毫米波衛星通信頻段功率合成器的研究

楊 強，李棟賢

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊 050051)

0 引言

隨著速率、帶寬和傳輸質量等通信要求日益提升，毫米波頻段已成為衛星通信發展的必然趨勢。盡管毫米波衛星通信系統在帶寬資源和視距特性等方面優點顯著，可用度卻受環境條件的影響很大。研究及應用表明:諸如雨衰等因素會造成信號電平的嚴重下降，惡化通信質量甚至中斷線路，因此保證足夠的功率備余對提高通信鏈路可用度而言至關重要［1］。

通信發射設備輸出電平能力是通過功率放大器實現的，隨著工作頻率的上升，單個器件可提供的輸出功率能力相應降低，進而制約了系統的發展，如何制作結構緊湊、損耗低的高效合成器成為提升毫米波系統功率備余的重要研究課題［2］，是國內外競相研究的熱點。

固態電路傳輸線常用形式為微帶、同軸和波導，相對前者，波導具有低損耗和高功率容量特性，廣泛應用于毫米波功率合成器的設計［3－5］。

1 方案設計

1.1 合成器形式選擇

波導合成器主要形式為4端口電橋網絡和3端口功分網絡［6－8］。具有隔離端口的電橋用于合成時，支路之間能實現良好的隔離度，更易實現功率分配的平衡性和支路之間的相位一致性。實際使用時，某一支路失效，另一分支仍能獨立正常工作，因而更具工程實用性［9－11］。

3dB波導分支耦合器是一種典型的4端口電橋網絡，其原型是一對共用開槽寬邊的矩形波導，這種基于小孔衍射理論和相位迭加原理的多孔定向耦合結構［12］，當能量通過任一波導的任一端口饋入時，在另一波導內由于小孔耦合機理將產生能量激勵，通過調整公共臂上耦合孔的尺寸與間距就能夠實現等功率輸出。

基于3dB波導分支耦合器工作原理，設計了4路和8路等分結構及相應的合成器形式。

1.2 合成器建模及仿真

在三維電磁仿真軟件中建立波導分支4路等分結構，針對插入損耗和端口駐波，以及平衡性和隔離度等主要技術參數要求進行優化，設計原型及仿真結果如圖1所示。仿真表明，頻率在29～32 GHz，支路間的幅度不平衡度≤0.3 dB，各端口的駐波均優于20 dB，支路間隔離度≥18 dB。將一對四等分結構進行合并，作為合成器的無源電路模型，其背對背的插入損耗≤0.5 dB，輸入輸出端口駐波優于－15 dB。

圖1 4路合成結構及仿真結果

鑒于4等分結構良好的設計效果，借助于3 dB波導分支耦合器變易的單元擴展特性，在4路等分結構的基礎上，進一步將一個3 dB波導分支耦合器連接2個4路等分結構，從而構建出8路的等功分結構，完整的合成器無源電路設計模型如圖2所示。

圖2 8路合成結構及仿真結果

采用三維電磁仿真軟件進行仿真，結果表明，頻率在29～32 GHz，合成器的背對背插入損耗≤0.7 dB，輸入輸出端口駐波優于－14 dB。

1.3 關鍵技術

上述仿真模型中，共用開槽寬邊所開耦合槽數量取定為5個，理論分析和電磁場仿真均驗證了耦合孔隙數量、大小及相互間距對于合成器性能的之間影響，在進一步進行功分支路的擴展設計過程中，公共支臂上所開耦合槽數量的影響表現尤為明顯:當耦合孔隙數量減少至4個以下時，為維持等支路等功分比效果仍在A±0.5 dB范圍內(其中A為等分比典型值，如2等分時A為3 dB)，4路合成結構工作帶寬將縮短至僅有1 GHz，而8路合成器的工作帶寬則銳減至僅有300 MHz。

需要指出的是，較多的耦合孔隙雖然能夠改善合成結構的工作帶寬，并實現寬帶內良好的幅度平衡性，但對于機械加工實現而言是非常不利的，實際工程應用時，較多的狹窄縫隙還使得合成結構在應用于合成傳輸高功率能量時容易引發打火現象，為功率系統的可靠性造成隱患，因而進行功分支路擴展設計時，需注意權衡工作帶寬要求與縫隙的可加工實現方式。

2 性能測試

根據仿真模型和優化結果，實際設計并制作了一款4路合成器，采用5縫隙進行能量耦合分配，輸入輸出端口均采用標準的波導法蘭形式BJ320。4路合成器的外觀形式呈十字狀，如圖3所示，合成器所占總空間≤80 mm×80 mm×30 mm，合成結構的隔離端口集成安裝有波導匹配負載，實際使用時，功率放大器單元將依次安裝在十字狀所隔開的4個像限空間內，大面積與合成器表面貼合。

圖3 4路合成器實物外觀

采用該種合成結構進行有源合成，不僅結構緊湊合理，空間利用率高，而且通過對功率單元在空間上進行分布，能夠將熱源合理分散，使得合成器作為功率單元傳熱結構，并能最大化實現這種散熱效果，因而對功率系統而言，該合成結構是一種具有非常高效散熱效果的合成器。

采用Agilent N5230A矢量網絡分析儀，用雙端口校準方式校準儀器，再通過連接波導—同軸轉接器，采取直通校準的方式校除去測試轉接器的插入損耗后，對所加工的4路功分—合成結構進行S參數測試，矢量網絡分析儀測試結果如圖4所示。

圖4 4路合成結構的測試結果

實測結果表明，頻率在29～32 GHz，4路功率合成器的背對背插入損耗≤1.8 dB，輸入輸出端口的回波損耗均≤ －14 dB;其中頻率在29.4～30.6 GHz，4路合成器的背對背內插入損耗≤1.4 dB，最低損耗值約為1.1 dB，輸入輸出端口的回波損耗≤－17 dB。

3 測試結果分析

將實測曲線與仿真結果進行對比不難發現，實測與仿真在設計頻帶內基本吻合，但實測得到的插入損耗比仿真的結果略高出0.5～1 dB。結合工程經驗進行分析，導致損耗增大的原因主要來自于以下2個方面:

①4路合成器的研制目標為3 dB波導功分結構的基本特性試驗和支路擴展的機械可加工性驗證，因此合成器采用了鋁合金材料制作樣件，制備的過程中為了縮短加工周期，合成器腔體金屬表面僅進行了原色氧化，沒有進行金、銀等鍍涂處理，導致加工件的波導內壁表面光潔度較差，遠達不到波導內壁▽0.8的標準要求，由于工作頻率較高，趨膚效應的影響明顯，直接導致了傳輸損耗的增大。

②限于沒有足夠的測試配件波導負載，自行設計制作了一些波導負載單元，對其進行匹配性能驗證時，在合成器工作頻段范圍內，負載的回波損耗約在－12 dB左右，匹配性能一般，這也可能會引起輸入輸出測試端口的隔離性能變差，進而導致功分支路的等分特性發生變化，進而影響合成效率。

4 結束語

針對毫米波衛星通信頻段的應用，設計并制作了一種4路功率合成器，具有較好的插入損耗性能、良好的端口匹配和支路間隔離特性。合成器所固有的金屬波導結構使之不僅具有較高的功率承載能力，同時還可以起到良好的散熱作用;此外，仿真和實測均表明了該種合成結構具有實用化程度較高的功分支路擴展能力。基于已開展的設計和實驗驗證工作，將進一步完善該合成器的物理結構，并系統化設計配套使用的E-H面模式轉換器、驅動電路及有源放大器功率子單元電路和供電系統，以期最終實現一種高效的毫米波功率合成系統。 ■

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