六路矩形波導(dǎo)功分器分析和設(shè)計(jì)

敦書(shū)波，張海福

(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

功分器的應(yīng)用場(chǎng)合相當(dāng)普遍，在相控陣?yán)走_(dá)［1］、多路中繼通信機(jī)［2］、天饋線系統(tǒng)［3］、混頻器［4］以及功率放大器［5，6］等多種微波設(shè)備和系統(tǒng)中都有著廣泛的應(yīng)用［7］。在過(guò)去的幾十年里，學(xué)者們?nèi)〉昧撕芏嘧吭降难芯砍晒@其中，有關(guān)低損耗［8，9］、小型化的研究尤為突出。然而隨著現(xiàn)代通信電子產(chǎn)業(yè)的不斷高速發(fā)展，對(duì)功分器的性能也不斷提出了新的要求，因此對(duì)高性能功分器研究的需求仍在延續(xù)，而且越來(lái)越為迫切。

在高頻率、高功率的應(yīng)用環(huán)境下，波導(dǎo)以其低損耗、高功率容量的優(yōu)良特性倍受青睞。在各種波導(dǎo)功分器中，一分二功分器的使用最為普遍，簡(jiǎn)單的分支線及必要的匹配結(jié)構(gòu)即可構(gòu)成此種功分器。當(dāng)分路數(shù)大于二時(shí)，往往采用若干一分二級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)。所討論的一分六功分器擬作為更高一級(jí)功分器的子模塊，綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)此六口功分器的性能提出了較高要求。其中，輸入端口的回波損耗、各輸出端口間的幅度一致性和相位一致性方面的要求尤為嚴(yán)格。

1 設(shè)計(jì)方案

本文所討論的功分器為六路輸出，無(wú)法僅使用多個(gè)二等分功分器級(jí)聯(lián)而成，故采用圖1(a)所示的結(jié)構(gòu)。其中，紙面所在的平面為矩形波導(dǎo)的E面。該結(jié)構(gòu)使用了六個(gè)一分二功分器，其中4個(gè)是等分的(①、⑤、⑥、⑦)，如圖1(b)所示;兩個(gè)是2:1功分器(②、④)，如圖1(c)所示;另有一個(gè)等幅等相的二口功率合成器(③)，該合成器為二等分功分器的鏡像，可完全按照二等分功分器的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

信號(hào)經(jīng)由功分器①平均分配到功分器②和④，而②和④各自的三分之二功率則分配到功分器⑤和⑦，剩下的三分之一功分傳至合路器③，因此在功分器⑤、⑥和⑦處的功率是相同的，以此為基礎(chǔ)即可構(gòu)成所需要的一分六功分器。不考慮各輸出端口間的串?dāng)_(這種串?dāng)_可在輸出端口接入單向器加以抑制)，可采用分別設(shè)計(jì)的方式得到其中每一個(gè)器件的尺寸，然后再綜合驗(yàn)證整體器件的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用這種設(shè)計(jì)方式可以大大縮短研發(fā)周期，同時(shí)達(dá)到符合要求的性能。

圖1 所提出的一分六功分器結(jié)構(gòu)

1.1 波導(dǎo)尺寸的選擇

功分器擬應(yīng)用于43.5～45.5 GHz的頻段，為保證單模傳輸，選用WR22矩形波導(dǎo)作為主傳輸線。該波導(dǎo)的橫截面尺寸為5.690 mm×2.845 mm，相應(yīng)的主模截止頻率fc=26.3 GHz，TE20模的截止頻率為52.9 GHz。為了便于設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到加工的一致性，功分器各支路的傳輸線統(tǒng)一選為WR22矩形波導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)尺寸。

1.2 二口功分器的設(shè)計(jì)

理想二口功分器中輸入端口的功率應(yīng)按固定比例完全傳輸?shù)?個(gè)輸出端口，也就是輸入端口良好匹配，也即回波損耗為零;與此同時(shí)，2個(gè)輸出端口也應(yīng)彼此隔離，互不干擾;此外，整個(gè)器件還應(yīng)互易、無(wú)耗。然而由微波網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論可知，這種三端口器件是不可能存在的［7］。在設(shè)計(jì)中，每個(gè)輸出端口都將接入單向器，因此無(wú)需考慮輸出端口的回波損耗，故可通過(guò)選擇適當(dāng)尺寸，僅實(shí)現(xiàn)功分及輸入端口匹配。本文中分別使用了1∶1等分和2∶1不等分兩種功分器，功分比及匹配均通過(guò)調(diào)整圖1(b)和圖1(c)中的尖劈尺寸實(shí)現(xiàn)，該尺寸則可通過(guò)仿真優(yōu)化得到。

1.3 二口功率合成器的設(shè)計(jì)

由前文可知，在所設(shè)計(jì)的6路功分器結(jié)構(gòu)中，還包含一個(gè)二口功率合成器。從圖1可以看出，該合路器的兩路輸入信號(hào)幅度、相位都完全一致，為等幅等相二口合路器。由于結(jié)構(gòu)為無(wú)源，且不包含各向異性媒質(zhì)，因此具有互易性，故此合成器的尺寸獲取方式同前述二等分功分器完全相同。

2 仿真及測(cè)試

對(duì)所提出的一分六功分器進(jìn)行了加工和測(cè)試，最終的加工結(jié)構(gòu)由2個(gè)對(duì)稱鋁塊貼合而成，如圖2所示。為避免連接不緊密造成的性能惡化，在設(shè)計(jì)中采用較多數(shù)量的螺釘使結(jié)構(gòu)鎖緊并嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。

圖2 六口功分器的加工圖(下半部分)

2.1 仿真結(jié)果

使用ANSYS公司出品的HFSS電磁仿真軟件對(duì)所提出結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，最終尺寸的仿真結(jié)果如圖3所示。其中，圖3(a)為功分器的幅度特性;圖3(b)為功分器的相位特性。仿真結(jié)果表明，在所要求的頻帶內(nèi)，所提出一分六功分器的回波損耗優(yōu)于20 dB;輸出端口的最大不一致性(即各輸出端口插入損耗之差的最大值)為0.21 dB;各輸出端口間的相位差則不大于7°。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)功分器的結(jié)構(gòu)和尺寸得到了十分優(yōu)越的性能，不僅達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)值，而且有較高冗余。在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了各部件分別設(shè)計(jì)、優(yōu)化的策略，除大幅度縮短設(shè)計(jì)時(shí)間外，所得到的仿真結(jié)果也驗(yàn)證了該策略的可靠性。

圖3 六口功分器的仿真結(jié)果

2.2 測(cè)試結(jié)果及分析

按照仿真優(yōu)化的尺寸進(jìn)行了加工，并使用R＆S公司的ZVA50矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了測(cè)試，所用校準(zhǔn)件為Agilent公司的85056D 2.4 mm經(jīng)濟(jì)型校準(zhǔn)件。所得到的測(cè)試結(jié)果如圖4所示，其中，圖4(a)為幅度特性，圖4(b)為相位特性。由于所使用的網(wǎng)絡(luò)分析儀只有2個(gè)端口，故每次只能測(cè)試一個(gè)輸出端口，而其他輸出端口則接入匹配負(fù)載。未避免串?dāng)_，在測(cè)試時(shí)接入了單向器，經(jīng)測(cè)量，單向器所引入的插入損耗大約在1 dB左右。

圖4 六口功分器的測(cè)試結(jié)果

在工作頻帶內(nèi)，回波損耗與仿真結(jié)果相比較差，但仍優(yōu)于17.6 dB;而幅度的最大不一致性則達(dá)到了0.765 dB，與仿真結(jié)果差距較大，不過(guò)仍滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。事實(shí)上受加工條件限制，加工尺寸和設(shè)計(jì)尺寸存在一定的偏差，不等分功分器對(duì)尺寸的精度要求更高，因此受加工影響較大。各端口間的相位不一致性最大為7.56°，與仿真結(jié)果基本一致。

3 結(jié)束語(yǔ)

所討論的六路功分器指標(biāo)要求較高，其難點(diǎn)在于不等分功分器的設(shè)計(jì)。為便于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，采用了E面的設(shè)計(jì)思路，并采取逐層分別設(shè)計(jì)的方式，在較短的周期內(nèi)，達(dá)到了所需的各項(xiàng)指標(biāo)。由仿真結(jié)果可以看出，所優(yōu)化的尺寸性能更為優(yōu)越，但限于加工的精度未能在實(shí)測(cè)中達(dá)到。隨著精細(xì)加工行業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)械加工能力的提高可進(jìn)一步改善此功分器的性能。

［1］ 楊凱，張輝，李忠強(qiáng)，等.相控陣天線及其功率合成方法分析［J］.艦船電子對(duì)抗，2010，33(2):98-100，120.

［2］ FAZELI-DEHKORDY S，SHAHBAZPANAHI S，GAZOR S.Multiple Peer to Peer Communications Usinga Network of Relays［J］.IEEE Transactions on Signal processing，2009，57(8):3053-3062.

［3］ HEE KIM J，SANG PARK W.A Hadamard Matrix Feed Network for a Dual Beam Forming Array Antenna［J］.IEEE Trans.on AP，2009，57(1):283-286.

［4］ 陳坤，彭龍新，李建平.GaAs單片二極管雙平衡混頻器［J］.電子與封裝，2010，10(9):31-33.

［5］ 敦書(shū)波，劉儉成，魏利郝.UHF寬帶固態(tài)大功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.無(wú)線電工程 ，2007，37(5):57-58.

［6］ JEON J，KWON Y，LEE S，et al.1.6-and 3.3-W Poweramplifier Modules at 24 GHz Using Waveguide-based Power-Combining Structures［J］.IEEE Trans.on MTT.，2000，48(12):2700-2708.

［7］ 趙懷成，趙建中，吳文.加載感性金屬柱的毫米波T形波導(dǎo)功分器的設(shè)計(jì)［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào) ，2006，28(2):46-48.

［8］ 黨章，鄒涌泉，張玉興，等.一種新穎的Ku頻段寬帶波導(dǎo)功分器［J］.電訊技術(shù) ，2007，47(6):106-108.

［9］ 陳艷麗.大功率高隔離功分/合成器設(shè)計(jì)［D］.合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.