大功率超寬帶四合路器的設計

柳占偉

摘要：本文介紹了一種五百瓦超寬帶四合路器，頻帶寬度四個倍頻程。四合路器損耗小、承受功率大、隔離度高、路間一致性好。分析了隔離的形式和阻抗變換的原理，對四合路器進行設計、加工調(diào)試、功率測試，驗證了所設計的四合路器性能優(yōu)良、完全滿足工程使用要求。

關(guān)鍵詞：大功率；超寬帶；合路器

中圖分類號：TN73 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0200-02

合路器主要用于功率發(fā)射機的功率合成。因為單個功率管的輸出能力是有限的，要想發(fā)射機實現(xiàn)更大的功率輸出，就需要進行功率合成。合路器的帶寬和功率容量，限制了功率發(fā)射機的帶寬和功率能力，所以設計大功率超寬帶合路器對大功率超寬帶功率發(fā)射機來說尤為重要。

1 原理分析

合路器隔離是為了減小各路之間相互影響，利用隔離電阻吸收路間不平衡功率，保護發(fā)射機中正常工作的功放模塊不損壞。隔離電阻的選擇比較重要，為了阻抗匹配阻值應為分路端阻抗的2倍，功率容量要適當，功率容量小于不平衡功率會燒毀，功率容量大隨之寄生參數(shù)大會影響高頻性能。常見的隔離形式如圖1所示。

（a）中Wikinson隔離只加一個電阻，優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，但是Wikinson使用四分之一波長進行阻抗變換，頻率低時合路器的體積無法接受。

（b）中隔離使用傳輸線加載磁芯耦合與電阻并聯(lián)的形式，磁芯可以大幅度增加磁耦合強度，縮短傳輸信號波長，從而可以極大的拓展帶寬。此種形式的隔離大功率工作時頻率可以用到幾百兆赫茲。

（c）中隔離形式與（b）差不多，區(qū)別在于（b）處于T型結(jié)的分路段，而（C）處于T型結(jié)的合路端，阻抗為（b）的二分之一。阻抗低、損耗小、大功率器件寄生參數(shù)對電路的影響小，使其可以應用的頻率更高、功率更大。此種形式的隔離大功率工作時頻率可以用到千兆赫茲。

合路器只有保證阻抗匹配才能得到良好的技術(shù)指標，所以需要對其進行阻抗變換[1]。傳輸線變壓器是常用的寬帶阻抗變換器，可以構(gòu)成4：1、1：4、9：1、1：9、16：1、1：16等標準阻抗變換，也可以構(gòu)成一些非標準的阻抗變換。進入上部傳輸線內(nèi)導體的驅(qū)動電流I，產(chǎn)生一個上部傳輸線外導體流過的電流I，結(jié)果流入負載RL的電流為2I。由于輸入電壓源2V在同軸線和負載部分等分成兩部分，這樣一個變換器提供的阻抗變換是從RS=2Z0到RL=Z0/2，Z0是每根傳輸線的特性阻抗[2]。

磁芯的種類很多，選擇也很關(guān)鍵。高頻、寬帶、低損、大功率一般選用鎳鋅（NiZ）鐵氧體材料構(gòu)成的磁芯，外形設計為方形，便于大功率散熱。磁芯損耗PM表達式為：PM== （1）

式中可以看出，磁芯損耗與損耗角正切值和并聯(lián)電感量相關(guān)，或者可以說與傳輸線變壓器的并聯(lián)電感量、磁芯的Q值和頻率的乘積相關(guān)[3]。

2 四合路器設計

四合路器技術(shù)指標：

（1）工作頻率：30MHz～500MHz；（2）電壓駐波比：≤1.5：1；（3）帶內(nèi)插損：≤0.8dB；（4）隔離度：≥15dB；（5）承受功率：≥500W（連續(xù)波）。

四合路器分為兩級，第一級合路端使用兩個4：1傳輸線加載磁芯阻抗變換器，將阻抗100歐姆變?yōu)?5歐姆，兩個阻抗變換器并聯(lián)阻抗50歐姆構(gòu)成四合路器合路端；第二級分路端使用兩個傳輸線加載磁芯隔離器將四路阻抗50歐姆兩兩并聯(lián)構(gòu)成兩個25歐姆，分別與第一級級聯(lián)進行合路。之所以使用兩個4：1阻抗變換器，一方面是因為阻抗變換的需要，另一方面是因為提高功率容量和擴展帶寬的需要。

3 調(diào)試測試

測試結(jié)果如圖2所示。

合路器設計、調(diào)試中需要注意的問題如下：

磁芯磁導率的選擇比較重要，磁芯外形尺寸確定后，磁導率的大小直接影響射頻信號的磁耦合強度。磁耦合強度過大，頻率高端損耗會變大；磁耦合強度過小，頻率低端駐波差，回波損耗大。

為了保證良好的幅度和相位一致性，電路印制板設計時要保證結(jié)構(gòu)尺寸的對稱性，傳輸線加載磁芯變壓器、隔離器裝配時的一致性。

散熱設計是大功率部件設計的關(guān)鍵因素，合路器的主要散熱部分是磁芯和電阻，五百瓦工作時熱耗為80瓦左右，各路輸入不平衡時熱耗更大，需要進行重點關(guān)注。磁芯采用便于導熱的方形結(jié)構(gòu)，并使用導熱硅膠粘接在底板上，提高散熱能力。大功率電阻使用焊錫直接焊接在鍍銀底板上，保證良好的散熱。

4 結(jié)語

本文所設計的四合路器功率容量大，頻帶特別寬，損耗小，隔離度高，一致性好，為研制大功率超寬帶功率發(fā)射機創(chuàng)造了必要條件。經(jīng)過功率試驗、環(huán)境試驗和工程使用驗證，四合路器質(zhì)量可靠，完全滿足大功率超寬帶功率發(fā)射機的使用要求。

參考文獻

[1] Reinhold Luding ， Pavel Bretchko.王子宇，張肇儀，徐承和，等譯.射頻電路設計———理論與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2] Andrei Grebennikov.張玉興，趙宏飛，等譯.射頻與微波功率放大器設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3] 張紀綱.射頻鐵氧體寬帶器件[M].北京：科學出版社，1986.

Abstract：This paper presents a 500 w super broadband combiner circuit with four octaves of frequency band width. Quadrature circuit breaker has low loss， high power， high isolation and good consistency between paths. The form of isolation and the principle of impedance transformation are analyzed， and the design， processing and debugging and power test of the quadrature circuit breaker are carried out.

Key words：high power；super broadband；combiner