高功率低損耗六路功分器的設計與分析

張力平+周彭博+左秀權+王兵+孫安

摘 要： 針對高功率微波對功率放大器輕重量和小體積的要求，采用基于功率分配合成技術中的同相疊加原理，設計了一種C波段的結構緊湊型窄帶6路功率分配器。該分配器通過射頻同軸N型連接器輸入射頻信號，通過環形無氧銅窄帶線等相均分為6路。利用CST軟件對該器件進行了初步結構優化設計和S?parameter模擬仿真，理論傳輸系數為-7.78 dB。結果表明，該器件能承受5.0～5.3 GHz的工作頻率，功率容量達到1 000 W，各端口的功率傳輸效率達到97.5%以上，插入損耗為0.2 dB以內，完全可以滿足使用要求。

關鍵詞： 高頻高功率微波； C波段； 功分器； 同相疊加原理

中圖分類號： TN626?34； TN811； TN813 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0120?04

Design and analysis of six?channel power divider with high power and low loss

ZHANG Liping1，2， ZHOU Pengbo1， ZUO Xiuquan1， WANG Bing1， SUN An2，3

（1. MOE Key Laboratory of Road Construction & Equipment， Changan University， Xian 710064， China；

2. ADS?SRF Inc.， Zhenjiang 212009， China； 3. Proton Linear Accelerator Institute， Nanjing University， Nanjing 210000， China）

Abstract： In the light of the high?power microwave′s requirements of light weight and small size for power amplifier， the in?phase superposition principle based on power allocation and synthesis technology is used to design a compact structure narrowband 6?channel power divider working in C?band. The RF signals are input into the divider through RF coaxial N?type connector， and divided into 6 in?phase channels equally through annular oxygen?free copper narrowband line. The CST software is adopted to carry out the preliminary structure optimization design and S?parameter simulation of the device， whose theoretical transmission coefficient is -7.78 dB. Simulation results show that the device can bear the working frequency of 5.0～5.3 GHz， its power capacity can reach up to 1 000 W， its power transmission efficiency of each port is higher than 97.5%， and its insertion loss is within 0.2 dB， which can meet the operating requirements completely.

Keywords： high?frequency and high?power microwave； C?band； power divider； in?phase superposition principle

0 引 言

功率分配器是將一個功率源的輸入功率根據需要分成兩路或多路的器件，廣泛應用在微波功率放大器、衛星、廣播電視以及帶電粒子加速器等領域。

由于在無線通信設備中，要保證信號強、穩定而且距離足夠遠的條件，待傳輸的信號必須通過一系列的功率放大直至獲得足夠大的功率再發送至發射天線。單個功率放大器件能提供較大的傳輸效率，但其加工工藝困難、工作電壓高、器件尺寸和重量大，限制了其在可移動發射設備中的應用。因此，采用功率分配合成技術將固態器件輸出功率進行分配放大后再同相疊加[1?3]，是獲得更高輸出功率的有效途徑之一，而功率分配器是放大系統中不可或缺的一環。由于傳統波導功分器在高頻情況下，波導尺寸較大，導致功率分配器的整體尺寸變大；而體積較小的微帶線功分器無法滿足高頻要求；針對上述問題，本文提出并模擬設計和仿真了一種窄帶線六路功率分配器，最后行進了實驗測試以及分析。實現其在體積最小化的情況下，滿足承受頻率高、功率容量大，并且擁有良好傳輸性的要求，應用于C波段無線通信放大設備發射端中。

3 實驗及結果分析

根據模擬仿真以及機械設計圖，加工了相應的六路功率分配器。采用KEYSIGHT E5072A雙端口矢量網絡分析儀（模擬帶寬為30 kHz～8.5 GHz）進行測試，由于功分器擁有6個輸出端口，在實際測量時，測試時無法同時測量6個端口，因此要在其他5個非測量端口接上同軸負載，以消耗功率。采用矢量網絡分析儀的Port1口接6路功分器的Port1輸入端口，然后將矢量分析儀的Port2口分別接6路功分器的Port2～Port7輸出端口，測量各個端口的參數得到如圖7所示的數據。endprint

由圖7（a）可以看出，在5.0～5.3 GHz的頻帶范圍內，當輸出端Port2口匹配時，Port1輸入端口到Port2輸出端口的正向傳輸系數S21 Log Mag（magnitude in dB）為-7.95 dB（中心頻段5.15 GHz），與理論值-7.78 dB的插損0.17 dB，說明分配系數較為平均，因此該功分器分配成六路的功率基本屬于均勻分配；由圖7（b）、圖7（c）可以看出，在5.0～5.3 GHz頻帶范圍內，Port1輸入端口的反射系數S11 Log Mag均在-16 dB以下，Port2輸出端口的反射系數S22 Log Mag均在-15 dB以下，說明輸入和輸出端口所反射回去的功率極低，從而不會出現功率在傳輸的同時存在大量功率返回去的情況；由圖7（d）可以看出，輸出分配口Port2端口的駐波比S22 VSWR（Voltage Standing Wave Ratio）在1.3以下，說明各輸出端口有著優良的傳輸性能。由于該功分器輸出端口較多，因此將各個輸出端口中心頻段5.15 GHz的各項數據以表格的形式記錄在表1之中。

由于功分器功率的分配主要由腔體內窄帶線來完成，因此，窄帶線在腔內的位置對其參數有著至關重要的影響。但通過測試數據結果可以看出，該功分器的窄帶線通過在結構上的位置固定，保證了其在腔體內的位置與仿真建模相符。所以良好地保證了該功分器的測試數據與仿真數據的一致性，滿足最初設計要求。

4 結 論

本文設計并加工了一種小型高頻的六路功分器，根據KEYSIGHT E5072A雙端口矢量網絡分析儀測試測試數據可知，在帶寬為5.0～5.3 GHz情況下，該六路功分器是可行的，能夠實現微波功率由1路同軸輸入、6路同軸的近似等幅同相輸出，具有頻率高、反射系數低、插損小、駐波比小等優點。經過實踐裝配在C波段1 000 W無線放大設備發射端中，對高功率條件下的功率分配性能良好，與最初的設計目的達成一致，并希望在更多的移動無線放大設備中發揮巨大的空間，能得到更加廣泛的使用。

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