崔富義，劉富海，方 波

(1.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院特種設(shè)備學(xué)院，浙江 杭州310018；2.中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江 杭州310018)

隨著無線通信應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和信號(hào)帶寬的要求與日俱增，無論是軍用系統(tǒng)還是民用系統(tǒng)，寬頻帶和大功率將是現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展趨勢。 寬頻帶則要求通信頻率向高頻段方向擴(kuò)展，如微波、毫米波頻段；大功率則要求系統(tǒng)輸出功率能力要強(qiáng)。 眾所周知固態(tài)功率器件具有體積小、重量輕、工作頻段高、壽命長、直流功耗低、可靠性高、易集成等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。然而，一般固態(tài)器件隨著體積的減小、工作頻率的增高，輸出功率卻會(huì)大大降低。 為滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)小型化、寬頻帶、大功率發(fā)展趨勢要求，固態(tài)功率合成技術(shù)成為目前解決這一技術(shù)瓶頸的有效途徑[4-7]。

合成效率的高低是衡量一個(gè)合成器性能是否優(yōu)良的重要指標(biāo)。 為充分利用固態(tài)功率器件在微波毫米波頻段產(chǎn)生的寶貴功率，要求合成系統(tǒng)的合成效率一定要高。 實(shí)踐證明損耗越低，幅相一致性越高，合成效率就會(huì)越高[4-7]。

散熱性能是衡量功放和發(fā)射機(jī)系統(tǒng)工作可靠性的重要指標(biāo)[8-10]。 良好的散熱性能可以及時(shí)地將熱量散發(fā)出去，以保護(hù)較為昂貴的半導(dǎo)體功率器件。因此合成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一定要便于散熱裝置的安裝。

結(jié)構(gòu)尺寸的大小也是系統(tǒng)應(yīng)該考慮的重要因素，體積小重量輕更受市場青睞。

本文主要是針對(duì)合成系統(tǒng)的這三個(gè)指標(biāo)要求，提出了一種復(fù)合式功率合成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

1 原理

在高合成效率、良好散熱性能和結(jié)構(gòu)緊湊性要求之間，經(jīng)折中考慮，提出了以下微波功率合成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。 為了更好地闡述其工作原理，下面結(jié)合它在構(gòu)成合成固態(tài)放大器中的應(yīng)用加以說明。 這種功率合成系統(tǒng)的原理圖如圖1 所示。 第1 級(jí)和第2 級(jí)是由一分二的二進(jìn)制矩形波導(dǎo)功分器構(gòu)成；第3級(jí)是由4 個(gè)一分四的功分器組成(其結(jié)構(gòu)是在矩形波導(dǎo)功分器每個(gè)分支壁上耦合出2 條同軸支路構(gòu)成的)；第4 級(jí)是由16 個(gè)被合成元件構(gòu)成的(合成元件可以為微波集成放大器芯片MMIC，也可以是其他功率元件)。 此結(jié)構(gòu)是互易結(jié)構(gòu)，它用在前端即為功率分配器，用在后端即為功率合成器。 整個(gè)合成固態(tài)功率放大器系統(tǒng)的工作過程分為:微弱的微波信號(hào)從左端進(jìn)入，經(jīng)左邊功率分配器，信號(hào)被等分為16 條支路分別進(jìn)入到第4 級(jí)上的每個(gè)放大器芯片進(jìn)行放大，放大后進(jìn)入到右邊功率合成器的對(duì)應(yīng)支路，經(jīng)合成器合成后從右端波導(dǎo)口輸出。

低損耗和幅相一致性是提高合成效率的關(guān)鍵。因此，本設(shè)計(jì)的合成系統(tǒng)全部采用低損耗的金屬波導(dǎo)和同軸線，而且保證結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱。 金屬波導(dǎo)和同軸線具有較大的功率容量，非常適合大功率系統(tǒng)。

為了使結(jié)構(gòu)緊湊，又不妨礙散熱性能，合成終端被設(shè)計(jì)成了上下兩層結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)充分利用了縱向空間，在相同合成元素個(gè)數(shù)下，重量和橫向尺寸縮減了一半多。 這種準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)非常方便散熱器在其上下表面上安裝。

圖1 合成固態(tài)放大器示意圖

2 設(shè)計(jì)與仿真

因這種合成系統(tǒng)中的功分器和合成器是互易結(jié)構(gòu)[12]，所以，這里只以功分器形式為例來介紹設(shè)計(jì)方法。 任何電磁場仿真軟件在仿真電路時(shí)，仿真物體的電尺寸越大，誤差和仿真難度也會(huì)越大，仿真速度也會(huì)越慢。 為了快速而精確地設(shè)計(jì)出滿足要求的合成系統(tǒng)，將整個(gè)系統(tǒng)劃分成如圖1 所示的3 部分，即第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)。 第一級(jí)和第二級(jí)的結(jié)構(gòu)為二進(jìn)制形式的矩形波導(dǎo)功分器，其設(shè)計(jì)原理相同。 它的結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)注圖和CST 環(huán)境下的電磁建模圖如圖2 所示。

圖2 矩形波導(dǎo)功分器(單位：mm)

因針對(duì)的工作頻段是Ku 波段，所以矩形波導(dǎo)選用BJ140(WR62)型標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)(寬邊a 長15.799 mm，窄邊b 長7.899 mm)。 分別對(duì)第1 級(jí)和第2 級(jí)功分器進(jìn)行獨(dú)立仿真。 首先根據(jù)被合成元件布局后的整體寬度，倒推出各級(jí)支路端口最小長度(Lm+Lt+La)。 bm和Lm是支路波導(dǎo)的起始寬度和長度。 bm初始值取主波導(dǎo)寬度b 的一半，Lm初始值要大于bm。 Lt為過渡段的長度，其寬度由bm過渡到b。 為了獲得較低的插入損耗和反射損耗，需要良好的阻抗匹配，因此除了調(diào)節(jié)過渡波導(dǎo)尺寸外，各拐彎處也需要采取合理的倒角尺寸，如圖2 中Ch和Ca，初值要小于相應(yīng)波導(dǎo)的寬度。 主波導(dǎo)長度L 和Lz 可根據(jù)產(chǎn)品水平方向尺寸要求來定。 其值過小會(huì)有高次模產(chǎn)生，過長會(huì)增加水平方向尺寸。 在初始值的基礎(chǔ)上對(duì)變量Lm、Lt、La、Ch和Ca進(jìn)行優(yōu)化可得到第1 級(jí)和第2 級(jí)功分器的最終尺寸。 仿真的最終結(jié)果見圖3 所示。 圖3(a)和(b)是15 GHz 下初始相位為0°的微波信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生的電場和磁場矢量分布圖。 從圖中可以直觀地觀察到波導(dǎo)中的電磁場模式，以及電磁能量被等分的情況?？梢钥闯龈鞑▽?dǎo)端口電磁場模式符合主模TE10模式[11]的分布。 第1 級(jí)和第2 級(jí)功分器的幅頻特性和相頻特性，見圖3(c)和(d)。 可以看出，在整個(gè)BJ140型波導(dǎo)帶寬內(nèi)(12 GHz～18 GHz)，2 路功分器的分配損耗是-3.01 dB，圖中各支路SN1(N ＝2，3)值與分配損耗的差值SN1-(-3.01)≥-0.1 dB，即為各支路插損，反射損耗幾乎在所有頻點(diǎn)上都優(yōu)于20 dB，即S11≤-20 dB。 由于結(jié)構(gòu)的高度對(duì)稱，所以其幅相一致性也很好，這點(diǎn)從兩支路的S 參數(shù)重合度可以看出，S32為兩支路之間的隔離度，約有6 dB。

圖3 第1 級(jí)和第2 級(jí)功分器仿真結(jié)果

第3 級(jí)是在第1 級(jí)和第2 級(jí)的基礎(chǔ)上改造的一分四路波導(dǎo)-同軸型4 等分功分器。 其結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)注圖和CST 環(huán)境下的電磁建模見圖4 所示。 為方便與被合成元素集成，同軸特性阻抗選50 Ω。 同軸的介質(zhì)材料選聚四氟乙烯，其相對(duì)介電常數(shù)εr為2.08，外導(dǎo)體內(nèi)直徑D 取4.1 mm，內(nèi)導(dǎo)體直徑d 取1.27 mm。這個(gè)四等分功分器的性能與圖中的倒角Ch、探針深度Lt、探針距短路面距離Ls、同軸探針間距Bj有重要關(guān)系。 Ch初值取b/2＜Ch＜b，Lt初值取b/2，Ls初值取約四分之一波導(dǎo)波長，Bj初值取a/4。 支路波導(dǎo)臂長度Lz由工作波長和被合成元件尺寸決定，即，Lz的長度既要滿足被合成元件的裝配要求也要保證其微波特性。 固定下Lz后，對(duì)變量Lt、Ls、Ch和Bj進(jìn)行優(yōu)化仿真，可得到各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳尺寸。

圖4 波導(dǎo)-同軸型4 等分功分器

優(yōu)化仿真后的結(jié)果見圖5 所示。 由圖5(a)和5(b)15 GHz 下的電磁場矢量分布圖，可以看出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電磁場模式以及能量分布情況。 電磁場模式由矩形波導(dǎo)端的TE10模式逐漸過渡到4 個(gè)同軸端口的TEM 模式。 這符合矩形波導(dǎo)和同軸傳輸線理論，可以斷定仿真結(jié)果是可信的，并且可以觀察到能量確實(shí)被等分了。 其他各頻段的S 參數(shù)仿真結(jié)果見圖5(c)所示。 由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，各支路的幅頻特性是一致的，即S21、S31、S41和S51會(huì)重合在一起，圖中用SN1表示；然而這種結(jié)構(gòu)的相位卻不同于前兩級(jí)的情況，從圖5(c)的相位曲線可以看出。 處于不同波導(dǎo)壁中的兩個(gè)同軸支路相位相差180°，處于同一波導(dǎo)中的兩個(gè)同軸支路相位一致。 從圖5(a)和5(b)的電磁場矢量分布圖中的電磁場振動(dòng)方向也可以發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。 另外，從圖5(c)還可以觀察到，反射損耗S11只有在12 GHz ～14.5 GHz 時(shí)表現(xiàn)略差，約為10 dB 左右，但也滿足一般工程要求，在14.5 GHz ～17.5 GHz 時(shí)，S11≤-15 dB，表現(xiàn)較優(yōu)。 4 路功分器的分配損耗是-6.02 dB，圖中各支路SN1(N ＝2，3，…，5)值與分配損耗的差值SN1-(-6.02)，即為各支路插損，從圖中可以看到從12 GHz ～18 GHz 范圍，插損都優(yōu)于0.2 dB，特別是在15 GHz～17 GHz 范圍內(nèi)時(shí)，更是優(yōu)于0.1 dB。 另外從圖中還可以觀察到，第3 級(jí)比第1 級(jí)和第2 級(jí)頻帶寬度有所降低。 原因有兩種:一是為了控制產(chǎn)品橫向尺寸和整體重量而嚴(yán)格限制了波導(dǎo)臂的長度，在中間未加入過渡波導(dǎo)致使阻抗失配比前兩級(jí)的大；二是為了裝配簡單，同軸探針沒有采用端部加粗的方法進(jìn)行帶寬拓展。 如果對(duì)產(chǎn)品尺寸和裝配成本要求不高的話，利用上述技術(shù)，在整個(gè)波導(dǎo)帶寬內(nèi)，同樣也能做到優(yōu)良的性能。

圖5 第3 級(jí)4 等分器仿真結(jié)果

為了考察上述三級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的16 路功分器整體性能如何，將三級(jí)子電路放在CST 設(shè)計(jì)工作室環(huán)境中進(jìn)行級(jí)聯(lián)仿真，原理圖見圖6(a)，其對(duì)應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示。 此16 路功分器的S 參數(shù)仿真結(jié)果見圖7 所示。 由圖7(a)的幅頻特性可以看出，因結(jié)構(gòu)對(duì)稱，各支路插損相同，且損耗很低。 16路功分器的分配損耗是-12.041 dB，圖中各支路SN1(N＝2，3……17)值與分配損耗的差值，即為各支路插損，從15 GHz 到17 GHz，各支路插損SN1-(-12.041)≥-0.23 dB，反射損耗S11≤-14 dB；在16.6 GHz～17.3 GHz 范圍內(nèi)，各支路插損SN1≥-0.1 dB，反射損耗S11≤-20 dB。 因SN1＝-0.23 dB ＝0.948，S11＝-14 dB ＝0.04 代入式(1)[10]可計(jì)算出整個(gè)合成系統(tǒng)的無源合成效率η，

圖6 CST 環(huán)境下三級(jí)功分器的聯(lián)合仿真圖

由圖7(b)的相頻特性可知與第3 級(jí)功分器情況類似。

圖7 1 分16 路功分器仿真與測試結(jié)果比較圖

3 實(shí)現(xiàn)過程

利用上述仿真優(yōu)化得到最佳結(jié)構(gòu)尺寸，采用高精度數(shù)控機(jī)床，將第1 級(jí)至第3 級(jí)結(jié)構(gòu)做到一塊金屬上就構(gòu)成了這個(gè)16 路功分器的整體結(jié)構(gòu)，如圖8 所示。該功分器系統(tǒng)尺寸為48 mm×214 mm×18 mm。

圖8 16 路功分器照片

4 測試

功分器S 參數(shù)測試平臺(tái)如圖9 所示。 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀左端口經(jīng)同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器與功分器的波導(dǎo)端口1 相連接，矢網(wǎng)右端口與功分器的其中一個(gè)支路相連，其他支路接匹配負(fù)載。 按此方法依次測試剩下的各支路S 參數(shù)。 整個(gè)S 參數(shù)的測試結(jié)果，見圖7 仿真與測試結(jié)果比較圖。 從14.5 GHz 到17.5 GHz 范圍內(nèi)各支路插損小于0.4 dB，即能量通過率約大于0.91。 反射損耗S11小于-12.5 dB，即能量反射率小于0.056。 在15.5 GHz 到16.5 GHz 這段頻段內(nèi)各支路插損小于0.3 dB，即能量通過率約大于0.93。 反射損耗S11小于-16 dB，即能量反射率小于0.025。 代入式(1)可得

圖9 16 路功分器的測試平臺(tái)

5 結(jié)論

從合成效率，結(jié)構(gòu)尺寸和工作可靠性出發(fā)，提出了一種復(fù)合式功率合成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。 該合成系統(tǒng)第1 級(jí)和第2 級(jí)由二進(jìn)制的矩形波導(dǎo)功分器構(gòu)成；第3 級(jí)由矩形波導(dǎo)同軸探針型四等分功分器構(gòu)成；此合成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，合成效率高，熱沉裝配方便。 測試發(fā)現(xiàn)從14.5 GHz 到17.5 GHz 范圍內(nèi)，其無源合成效率可達(dá)90%以上。