楊志國(guó),劉立浩

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

Ka頻段固態(tài)功率放大器是衛(wèi)星地球站發(fā)射系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備,其作用是將上變頻器輸出的Ka頻段已調(diào)制信號(hào)放大到合適的功率,通過天線發(fā)射給衛(wèi)星。Ka頻段的單個(gè)功放芯片提供的功率有限,要研制大功率固態(tài)功放必須采用功率合成技術(shù)。目前,功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)多采用二進(jìn)制(2n)功率合成方式。而在實(shí)際工程應(yīng)用中,多級(jí)二進(jìn)制功率合成方式存在不足,表現(xiàn)為類似下面的情況:四路放大器合成功率略顯不足,無法保證功放在全溫范圍內(nèi)(尤其是高溫環(huán)境中)輸出功率滿足要求;八路放大器合成功率余量較大,但芯片數(shù)量的翻倍導(dǎo)致耗電功率過高、整機(jī)體積增大和成本過高。鑒于以上問題,迫切需要研制非二進(jìn)制功率分配/合成器,以實(shí)現(xiàn)功放芯片數(shù)量的合理選擇。

Rebollar等學(xué)者提出分支波導(dǎo)三路功率分配器[1],對(duì)輸入功率實(shí)現(xiàn)了三路等分,但該三路功分器不具有相位一致性?；谏鲜鲅芯砍晒?研制了具有良好相位一致性的改進(jìn)型分支波導(dǎo)三路功率分配器,并對(duì)六路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了深入研究。

1 部件原理分析

1.1 波導(dǎo)—微帶探針過渡[2,3]

波導(dǎo)—微帶探針過渡是目前應(yīng)用最為廣泛的波導(dǎo)—微帶過渡形式,相比其他過渡方式,它具有明顯的優(yōu)點(diǎn):插入損耗低、回波損耗小、可覆蓋較寬頻帶、結(jié)構(gòu)緊湊和加工方便。

波導(dǎo)—微帶探針過渡存在2種形式:①微帶平面的法向方向與波導(dǎo)內(nèi)電磁波傳播的方向一致;②微帶平面的法向方向與波導(dǎo)內(nèi)電磁波傳播的方向垂直。這2種形式都是將微帶探針通過波導(dǎo)寬邊中心的孔插入波導(dǎo)腔中,通過一段起耦合作用的探針將波導(dǎo)中的電場(chǎng)耦合到微帶中去。矩形波導(dǎo)中距離過渡器四分之一波長(zhǎng)的短路活塞保證探針在波導(dǎo)內(nèi)處于電場(chǎng)最強(qiáng)位置,以達(dá)到盡量高的耦合效率。探針過渡具有容性電抗,一段具有感性電抗的高阻抗線被串聯(lián)在探針過渡器后面,以消除容性電抗,然后經(jīng)過四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器實(shí)現(xiàn)與50 Ω微帶線的阻抗匹配。

根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)考慮,采用了E面波導(dǎo)—微帶探針過渡形式,使用HFSS軟件進(jìn)行了仿真和優(yōu)化,結(jié)果表明E面波導(dǎo)—微帶探針過渡在29～31 GHz范圍內(nèi)插入損耗小于0.1 dB,回波損耗優(yōu)于30 dB。

1.2 3 dB分支波導(dǎo)定向耦合器[4]

3 dB分支波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,該結(jié)構(gòu)能夠在比較寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)3 dB的緊耦合,2個(gè)輸出端口具有較高的隔離度,2個(gè)端口相位差為90°,具有互易、無耗和對(duì)稱的優(yōu)點(diǎn)。其工作原理為:信號(hào)從端口1輸入,功率二等分輸出到直通端口(端口2)和耦合端口(端口3),端口4為隔離端口。若端口2和端口3與外接放大器完全匹配時(shí),則信號(hào)在端口2和端口3被放大后輸出;若端口2和端口3與外接放大器不完全匹配時(shí),在端口2和端口3會(huì)有信號(hào)反射,到達(dá)端口4的反射波被匹配負(fù)載吸收掉,到達(dá)端口1的反射波相位相反從而相互抵消。

如圖1(b)所示,用Ki表示主線的導(dǎo)抗,用Hi表示支線的導(dǎo)抗,所研制的耦合器屬于周期定向耦合器,即令主線的所有各節(jié)的導(dǎo)抗Ki=K0,i=1,2,3,……,n+1,支線各節(jié)的導(dǎo)抗Hi=H2,i=2,3,4,……,n,同時(shí)為了定向耦合器對(duì)稱,還令H1=Hn+1。在中心頻率上要保證定向耦合器具有完全匹配和完全隔離,耦合器的導(dǎo)抗必須具有某種關(guān)系。

圖1 3 dB分支波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)和符號(hào)定義

完全匹配和完全隔離條件:

3 dB定向耦合器條件:

周期分支定向耦合器是對(duì)稱的,它的主線導(dǎo)抗各處都是一樣,對(duì)應(yīng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)就是主線波導(dǎo)尺寸保持不變。內(nèi)部的支線也都是一樣,對(duì)應(yīng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)就是中間部分的支線波導(dǎo)尺寸一樣,而最外側(cè)的2個(gè)支線尺寸不同于中間。故設(shè)計(jì)這種定向耦合器只要計(jì)算出H1和H2就可以了。設(shè)在中心頻率上定向耦合器的功率耦合系數(shù)為:

式中,C為定向耦合器的耦合度(dB)。則它的導(dǎo)抗H1和H2滿足下列關(guān)系:

式中,Sn是n階第1類切比雪夫多項(xiàng)式。由此公式,只要已知n和即可設(shè)計(jì)出耦合器的各支線導(dǎo)抗。主線和支線的波導(dǎo)高度是標(biāo)準(zhǔn)的WR-28波導(dǎo)的寬邊,支線的寬度為WR-28波導(dǎo)窄邊乘以歸一化阻抗值。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果在HFSS軟件中建立3 dB分支波導(dǎo)定向耦合器的初始模型,設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行仿真優(yōu)化。經(jīng)過仿真知,該結(jié)構(gòu)在29～31 GHz范圍內(nèi)兩路幅度不平衡度小于0.1 dB,輸入波導(dǎo)口回波損耗優(yōu)于20 dB,2個(gè)輸出端口(端口2和端口3)隔離度優(yōu)于18 dB。

1.3 改進(jìn)型分支波導(dǎo)三路功率分配器

將2個(gè)3 dB分支波導(dǎo)定向耦合器直通路合并,2個(gè)耦合端口在直通路兩邊對(duì)稱分布,即可組成分支波導(dǎo)三路功率分配器,其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。通過對(duì)分支波導(dǎo)的耦合孔尺寸進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,可使端口2、端口3和端口4三個(gè)輸出端口的幅度一致。

在多路功率合成中,僅保證各輸出端口的幅度一致是不夠的,還要保證各輸出端口具有良好的相位一致性,相位偏差的大小對(duì)合成效率有很大的影響。端口3和端口4相對(duì)于直通路對(duì)稱分布,相位必然一致,為實(shí)現(xiàn)直通口(端口2)與端口3、端口4相位一致,需要對(duì)直通口進(jìn)行相位補(bǔ)償。同時(shí)考慮工程實(shí)用,對(duì)直通路波導(dǎo)進(jìn)行了彎折,使3個(gè)輸出端口位于同一平面。

圖2 改進(jìn)型分支波導(dǎo)三路功率分配器結(jié)構(gòu)與仿真曲線

在HFSS中建立初始模型,設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)和變量進(jìn)行優(yōu)化仿真,最終得到具有良好幅度、相位一致性的分支波導(dǎo)三路功率分配器。由仿真結(jié)果知,在29～31 GHz頻率范圍內(nèi),三路輸出端口的幅度不平衡度小于0.2 dB,相位不平衡度小于4°;3個(gè)輸出端口之間的隔離度均大于20 dB,輸入輸出端口的回波損耗均優(yōu)于18 dB。

改進(jìn)型分支波導(dǎo)三路功率分配器的設(shè)計(jì)成功,實(shí)現(xiàn)了三路功分器各輸出端口的幅度、相位一致,為非二進(jìn)制功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的研制奠定了基礎(chǔ)。

2 六路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

將改進(jìn)型分支波導(dǎo)三路功率分配器、3 dB分支波導(dǎo)定向耦合器和波導(dǎo)—微帶探針過渡相結(jié)合,就組成了一個(gè)六路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò),結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。在軟件仿真前,首先根據(jù)工程需要進(jìn)行合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的布局。為了保證各支路具有良好的幅度、相位一致性,將3 dB分支波導(dǎo)定向耦合器和波導(dǎo)—微帶探針過渡組成的兩路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)做成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊,再將3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊用改進(jìn)型分支波導(dǎo)三路功率分配器進(jìn)行合成,這樣就簡(jiǎn)化了整體結(jié)構(gòu)的制圖和加工難度,并且便于安裝和維修。

使用HFSS軟件對(duì)六路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)建立仿真模型,腔體結(jié)構(gòu)預(yù)留出安裝功放芯片的位置,仿真結(jié)果表明:該網(wǎng)絡(luò)在29～31 GHz頻率范圍內(nèi)插入損耗小于1 dB,輸入輸出回波損耗均優(yōu)于16 dB,是一種性能優(yōu)良的非二進(jìn)制功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)。

圖3 六路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與仿真曲線

3 結(jié)束語

創(chuàng)新地提出了一種新型基于波導(dǎo)的六路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò),該結(jié)構(gòu)具有插入損耗低、輸入輸出端口駐波好、內(nèi)部端口隔離度高和易加工等優(yōu)點(diǎn)。提出了改進(jìn)型分支波導(dǎo)三路功率分配器,通過對(duì)直通路波導(dǎo)進(jìn)行相位補(bǔ)償,使3個(gè)輸出端口具有良好的幅度、相位一致性,為非二進(jìn)制功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的研制奠定了基礎(chǔ)。該新型六路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的提出彌補(bǔ)了多級(jí)二進(jìn)制功率合成方式存在的不足,具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值,在毫米波功率合成中有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1]REBOLLAR JM,ESTEBAN J,PAGE JE.Design of a Compact Ka-band Three-way Power Divider[J].IEEE Antennas and Propagation Society AP-S International Symposium Digest,1994(2):1074-1077.

[2]SCHMüCKLE F J,GROSS W,HIRCHE K,et al.A 30 GHz Waveguide-to-Microstrip-Transition [C].IEEE MTT-S International Symposium Digest,2007:1169-1172.

[3]TIKHOV Y,MOON J W,KIM Y J.Refined Characterization of E-Plane Waveguide to Microstrip Transition for Millimeter-WaveApplications[C].Sydney:Asia-PacificMicrowave Conference,2000:1187-1190.

[4]甘本祓,吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)(下冊(cè))[M].北京:科學(xué)出版社,1974.