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        C波段功率合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與仿真

        2019-07-20 08:21:12
        數(shù)字通信世界 2019年6期
        關(guān)鍵詞:合路隔離度波導

        李 楠

        (中國電子科技集團公司第五十四研究所,石家莊 050081)

        在固態(tài)功率放大器的設(shè)計中,當要求的輸出功率高于單個模塊所輸出的功率時,可以通過功率合成網(wǎng)絡(luò)將幾個模塊的輸出功率疊加起來。輸出功率越大所需要的模塊數(shù)量就越多,合路網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計的難度就越高。本文針對C波段千瓦級固態(tài)功率放大器的合成需求,設(shè)計仿真了一種八合一波導合成網(wǎng)絡(luò)。采用二進制的合路形式,以魔T作為基本的合路單元。

        1 波導魔T

        波導魔T是微波、毫米波電路的重要器件,能進行功率的分配合成,由于其功率容量大、端口駐波好、隔離度高等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于微波通信、衛(wèi)星通信、電子對抗等系統(tǒng)中。

        波導魔T是微波無源電路的重要器件,它是由波導雙T加上部分匹配元件構(gòu)成。波導雙T由一個E-T和一個H-T分支合并而成。

        從波導H-T分支和E-T分支的特性可知,若1口和2口都接匹配負載時,那么1口和2口的輸出將是由3口進入的功率平分而得,且兩邊信號同相位。但是在4口輸入的功率,在1口和2口得到兩路平分輸出,但是得到相位相反的兩路信號,這是由于1,2,4端口組成的波導分支為E-T分支,那么由4口進入的信號,在1口和2口得到方向彼此相反的電場的緣故。3臂和4臂的位置彼此垂直,那么它們的電力線也相互垂直,所以當1口和2口都接匹配負載時,或者兩邊接對稱負載時由3口進入的信號不可能到達4端口,反之亦然。所以魔T的3口和4口是彼此隔離的。

        用普通E-H和H-T接頭直接組成的雙T接頭,由于連接處結(jié)構(gòu)突變,即使雙T各臂均連接匹配負載,其各端口的反射也會很大,不能實現(xiàn)魔T特性。因此在工程中實現(xiàn)魔T特性,需要在雙T接頭中加入調(diào)配體,以減少各端口的反射。比較常見的匹配元件有螺釘、膜片和椎體等。

        2 HFSS仿真

        2.1 單路魔T仿真

        首先在HFSS中建立單個魔T的仿真模型,對匹配部件進行優(yōu)化。為了簡化M魔T的結(jié)構(gòu)降低其制作的復雜性以使魔T的生產(chǎn)性更強,這里僅在接頭處設(shè)置匹配部件。

        主要匹配部件尺寸參數(shù)進行優(yōu)化,分別是R1、R2、H1、H2、H3、L,通過改變這些參數(shù)的優(yōu)化,分析對它們對魔T性能的影響。通過優(yōu)化調(diào)諧部件的幾何尺寸,尋找最優(yōu)的S參數(shù)狀態(tài),使用有限元法對仿真模型進行分析,確定最優(yōu)的幾何尺寸。通過觀察發(fā)現(xiàn),其中R2的對匹配頻帶影響較大,R2的值越大匹配頻帶越想高端偏移。L的值對傳輸損耗影響較大,L越小傳輸損耗越大。同時其他參數(shù)也對魔T的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有一定的影響。

        最后得到了仿真模型的S參數(shù)曲線。在4.4GHz~5GHz的工作頻段內(nèi)1,2端口隔離度達到25dB以上。各端口回波損耗大于15dB。

        通過對單個魔T的仿真可以看出,這種結(jié)構(gòu)的魔T,可以滿足系統(tǒng)使用要求,且加工方便利于生產(chǎn)。

        2.2 八合一合路網(wǎng)絡(luò)仿真

        完成單個魔T的仿真后,對整個合路網(wǎng)絡(luò)進行建模仿真。

        圖1 合路網(wǎng)絡(luò)仿真模型

        整個合路網(wǎng)絡(luò)由7個魔T組成,最后完成一個八合一合路網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。因為單個魔T已經(jīng)進行了優(yōu)化,最后的合路網(wǎng)絡(luò)是基本魔T單元的組合。所以基本不需要進行優(yōu)化調(diào)整。

        圖2 隔離度與回波損耗S參數(shù)曲線

        仿真結(jié)果如圖2所示,可以看出8個合路端口中,隔離度最差的是相鄰的兩個端口,隔離度22dB以上,然后是相鄰魔T的兩個端口,隔離度27dB以上,最好的是二進制樹中相鄰最遠的四個端口,隔離度達到35以上。各端口回波損耗也大于15dB。滿足設(shè)計要求。

        3 結(jié)束語

        本文針對八合一合路網(wǎng)絡(luò)進行了設(shè)計與仿真,通過仿真結(jié)果可以看出,該功率合成網(wǎng)絡(luò)各項指標均滿足需求,適用于C波段固態(tài)功率放大器的功率合成。

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