gap Waveguide[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2022,70(9):8051-5058.

[18]

安进朝,张松轶,康志杰.一种高效率波导缝隙阵列天线设计[J].无线电工程,2023,53(3):721-726.

[19]

刘桂凤,杜彪,何应然.基于超表面的超宽带低剖面双极化天线[J].无线电工程,2022,52(2):268-273.

2025年第55卷第11期

PDF下载

132

引用本文

BibTeX

文章信息

doi: 10.3969/j.issn.1003-3106.2025.11.013

接收时间：2025-10-15
首发时间：2026-04-17
出版时间：2025-11-05

补充材料

相关文章

文章信息

作者

出版历史

收稿日期：2025-10-15

基金

作者信息

^1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄 050081

^2.西安电子科技大学通信工程学院,陕西西安 710071

参考文献

分享链接

https://castjournals.cast.org.cn/joweb/wxdgc/CN/10.3969/j.issn.1003-3106.2025.11.013

分享至

全文二维码

扫描看全文

引用本文

BibTeX

本文的引用情况

2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

关闭全屏

BibTeX
EndNote
RefWorks
TxT