本文完成了一種6.5～18GHz大功率雙脊波導魔T的仿真設計、結構振動模態分析、樣品制造以及冷態和熱態參量測試。實測性能為：端口駐波比優于1.55，合成臂幅度一致性優于0.2dB，合成臂相位一致性優于3°，E-H 臂隔離度優于31.5dB，平衡臂隔離度大于19.3dB，200W 連續波大功率下的合成效率達到86.9%；分析得到常壓下峰值合成功率容量達到16kW，結構的一階模態頻率為5975Hz。該魔T適用于6.5～18GHz超寬帶大功率合成應用。

　　矩形波導魔T是帶有匹配裝置的雙T接頭，兼有E-T和H-T接頭的特點。雙脊波導魔T除具有普通矩形波導魔T的特點外，由于雙脊的加載還具有了雙脊波導的寬頻帶特性，頻帶可達到一個倍頻程以上，作為合成器極其適用于超寬帶微波大功率合成。圖1為雙脊波導魔T結構示意圖。

圖1　雙脊波導魔T結構

　　圖1中，1臂和2臂稱為合成臂、平衡臂或等分臂，該兩臂電長度一致；3臂為H 臂；4臂為E臂；H臂和E臂電長度一致。其理想傳輸特性為：當信號從3口輸入時，1口和2口輸出的信號等幅同相，4口無輸出；當信號從4口輸入時，1口和2口輸出的信號等幅反相，3口無輸出；當信號從1口輸入時，信號從3口和4口等分反相輸出，2口無輸出；當信號從2口輸入時，信號從3口和4口等分同相輸出，1口無輸出。因此雙脊波導魔T作為功率合成應用時，根據網絡互易性，信號從1、2口等幅同相輸入，3口為功率合成輸出口；或者信號從1、2口等幅反相輸入，4口為功率合成口。理想魔T的散射矩陣可表達為式(1)。

　　在實際應用中，合成效率η與魔T本身的損耗、非理想性、以及輸入信號的一致性有關，包括：四個端口的反射損耗L1、波導管歐姆損耗L2、合成臂功率不平分性L3、合成臂相位不一致性L4、輸入信號幅度不一致性L5、輸入信號相位不一致性L6、合成臂隔離性L7、E-H 臂隔離性L8�？倱p耗為L =L1+L2+L3+L4+L5+L6+L7+L8，因此魔T合成效率η可表達為：

　　因此，研制功率合成用的雙脊波導魔T 要解決：①4個端口的寬帶匹配性；②合成臂寬帶功率平分性；③合成臂寬帶相位一致性；④合成臂之間的寬帶隔離性；⑤E-H 臂之間的寬帶隔離性。在大功率寬帶合成應用下的指標為：端口電壓駐波比(VSWR)優于1.8；合成臂隔離度大于15dB；E-H隔離度大于30dB；合成臂的功率平分一致性優于0.3dB、相位一致性優于5°、插損小于0.5dB。

1、電性能仿真設計

　　如圖2(1為金屬圓桿，2為金屬翅片，3為金屬膜片)，雙脊波導魔T的匹配性與隔離性是利用特別設置的阻抗匹配調節元件———金屬圓桿、金屬翅片、金屬膜片和尺寸漸變綜合實現的。利用金屬圓桿和金屬翅片的位置、粗細、高度和雙脊的漸變來調節1、2、H 臂的匹配，E臂的匹配靠安置在一個其表面與4口電場方向相平行的金屬膜片的尺寸和位置以及雙脊的漸變來調節，同步實現隔離性指標。而合成臂的一致性依賴于加工，不是仿真設計的重點。

圖2　大功率雙脊波導魔T結構圖

　　利用CST微波仿真技術，建立了WRD650雙脊波導魔T的全參量化模型，材料為鋁。對模型進行了關鍵尺寸的優化仿真，仿真中發現，波導雙脊漸變幅度、長度，接頭處匹配金屬圓桿的高度、粗細、位置，金屬翅片的位置、形狀以及金屬膜片的尺寸、位置均對寬帶波導魔T的匹配和隔離度影響很大，匹配性與隔離性相關，特別是隔離性與尺寸精度和位置精度強烈相關，只能折中選擇匹配和隔離，這也意味著匹配調節零件的加工與裝配必須為高尺寸精度和高位置精度。另外，對E臂和H 臂波導口長邊尺寸進行收縮變化，對展寬頻帶有一定作用。經過優化設計，最終的電性能仿真結果如圖3所示，在6.5～18GHz，四個端口匹配駐波均在1.4以下，E-H臂隔離度S34大于70dB；合成臂隔離度S21大于18.5dB；平分性能良好，S31與S32高度重合，差值(功率平分不一致性)幾乎為零；合成臂插損最大約0.11dB。

圖3　電性能仿真

2、功率容量和振動模態分析

　　限制波導魔T功率容量的主要原因為射頻功率打火，波導對接處用于匹配調節的金屬翅片、金屬圓桿、金屬膜片等的引入均引起了波導傳輸線路的不連續性，對電場分布產生很大影響，使某些部位的電場比較集中，對這些部位進行射頻擊穿分析就可以得到魔T的功率容量。在魔T的仿真建模和優化設計中要充分考慮各元件之間的距離以及采取消除元件尖角等措施來提高功率容量。本設計中，位于E臂雙脊之間時的金屬翅片與脊之間的距離是決定功率容量的最小距離，距離設計值為1mm。

　　由于目前還缺乏對射頻擊穿的專業仿真手段，因此采用CST電磁仿真軟件對其進行了場強分析。從圖4中波導魔T場強分布可以得出，當3口輸入1W 功率時，最大場強出現在f=6.5GHz時的金屬翅片處，為3.26×104　V/m，查空氣擊穿的帕邢曲線可以得出本雙脊波導魔T在常壓下的峰值合成功率容量約為16kW。

　　在仿真基礎上完成了本魔T的結構設計，共用4個零件實現，其中3個零件實現魔T的主體結構，之間用定位銷釘和螺釘定位與緊固；另一零件為阻抗匹配調節元件———金屬圓桿，用定位通孔和螺紋孔實現橫向定位與深度調節，調節完成后用激光焊進行端面焊接固定。整個結構的強度較高，但調節金屬圓桿為細長單懸臂狀態，因此需要進行機載力學環境的結構共振分析，只要一階模態頻率高于2000Hz就不存在結構上的問題。用ABAQUS結構力學軟件對其進行了結構建模和振動模態分析，得到一階模態頻率為5975Hz，振型為E臂向平衡臂振動；二階模態振動頻率為7455Hz，匹配金屬圓桿振動幅度最大，向H 臂振動，如圖5所示。模態振動頻率遠遠高于魔T應用力環境所要求的最高振動頻率2000Hz，因此不存在機載應用環境下的共振問題。

圖4　合成臂1W 下的魔T電場分布計算結果

圖5　1階和2階模態振型與頻率分析結果

3、試驗與結論

　　以高精度的加工和裝配方式制作了樣品，樣品的S 參數測試結果如圖6所示，在6.5～18GHz頻帶內，四個端口的駐波比均優于1.55，合成臂幅度一致性優于0.2dB，合成臂相位一致性優于3°，E-H臂隔離度大于31.5dB，合成臂隔離度大于19.3dB，合成臂插損優于0.5dB，均滿足實際應用要求。主要參量與仿真值一致，隔離度降低較多，主要原因為工藝過程的不理想所致。

圖6　樣品S 參數的測試結果

　　對寬帶魔T合成效率進行了測試，選擇6.5，12和18GHz三個頻點，分別進行了小功率測試(以矢網的輸出分路作為輸入源)和大功率測試(以兩支200W 大功率連續波相位一致行波管為輸入源)，表1給出了18GHz的測試結果，小信號合成效率達到了91.1%，大信號合成效率86.9%，其他頻點均優于此數據。主要參量與仿真值一致，隔離度降低較多，主要原因為工藝過程的不理想所致；大信號與小信號相比合成效率和隔離度降低的原因主要為：作為輸入源的兩支行波管的相位、幅度不一致性所致。

表1　合成效率測試結果(18GHz)

圖7　大功率雙脊波導魔T照片

　　圖7給出了樣品照片，與國外的同類產品測試結果相比，本研制的魔T技術水平相當，且已經成功用于6.5～18GHz的400W 大功率合成器中。