W波段功率合成技術(shù)研究

劉 輝 習(xí)遠(yuǎn)望 楊 軍 姚志健

(1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.中國(guó)兵器科學(xué)研究院 北京 100089)

1 引言

毫米波系統(tǒng)的成功應(yīng)用在很大程度上決定于系統(tǒng)的功率大小[1]，提高毫米波電路輸出功率對(duì)導(dǎo)彈精確制導(dǎo)、雷達(dá)、保密通信、電子對(duì)抗等方面的系統(tǒng)性能至關(guān)重要，因?yàn)楹撩撞òl(fā)射機(jī)輸出功率增大意味著具有更遠(yuǎn)的作用距離、更好的通信質(zhì)量、更強(qiáng)的抗干擾能力[2]。由于單個(gè)器件輸出的功率難以滿足系統(tǒng)的需要，因此，采用功率合成技術(shù)，合成多個(gè)固態(tài)器件產(chǎn)生的功率，以滿足系統(tǒng)的功率需求就成為一種非常有效的解決方法[3]。隨著毫米波技術(shù)的發(fā)展，在獲得更高功率的同時(shí)，對(duì)于更寬頻帶高功率固態(tài)發(fā)射機(jī)的需求越來越大。

功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的端口隔離度是實(shí)現(xiàn)寬帶功率合成的關(guān)鍵。由于任何無(wú)損互易的三端口網(wǎng)絡(luò)無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)三個(gè)端口的匹配，而在毫米波電路中，尤其在W波段，有耗匹配的Wilkinson功分器的隔離電阻元件實(shí)現(xiàn)十分困難，雖然通過去掉隔離電阻實(shí)現(xiàn)了Ka波段功率合成，并且取得了較好的合成效果，但是去掉隔離電阻后，端口間的隔離問題和高次模的激勵(lì)問題使得這類方法較難應(yīng)用到更高的頻率。文獻(xiàn)[3]提出采用H面波導(dǎo)T型結(jié)作為3dB功分器，但由于其隔離度有限，所研制的W波段功率合成器工作帶寬僅有60MHz(相對(duì)工作帶寬有0.064%)[3]，這樣并不能發(fā)揮出W波段帶寬大的優(yōu)勢(shì)。

本文采用對(duì)稱性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的H面波導(dǎo)裂縫電橋作為毫米波功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，以環(huán)行器連接的注鎖功率放大器作為基本放大單元，利用波導(dǎo)裂縫電橋各輸入、輸出端口之間信號(hào)的特殊相位關(guān)系，以及各端口之間的高隔離度實(shí)現(xiàn)了W波段寬帶、高效相參信號(hào)功率合成。

2 毫米波功率合成原理

功率合成是兩個(gè)復(fù)矢量幅度的疊加，其合成后輸出功率為:

輸出相角為:

這里D是輸入源功率差的dB數(shù)，θ是與兩個(gè)功率源進(jìn)行最優(yōu)功率合成所要求的相位關(guān)系之間的相位偏差。實(shí)際的系統(tǒng)中，幅度差和相位差產(chǎn)生于功率源的不同特性以及功分與合成網(wǎng)絡(luò)的非理想特性。圖1、2分別給出了合成輸出功率和相位角與輸入功率偏差、輸入相位偏差的函數(shù)關(guān)系[4]。

功率合成效率由公式(3)給出:

由公式(3)可以看出:兩路的幅度、相位偏差決定了最終的合成效率[4]。功率合成效率曲線見圖3。

圖3 功率合成效率曲線

可以看出相位差比幅度不平衡對(duì)于提高功率合成效率的影響更為明顯。理想狀態(tài)下，當(dāng)相位差控制在30°的范圍內(nèi)時(shí)在寬的幅度變化范圍內(nèi)均能獲得高于90%的功率合成效率[4]。

而功率合成的頻帶寬度則主要受到用于功率合成的3dB功分器端口間隔離度的影響。當(dāng)隔離度小于20dB時(shí)將導(dǎo)致用于功率合成的兩路IMPATT放大鏈互相影響，產(chǎn)生交叉調(diào)制[3]。影響功率合成效率，進(jìn)而影響有效功率合成的頻帶寬度。

3 實(shí)現(xiàn)方法及性能測(cè)試

3.1 H面波導(dǎo)裂縫電橋仿真及測(cè)試結(jié)果

圖4 H面波導(dǎo)裂縫電橋結(jié)構(gòu)

為了解決通道間的隔離問題，經(jīng)過對(duì)比研究選擇3dB波導(dǎo)裂縫電橋作為功分器和合路器，根據(jù)文獻(xiàn)[4]報(bào)道，H面波導(dǎo)裂縫電橋端口間的隔離度可以在5%的相對(duì)帶寬內(nèi)做到大于20dB[4]。H面波導(dǎo)裂縫電橋的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。在主副兩個(gè)矩形波導(dǎo)的公共窄壁上切去一段，作為耦合縫隙。合理地選取耦合縫隙的長(zhǎng)度，就可以使由主波導(dǎo)端口①輸入功率的一半耦合到副波導(dǎo)中的端口③，這種裂縫電橋稱為3dB電橋。在端口③處電場(chǎng)的相位滯后于端口②處電場(chǎng)的相位90°;副波導(dǎo)的端口④無(wú)輸出。該器件在端口② 、③ 之間能夠獲得大于20dB的隔離度[5]，這和W波段鐵氧體隔離器的隔離度相當(dāng)。加上注鎖放大器所使用環(huán)行器的隔離作用就能夠獲得較高端口隔離度。

為了研究該器件性能，我們采用Ansoft公司的高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS對(duì)上述功分器進(jìn)行了仿真和性能優(yōu)化[5]。圖5、6為該尺寸下兩個(gè)主要參數(shù)的仿真曲線。

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)功分器的帶內(nèi)各端口駐波、插損、輸出口隔離度、輸出相位差等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)測(cè)結(jié)果的端口駐波略優(yōu)于仿真結(jié)果，附加插損約0.5dB，相位誤差均小于10°，兩路隔離度在2GHz的頻帶范圍內(nèi)優(yōu)于 20dB[5]。

3.2 功率合成實(shí)驗(yàn)

W波段注入鎖定功率放大器功率合成原理圖如圖7所示。它是將毫米波小功率信號(hào)經(jīng)過功率分配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功率分配，功分以后的兩路毫米波小功率信號(hào)分別通過環(huán)行器注入輸出功率的較大毫米波振蕩源對(duì)其進(jìn)行鎖定。鎖定以后的較大功率毫米波信號(hào)分別經(jīng)各自的環(huán)行器輸出，然后再由毫米波功率合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率合成，從而得到所需要的合成功率信號(hào)。

圖7 功率合成原理圖

W波段注入鎖定功率放大器功率合成實(shí)物如圖8所示。

圖8 功率合成實(shí)物圖

基于H面波導(dǎo)裂縫電橋的W波段注鎖放大器寬頻帶功率合成器的實(shí)測(cè)結(jié)果如下表1所示。

表1 實(shí)測(cè)結(jié)果總結(jié)表

4 結(jié)論

本文論述了W波段注鎖功率放大器和H面波導(dǎo)裂縫電橋功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的基本原理，以及利用它們實(shí)現(xiàn)功率合成的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明在1GHz帶寬下功率合成效率優(yōu)于81%。

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