一種隔離度好的一分三同相波導(dǎo)功分器研究

盧小娜，喬得琢

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051；2.石家莊電子信息學(xué)校，河北 石家莊 050051)

0 引言

隨著微波毫米波技術(shù)的發(fā)展，超大功率固態(tài)放大器得到廣泛應(yīng)用。超大功率固態(tài)放大器具有體積小、供電電壓低、使用壽命長(zhǎng)和維護(hù)成本低等特點(diǎn)，但其輸出功率有限，為獲得更大功率輸出，往往需要高效功率合成技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)超大功率輸出。傳統(tǒng)的微帶合成有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)就是隨著合成路數(shù)的增加，微帶合成電路體積增大，合成損耗會(huì)迅速增大。因此，微帶合成的路數(shù)通常會(huì)被限制在8路以內(nèi)。空間功率合成技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，蓬勃發(fā)展。波導(dǎo)功分器相對(duì)微帶線、帶狀線等傳統(tǒng)微帶電路，具有損耗小，承受功率大等特點(diǎn)，在空間功率合成中廣泛應(yīng)用[1]。采用二進(jìn)制的合成方式可以實(shí)現(xiàn)數(shù)十路、上百路的功率合成，尤其在Ku以下的頻段，波導(dǎo)合成損耗幾乎可以忽略不計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)通過(guò)波導(dǎo)二進(jìn)制的合成方式已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)的功率輸出[2]。

由于實(shí)際需求的多樣性，單純二進(jìn)制的合成方式已不能滿足工程需要，奇數(shù)路合成技術(shù)得到不斷發(fā)展。目前，常見(jiàn)的一分三波導(dǎo)功分器多采用E面T型結(jié)或波導(dǎo)分支線電橋，等分與不等分結(jié)合，得到三路等分輸出[3]。一般基于E面T型結(jié)的波導(dǎo)功分器，類似于不加隔離電阻的微帶Wilkinson 功分器，輸出端口之間隔離度較差。波導(dǎo)分支線電橋有專門的隔離端，可以實(shí)現(xiàn)輸出端口的隔離，但輸出端口有90°的相位差，并且?guī)捠芟轠4]。本文基于E面T型結(jié)設(shè)計(jì)了一種隔離度較好的一分三同相波導(dǎo)功分器，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，在12～15 GHz頻率范圍內(nèi)，具有較好的插入損耗和隔離度。

1 E面T型結(jié)一分三波導(dǎo)功分器

常見(jiàn)的E面T型結(jié)波導(dǎo)三路功分器如圖1所示，采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，利用E-T結(jié)構(gòu)，將二路等功率分配器與二路不等功率分配器級(jí)聯(lián)，構(gòu)成三路等功率分配器[5]。射頻信號(hào)由端口1輸入，經(jīng)第一級(jí)E-T結(jié)構(gòu)分成兩路等幅度的信號(hào)；然后由第二級(jí)兩個(gè)2∶1功率分配器將信號(hào)分成四路，幅度之比為2∶1∶1∶2；中間兩路信號(hào)通過(guò)合路器合成一路信號(hào)，另兩路信號(hào)則直接輸出，最終輸出三路幅度和相位一致的射頻信號(hào)，完成輸入信號(hào)的等功率分配。

基于上述結(jié)構(gòu)，本研究設(shè)計(jì)Ku頻段的等分E-T結(jié)和不等分E-T結(jié)。為了機(jī)加工實(shí)現(xiàn)的可操作性和實(shí)用性，等分E-T結(jié)中間的波導(dǎo)缺口設(shè)置為矩形，如圖2所示，通過(guò)調(diào)節(jié)缺口的寬度和深度,可以優(yōu)化輸入端口的回波損耗；不等分E-T結(jié)中間的波導(dǎo)缺口設(shè)置為矩形組合，如圖3所示。調(diào)節(jié)缺口的寬度、深度和形狀，可以得到任意的分配比例。

圖2 等分E-T結(jié)仿真模型

圖3 不等分E-T結(jié)仿真模型

兩個(gè)等分E-T結(jié)和兩個(gè)不等分E-T結(jié)級(jí)聯(lián)組合，設(shè)計(jì)出Ku頻段E面T型結(jié)一分三波導(dǎo)功分器如圖4所示。仿真電場(chǎng)云如圖5所示。可以看出，輸入信號(hào)在第一個(gè)T型結(jié)一分為二，在進(jìn)入輸出波導(dǎo)前，輸出2波導(dǎo)與輸出3波導(dǎo)之間、輸出3波導(dǎo)與輸出4波導(dǎo)之間，信號(hào)被不等分為兩路，分配比例為2∶1。最后兩路較小功率支路合成一路由輸出3波導(dǎo)輸出，實(shí)現(xiàn)了三路等分輸出。

圖4 Ku頻段一分三波導(dǎo)功分器仿真模型

圖5 Ku頻段一分三波導(dǎo)功分器電場(chǎng)云

通過(guò)仿真可以得出，該功分器在12～15 GHz頻率范圍內(nèi)，輸入端回波損耗小于-15 dB，插入損耗小于5 dB，相位相差在15°以內(nèi)，輸出端口2與輸出端口3之間、輸出端口3與輸出端口4之間有一定隔離，隔離度在-9～-10 dB，但是輸出端口2和輸出端口4之間基本無(wú)隔離。

2 變異E面T型結(jié)一分三波導(dǎo)功分器

某些改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，在T型結(jié)中引入電阻膜片，實(shí)現(xiàn)輸出端口的隔離，但是一般功率容量較小，并且受機(jī)加工精度影響較大[6]。在T型結(jié)中引入匹配端口，構(gòu)成一種基于E面T型結(jié)的變異四端口網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)，既不影響T型結(jié)原有的結(jié)構(gòu)和性能，也可實(shí)現(xiàn)輸出端口間的隔離，并且可根據(jù)功率需求選擇不同的負(fù)載形式，如圖6所示。

圖6 變異E面T型結(jié)模型

將變異T型結(jié)應(yīng)用到Ku頻段一分三波導(dǎo)功分器，建立如圖7所示仿真模型。和變異前的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在12～15 GHz頻率范圍內(nèi)，輸入端回波損耗、插入損耗、相位差、輸出端口2與輸出端口3隔離、輸出端口3與輸出端口4隔離，基本一致。輸出端口2和輸出端口4之間的隔離大幅提高，隔離度在-18 dB以下。

圖7 Ku頻段變異一分三波導(dǎo)功分器仿真模型

3 實(shí)際驗(yàn)證

采用上文提出的變異一分三波導(dǎo)功分器，研制了Ku頻段12路波導(dǎo)功分/合成網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，在12～15 GHz頻率范圍內(nèi)，輸入端回波損耗小于-15 dB，插入損耗小于11.5 dB，相位相差在18°以內(nèi)，輸出各端口隔離度小于-18 dB。將該12路波導(dǎo)功分/合成網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于Ku頻段24路合成功放，如圖8所示，在3 GHz帶寬內(nèi)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)波功率輸出500 W，增益60 dB，效率21%。

圖8 Ku頻段24路合成功放

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種隔離度好的一分三同相波導(dǎo)功分器，該功分器基于變異E面T型結(jié)，具備較高的路間隔離度，大幅提高功率合成的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)Ku頻段24路合成功放實(shí)際驗(yàn)證，具有奇數(shù)路、寬頻帶、高隔離、低損耗、同相位等特點(diǎn)，工程應(yīng)用價(jià)值較高。