微波功率合成網絡及其仿真設計

王樹梅 周惠忠

（揚州工業職業技術學院 江蘇 揚州 225127）

1 功率合成網絡簡介

在進行高功率微波放大器時，如果單個功放芯片輸出功率達不到要求，可以采用功率合成的方法對多路進行合成，使得最終輸出功率滿足指標要求。功率合成技術目前主要有管芯合成、電路合成以及空間合成三種。

管芯合成是把多個管芯聚集在長度比波長小的區域上，然后加上輸入匹配電路和輸出匹配電路，以獲得較大的輸出功率。管芯功率合成的概念最早是由Josenhans提出的，其最大的好處是耗費功率較小，但是隨著頻率的升高，芯片尺寸的限制和芯片之間的相互影響限制了能夠合成的二極管的最大數量。

電路合成技術是通過功率合成器把兩個和多個功率管放大器組合在一起，以獲得較大的輸出功率。它的優點是各功率單元間的相互影響較小，調整方便，匹配性能好。

空間功率合成是20世紀80年代提出的一種毫米波功率合成方法，但它被人們所重視并加以研究卻是在80年代后期和90年代。空間功率合成技術主要分為四類，即：由W.Lothar等人提出的準光功率合成技術，由K.Chang、T.lton等人提出的自由空間波功率合成技術，由Amir Mortazawi等人提出的采用開槽波導的自由空間功率合成器以及由A.Alexanian和R.A.York提出的波導內空間功率合成技術。

在具體功率合成器的選擇方面，考慮到功率容量、頻帶寬度、實現難度以及一致性等方面因素，在多數情況下，金屬波導由于它的低損耗以及高功率容量而被優先采用，特別是在放大器工作頻帶較寬，輸出功率大時。本設計嘗試采用波導內空間功率合成方式。

末級功率放大器將信號分為兩路進行分別放大，因此涉及的是一種兩路波導功率分配/合成器。這里要求的放大器工作于24-31GHz頻段，因此要求設計的功率分配/合成器在此頻段上必須有良好的性能。同時，為了盡可能的減小空間，功率分配/合成器也要盡可能小型化、一體化。合成網絡結構如下圖1所示。

圖1 功率合成網絡結構

2 影響合成效率的因素

功率合成網絡的合成效率是其型號好換的關鍵。合成效率一方面受功率分配／合成網絡性能的影響；另一方面，合成效率又受到放大器幅度、相位離散的影響。

當采用二路合成器組合結構實現多路功率合成時，合成器單元的損耗限制了二路合成器組合結構的合成效率，合成的路數越多，實現的難度越大。當兩路功率放大器進行并聯合成時功率放大器輸出功率幅度和插入相位的離散將影響合成效率。

功率分配／合成網絡的幅度、相位不平衡也會影響合成效率，其原理與兩路放大器幅度和相位離散影響合成效率的原理是相同的，都是兩路信號合成時由于兩路信號的幅度和相位不一致造成合成損耗。最大限度地提高合成效率是設計、研制功率合成放大器的重點和難點。利用微波電路計算機輔助設計軟件對設計的功率分配／合成器進行優化設計，盡量減小由于功率分配／合成器幅度、相位不平衡引起的合成損耗。

3 功率分配/合成網絡的仿真設計

設計的功率分配/合成器要求有標準的WR-28波導輸入和輸出接口，輸入端口駐波比小于1.5，輸出端口的駐波比小于1.3，兩路的隔離度大于20dB。兩路放大器是相同的，因此功分器的輸入端和兩個輸出斷口之間的傳播系數應該有相同幅度和相位，也就是：

這種情況下，兩路放大器信號的輸入信號也就有相同的幅度和相位，因此同樣的該波導器件也可以用于放大器輸出端口的功率合成。

根據要求，對于該波導功率分配/合成器的幾何尺寸，同時結合毫米波微帶電路結構，我們首先設計了一種簡單的對稱接口形式，如圖2（a）所示的一個輸入和兩個輸出端口的波導結構。

圖2 功率分配/合成器結構

因為我們采用的是一種對稱結構，因此兩路信號的相位基本可以做到一致。現在的任務就就是要對波導通道的邊緣進行修正，使其滿足指標的要求。其中一是，對輸入輸出端口的匹配，使端口的反射系數達到良好的性能要求；二是，輸出端口的功率分配以及相位，它可以通過邊緣的形狀和波導的長度優化。

通過多次的仿真優化，我們得到如圖2（b）所示的功率分配/合成器的結構示意圖，圖3是其在仿真時生成的三維波導結構圖。

圖3 三維仿真結構圖

通過對該波導器件的仿真，我們得到如下的結果。從圖中可以看出各個端口的的性能都已經達到了要求。

圖4 S21，S31仿真曲線

圖5 S23仿真曲線

圖6 3端口駐波比

圖7 S21，S31相位曲線

［1］何鈞.Ku波段高功率放大器設計[D].南京：南京理工大學，2006.