一種新型Ku頻段三路功率分配/合成網絡

陳冠軍,景新攀,魏 偉,王 雷，張乃柏

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊 050081;2.中國人民解放軍32039部隊,北京 102300)

Ku頻段功率放大器處于衛星通信系統地面站上行鏈路末端，其作用是將上行射頻信號進行線性功率放大到合適的功率，然后通過天線發射給衛星[1]。在Ku頻段單支功率放大器芯片輸出功率只能達到30 W量級，為了得到更大的通信速率往往需要較大的功率輸出，功率合成技術成為了必需的技術手段。功率分配/合成多采用二進制(2n)功率合成方式，而在實際工程應用中，多階二進制功率合成方式存在局限性。例如：采用30 W輸出的功率芯片通過功率合成方式得到150 W的功率輸出時，4支芯片進行功率合成時功率輸出小于目標值；8支芯片進行功率合成時功率輸出余量過大，翻倍的芯片數量導致功率放大器功耗過高、結構尺寸更大、研制成本更高。

為了解決以上問題，提出了更加靈活的三路功率分配/合成技術。文獻[2]提出了正弦平方曲線為漸變的平面微帶線結構的三路功分器，實現了更優的駐波特性；文獻[3]提出了一種鏈式波導功率分配結構，實現三路平衡輸出，具有低插損、功率容量大等優點；文獻[4]在波導分支定向電橋的基礎上提出了一種六端口的三路功分器，解決了分配/合成器的相位一致性問題；文獻[5]提出了一種對稱式采用H面波導結構的三路功率合成網絡，但該結構插損與駐波特性并不理想。

為實現靈活高效的功率合成，從工程實際角度出發，本文提出了一種采用波導形式完全對稱的三路功率分配/合成器。在結構上，對稱式結構更加有利于功放機箱內部的布局；在性能上，通過加入不對稱感性柱來實現阻抗調節，使該結構具有更低的插損、較好的駐波特性以及更高的功率容量，合成效率高于同類產品。此外，通過該結構與傳統二進制分配/合成器相結合的形式可實現2n×3m路功率合成，可以更加合理靈活地進行芯片數量選擇。

1 理論分析

在以往設計中，常見結構的三路功率分配/合成器結構有平面微帶結構、波導電橋結構、鏈式結構等[5]。平面微帶功分器結構具有體積小、便于集成等優點，但插損較大、功率容量低，不適用于大功率合成的應用場景[6]。波導分支耦合電橋結構具有較低插損、大功率容量、高隔離度等優點，但在實際應用中需要進行相位補償來保證合成效率，此外該結構隔離端口需要接功率負載，這會造成該結構體積較大[7-8]。鏈式功分器為非對稱結構，不利于工程應用中的機箱整體布局。

而本文所述的對稱式三路功分器是在波導E-T節功分器的基礎上進行改進的。首先對E-T節功分器進行分析。波導E-T節功分器可以看成是一種無耗三端口網絡[9]，它是由一段波導及從波導寬邊接出來的分支波導構成，其軸線平行于主波導的TE10模的電場方向，是一種串聯分支，結構示意圖如圖1所示。

圖1 波導E-T節功分器結構Fig.1 Structure of E-T waveguide power divider

當射頻信號從端口1輸入時，信號將從端口2和3等幅反相輸出；當信號從端口2和3反相激勵時，則在端口1合成輸出最大；而當同相激勵端口2和3時，端口1將無輸出。由此可得波導E-T節功分器的S參數[10-11]：

(1)

假設端口1,2為正常輸入輸出端口，端口3短路，這樣可以得出3個不同的兩端口網絡，其散射參數矩陣為

(2)

式中：SⅡ代表把E-T節1個端口短路之后得到的2端口結構的S參數矩陣。上面所求出的2端口S參數矩陣與3端口S參數矩陣有如下關系[12-13]：

(3)

(4)

為了實現端口2,3的功率輸出為x/y的不等功分輸出[14]，應有：

(5)

通過求解式(1)—式(5)組成的方程組，可求得3端口網絡的S參數矩陣中所有元素的值。

2 建模及電磁特性仿真

在上述理論分析的基礎上利用三維高頻電磁場仿真軟件HFSS進行建模仿真，為了實現E-T節不等公分，在T分支中間位置加入感性柱的方式有效抵消串聯分支帶來的電抗分量[15]，并實現阻抗調節。此外，帶內存在諧振點，通過加入感性柱并調節感性柱位置將諧振點移出所需頻帶。功率分配示意如圖2所示，在HFSS中的三維模型如圖3所示。

圖2 射頻功率分配示意圖Fig.2 Power divider diagrammatic sketch

圖3 對稱式三路功率分配合成器結構圖Fig.3 Structure diagram of symmetrical three-way power divider/combiner

射頻信號由E-T節功分器等分為兩路，兩路信號再分別進行比例為2∶1不等分，其中大功率的兩路信號分別由2，4端口輸出，小功率的兩路信號由E-T節功分器合成在3端口輸出。仿真時，調節不等分E-T節中波導分支縫隙寬度來實現2∶1不等分。

對稱式三路功率分配合成器幅度仿真結果如圖4所示，從仿真結果可以看出，在頻率范圍13.75～14.50 GHz內合成端口回波損耗大于20 dB，各個輸出端口間幅度差小于0.5 dB，端口隔離度高于9.4 dB。

圖4 三路功率分配合成器幅度仿真結果Fig.4 Amplitude simulation results of three-way power divider/combiner

圖5 三路功率分配合成器相位仿真結果Fig.5 Phase simulation results of three-waypower divider/combiner

幅度平衡度良好保證了在功率合成/分配時的各端口信號能量大小一致，而相位一致性對功率合成效率同樣有較大影響，從圖5相位仿真結果可以看出，三路功率分配合成器兩側輸出端口相位差小于0.1°，中間路輸出端口與兩側輸出端口相位差約為180°。這樣在由三路功分器輸出的三路信號再次進入合成網絡進行合成時，三路信號的相位差可使功率合成效率最高。由此可見，該結構的相位一致性良好，滿足合成要求。

進行功率合成時，往往用2支三路功率分配器背靠背連接，因此對其背靠背結構進行設計與仿真。背靠背三路功率分配/合成器的三維結構和仿真結果分別見圖6和圖7。

圖6 背靠背三路功率分配/合成結構圖Fig.6 Structure diagram of back to back three-way power divider/combiner

圖7 背靠背三路功率分配/合成器仿真結果Fig.7 Simulation results of back to back three-way power divider/combiner

背靠背結構性能主要體現在回波損耗與傳輸損耗2個指標上，由仿真結果可見，在頻帶內有2個諧振點，大部分回波損耗大于20 dB，低頻端回波損耗較小，但仍大于16 dB，滿足工程使用要求。傳輸損耗在頻帶內小于0.2 dB。傳輸損耗是影響功率合成效率的最主要指標，插損越低合成效率越低，因此根據仿真結果可以得出，該結構的合成效率約為95%，可用于高效的功率合成。

3 實物測試

根據以上的仿真模型尺寸，對三路功率分配合成器進行實物加工。整體結構采用鋁材，表面工藝為本色導電氧化，并進行鍍銀處理。波導腔一般由銑刀銑出，因此采用上下腔分離，并由螺釘固定。實物圖見圖8。

圖8 三路波導功率分配/合成器實物圖Fig.8 Photo of three-way waveguide power divider/combiner

三路功率分配/合成器的三路之間的隔離度測試結果見圖9，1端口和2端口與3端口的隔離度分別大于7，9 dB，這在進行功率合成時，當其中一路出現故障時，對其他兩路影響較大。在實際應用中三路功率分配/合成器往往為背靠背使用，因此測試其背靠背性能。將2支三路功率分配/合成器通過螺釘背靠背固定，使用矢量網絡分析儀進行傳輸損耗和端口回波損耗測試，測試結果見圖10。

圖9 三路波導功率分配/合成器隔離度測試結果Fig.9 Isolation test results of three-way waveguide power divider/combiner

圖10 三路波導功率分配/合成器背靠背測試結果Fig.10 Test results of back to back three-way waveguide power divider/combiner

由測試結果可見，傳輸損耗小于0.1 dB，S11曲線實際測試相較仿真向高頻端進行偏移，但整體回波損耗大于13 dB，這是加工精度引起的可接受的誤差，其他測試結果與仿真結果基本保持一致。與其他文獻三路波導功率分配/合成器的參數對比見表1。

表1 三路波導功率分配/合成器性能參數對比表Tab.1 Comparison of performance parameters of three-way waveguide power divider/combiner

由表1可見本文提出的完全對稱式三路功率合成網絡合成效率大于97.7%，具有最低的傳輸損耗、最高的合成效率，此外與傳統分支波導、三路波導功率分配/合成器[3]相比不需要額外的相位補償鏈路；與鏈式三路功率合成形式[4]相比，具有完美的對稱性，更有利于功率放大器的整機布局；與采用H面波導結構的三路功率合成網絡[5]相比，具有更低的傳輸損耗與更優異的駐波特性。

綜上，該結構具有插入損耗低、小體積、頻帶寬、幅度相位一致性好、易于加工等優點，是一種性能優異的三路功率分配/合成網絡。

4 結 語

采用波導E-T節不等功分結構，設計并實現了一款新型Ku頻段三路功率分配/合成網絡，突破了傳統二進制合成方式只能進行2n路功率單元合成的局限，結構簡單易于加工，不需要額外的相位補償電路。通過實物測試，單支分配/合成器隔離度大于7 dB；進行背靠背合成時，傳輸損耗小于0.1 dB，回波損耗大于13 dB，合成效率高于97.7%。本文提出了采用感性柱進行調節匹配，且完全對稱結構形式的功率分配/合成網絡，性能更加優異，更有利于功率放大器的機箱布局。該結構工作頻率可以拓展至毫米波頻段，在固態功率合成方面有廣闊的應用前景。

該款三路功率分配合成網絡的各支路隔離度不夠，因此下一步工作將著重于隔離度的提升，并基于該款分配合成網絡進行高隔離度的三路功率分配合成網絡設計。