潘海波，張　麗，吳小帥

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051)

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基于毫米波的奇數(shù)波導(dǎo)功率合成器的研究

潘海波，張麗，吳小帥

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051)

摘要：首先介紹了N路功分器的原理，以三路功分器為例，進(jìn)行建模仿真。然后并加工成實(shí)物，針對(duì)實(shí)物進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試；最后，將2個(gè)三路功分器進(jìn)行背靠背連接構(gòu)成合成器，對(duì)該合成器的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果滿意，達(dá)到良好的合成效果。這種合成方法突破了傳統(tǒng)的只能對(duì)2n路功放單元合成的局限，為日后的毫米波功率合成技術(shù)提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：毫米波；奇數(shù)；三路功分器；合成器

0引言

近年來，毫米波在通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。尤其在對(duì)保密性要求較強(qiáng)的通信環(huán)境下，基于毫米波的通信系統(tǒng)更具有無可替代的優(yōu)勢(shì)。為了獲得更強(qiáng)的抗干擾能力和更好的通信質(zhì)量，需要更高的輸出功率進(jìn)行保障，而獲得更高的輸出功率的直接手段就是功率合成[1]。傳統(tǒng)的功率合成大多采用2n(n=1，2，3,…)的合成，這使得功率合成器的設(shè)計(jì)存在一定的局限性。

本文提出了一種基于毫米波的奇數(shù)路波導(dǎo)合成結(jié)構(gòu)，現(xiàn)以3路波導(dǎo)合成為例，實(shí)現(xiàn)毫米波信號(hào)的3路合成。經(jīng)過Ansoft HFSS軟件仿真，在32.3～36.1 GHz頻帶內(nèi)具有很好的功分平衡度，3路輸出的幅度離散小于0.3 dB，同時(shí)回波損耗小于-15 dB。

1理論分析

1.1N路功分原理

N路功分器即是指具有N個(gè)輸出端口，且N個(gè)端口的輸出阻抗不同的功率分配器[2]。由此可知，經(jīng)輸入端口耦合到各個(gè)輸出端口的功率也都各不相同，通過調(diào)節(jié)輸出端口的阻抗和輸入輸出端口間匹配關(guān)系，就可以得到具有任意功分比的N路功分器。N路功分器的原理框圖如圖1所示。

圖1　N路功分器原理框圖

為了使N路輸出端口的輸出功率相同，令:

(1)

成為必要條件。假設(shè)輸入端口的阻抗為RS，為保證輸入阻抗匹配，必須令:

(2)

其中:

(3)

式中:R=50Ω。

并聯(lián)后發(fā)現(xiàn)式(2)很難實(shí)現(xiàn)。因此為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，在每一個(gè)支路上加入一段阻抗為Rgn的λ/4線。另外為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)輸出端口之間的隔離，在每個(gè)輸出端口處加入一個(gè)阻抗為R0的隔離電阻。由此可以得出，在設(shè)計(jì)3路功分器時(shí)，需3個(gè)輸出端口的阻抗相等，這就需要在每個(gè)輸出端口增加一段阻抗匹配部分，通過調(diào)節(jié)阻抗匹配部分，使得3個(gè)輸出端口可以實(shí)現(xiàn)等功分輸出[3]。

1.2三路功分器的設(shè)計(jì)研究

三路波導(dǎo)功分器是基于N路功分器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，如圖2。三路功分器采用標(biāo)準(zhǔn)的BJ320波導(dǎo)輸入，再將波導(dǎo)的寬邊進(jìn)行延展，形成波導(dǎo)腔體。該腔體可以等同為一截低阻抗傳輸線。在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，輸出端口2處的波導(dǎo)腔內(nèi)場(chǎng)最強(qiáng)，而輸出端口1、3處分布較弱[4]。為了使3個(gè)輸出端口的場(chǎng)分布強(qiáng)度均衡，首先縮小輸出端口2與腔體連接部分的波導(dǎo)寬度，使該端口的輸出呈現(xiàn)高阻抗特性。其次，在輸出端口2的高阻抗波導(dǎo)部分增入一節(jié)阻抗變換段，使其成為標(biāo)準(zhǔn)的波導(dǎo)輸出。最后，在波導(dǎo)腔內(nèi)加入3個(gè)感性電感柱，參與阻抗匹配和調(diào)節(jié)輸出功分比。

圖2　三路功分器設(shè)計(jì)模型

三路功分器除保證輸出功率幅度相等之外，還要保證輸出相位的一致性。如果將3個(gè)輸出端口都設(shè)計(jì)為在同一水平面上的直通輸出，由于傳輸路程的差異，勢(shì)必會(huì)造成輸出相位的不一致，因此在輸出端口2處增加一段彎波導(dǎo)來平衡3路輸出的路程差，保證3路輸出相位一致[5]。

2三路功分器驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)該波導(dǎo)三路功分器器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，圖3為S參數(shù)仿真結(jié)果，圖4為輸出相位關(guān)系仿真結(jié)果。

圖3　S參數(shù)仿真結(jié)果

圖4　輸出相位關(guān)系仿真結(jié)果

由圖3可知，該三路功分器在32.3～36GHz帶內(nèi)具有很好的功分平衡度，輸出幅度的離散小于0.3dB，回波損耗小于-15dB。由圖4可知，該功分器相位上存在一定的零散性，造成相位離散的主要原因是毫米波信號(hào)從輸入端口分別到3個(gè)輸出端口的傳輸路徑不同，盡管作出補(bǔ)償，但仍然存在小幅度的相位差。位于33.5～35.5GHz帶內(nèi)的相位差不超過10°，對(duì)合成效果不存在明顯的影響。

將2個(gè)三路功分器背靠背進(jìn)行連接，考核該三路功分器用于合成的效果，進(jìn)行建模，如圖5所示，其S參數(shù)仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5　三路波導(dǎo)功分器背靠背模型

圖6　三路波導(dǎo)功分器背靠背模型仿真參數(shù)

由圖6可知，在33.5～35.5GHz帶內(nèi)傳輸損耗小于0.2dB,回報(bào)損耗小于-13dB，帶內(nèi)平坦度較好，具有較好的合成效果。另外，從圖6可以發(fā)現(xiàn)少量的諧振點(diǎn)，可以將腔體內(nèi)3個(gè)電感柱的位置進(jìn)行微調(diào)，把這些諧振點(diǎn)移除帶外。

為進(jìn)一步驗(yàn)證合成效果，將該結(jié)構(gòu)加工成實(shí)物進(jìn)行測(cè)試。采用鋁材料，將其表面進(jìn)行鍍銀處理，實(shí)物如圖7、圖8所示。對(duì)該波導(dǎo)背靠背合成器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，在33.5～35.5GHz帶內(nèi)傳輸插入損耗小于2.02dB,回報(bào)損耗小于-11dB。合成器帶內(nèi)傳輸特性良好，不存在畸變，其合成效率約為80%。

圖7　三路功分器圖

圖8　三路功分器背靠背合成器

圖9　三路功分器背靠背合成測(cè)試結(jié)果

3結(jié)束語

利用H面三路功分器進(jìn)行合成，初步達(dá)到合成效果，但是也存在不足之處。該合成器的工作帶寬較窄，回波損耗僅為-11 dB以下，這點(diǎn)不夠理想，以至于帶來2.02 dB的插入損耗。除此之外，由于該合成器的三路通道不在同一水平面上，為工藝的實(shí)現(xiàn)和制造的精準(zhǔn)帶來不便。在后續(xù)研究中，將進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行完善，從而獲得更好的合成效果。

參考文獻(xiàn)

[1]吳群.毫米波工程[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2015.

[2]劉云剛,徐軍.Ka波段2 W功率合成器的研究[J].微波學(xué)報(bào),2006,22(5):62-64.

[3]衛(wèi)少卿，吳景峰，李思敏，祁云飛.一種Ka波段三路波導(dǎo)功率分配/合成器的設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體技術(shù),2011,36 (2):153-156.

[4]DELISIO M P,YORK R A.Quasi-optical and spatial power combining[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech,2002,50(3):929-936.

[5]薛良金.毫米波工程基礎(chǔ)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2004.

Research into Odd Wave-guide Power Synthesizer Based on Millimeter-wave

PAN Hai-bo,ZHANG Li,WU Xiao-shuai

(The 13th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050051，China)

Abstract:The paper firstly introduces the theory of N-port power divider,performs modeling and simulation taking 3-port divider as an example,then the real divider is processed and further measured.Finally,two 3-port dividers are connected back-to-back to synthesizer,and the key parameters of the synthesizer are measured.The measurement result is satisfied and the synthesis effect is good.This synthesis method breaks through the localization of 2n-port power amplifier synthesis and provides new idea for future millimeter-wave power synthesis technique.

Key words:millimeter-wave;odd;3-port divider;synthesizer

收稿日期:2015-12-23

中圖分類號(hào)：TN73

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2016)02-0079-03

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.020