一種Ku波段微波相位均衡器的設計

楊林川，張德偉，周東方

(信息工程大學信息系統(tǒng)工程學院， 鄭州450002)

0 引言

傳統(tǒng)的發(fā)射技術是使用單支行波管進行射頻放大，再由天線輻射出去［1］。受行波管性能的限制，傳統(tǒng)發(fā)射技術已不能獲得滿意的發(fā)射功率。因此，現(xiàn)在的發(fā)射機常采用功率合成技術［2］，來獲得更大的輻射功率，更強的多方位發(fā)射能力。功率合成的實質是矢量相加，當各矢量的幅度、相位改變時，相加后的矢量就會不同。以兩路功率合成系統(tǒng)為例，如果兩行波管的慢波結構具有相同的特性阻抗，當兩合成矢量的幅度相等、相位差為0時，合成效率最大［3］;當相位失配達到60°時，合成的輸出功率會降低20%以上。因此，有效控制兩合成支路間的幅度差和相位差，可以得到比較理想的輸出功率。減小幅度差可以通過幅度均衡器來實現(xiàn)，減小相位差可以通過相位均衡器來實現(xiàn)，本文的重點是設計一種Ku波段微波相位均衡器。

1 相位均衡器的設計

在功率合成系統(tǒng)中，相位均衡的具體實現(xiàn)方法是:在工作頻帶內測出一個行波管各頻點的相移，將這個行波管的相移頻率曲線作為基準，使用相位均衡器調整其他行波管各頻點的相移，使得各路行波管放大器輸出的相移基本保持一致，即實現(xiàn)了相位均衡。相位均衡器在功率合成系統(tǒng)中的具體位置，如圖1所示。

圖1 相位均衡器在功率合成系統(tǒng)中的位置

1.1 結構模型設計

全通網(wǎng)絡在全頻域內幅頻特性恒定，其相移及群時延值按一定規(guī)律隨頻率變化［4］，適用于相位均衡器的設計。本文使用全通網(wǎng)絡設計了一種相位均衡器，其結構如圖2所示。

圖2 微波相位均衡器結構示意圖

圖2中矩形波導諧振腔作為相位均衡器的主要組成部分，具有相移和選頻的功能。微波信號從輸入端進入環(huán)行器后，直接進入諧振腔，通過調節(jié)腔長及腔體上加載的導體柱，來實現(xiàn)對諧振頻率和相移的調節(jié)。移相后的微波信號反射回環(huán)行器從輸出端口輸出，補償行波管間的相位差，這樣就實現(xiàn)了在特定頻點上的相位均衡。

1.2 相移量理論分析

波導內導體圓柱的電磁特性分析是典型的非均勻性問題［5］。文獻［6］采用矩量法，由柱體表面切向電場為零的邊界條件來建立電場積分方程，使用脈沖展開函數(shù)與點匹配的方法進行求解，獲得電流分布的數(shù)值解。求出矩形波導中的場分布及其等效電路，應用微波網(wǎng)絡理論確定導體柱產生的相移。

如圖3所示，在矩形波導內理想導體柱與寬邊垂直，柱體的高度為 h，半徑為 R，其軸位于(x0，y，0)。

圖3 矩形波導中任意高度導體柱

假定波導內為均勻、無耗和各向同性的煤質，其尺寸只能傳輸主模TE10模，則電場只有y方向，表達式為

求解過程中，把導體柱等分為M段，每段的長度為Δl，Ij為第j段上的電流值。

由于導體柱是理想導體，忽略其損耗，且具有互易性和對稱性，故導體柱的S參數(shù)為

于是，相移量就可以通過求解S21的相位而得到。

2 相位均衡器的仿真

使用電磁仿真軟件HFSS對設計的相位均衡器進行仿真，波導的尺寸為:寬邊a=15.8 mm，窄邊b=7.9 mm，長度l=54 mm，仿真頻率范圍為12 GHz～18 GHz。從圖4可以看出，電磁波從端口1進入環(huán)行器，從端口3輸出，說明電磁波在矩形腔的終端發(fā)生了反射。

圖4 相位均衡器仿真模型

2.1 加載單導體圓柱的仿真實驗

如圖5所示，當單導體圓柱的插入深度h=1 mm時，相移變化量的范圍是-2.5°～-2.3°，其分布曲線在頻帶內的波動較小;h=2 mm時，相移變化量的范圍是-41.7°～-22.3°。可見隨著插入深度的增加，各頻點的相移變化量相對于沒插圓柱時不再恒定，而是隨著插入深度和頻率的增大而變大。因此，調節(jié)導體圓柱的插入深度，可以在不同頻點產生不同的相移。如圖6所示，半徑r=2 mm時，相移變化量的改變趨勢與r=1 mm時相似，而在插入深度相同的情況下，半徑大的圓柱引起的相移變化量更大。

圖5 加載r=1 mm單導體柱的相移變化量曲線

圖6 加載r=2 mm單導體柱的相移變化量曲線

如圖7所示，h=1 mm和h=2 mm時，插入損耗最大值是-0.35 dB，對信號幅度的影響較小，近似等效為全通網(wǎng)絡。當插入深度h=3 mm時，在16.9 GHz～18 GHz頻段內插入損耗超過了2 dB，將對微波發(fā)射鏈路的指標產生影響。圖8中，導體圓柱的半徑r=2 mm，與r=1 mm時相比，損耗更大。所以，為了減小插入損耗的影響，需要限制導體圓柱的插入深度和半徑。

圖7 加載r=1 mm單導體柱的插入損耗特性曲線

圖8 加載r=2 mm單導體柱的插處損耗特性曲線

2.2 加載多導體圓柱的仿真實驗

現(xiàn)加載三個導體圓柱，如圖9所示，隨著插入深度的增加，插損逐漸增大，當插入深度相同時，頻率越高，插損越大。圖10表明，隨著插入深度的增加，相移變化量隨之增大，且相移變化量曲線的波動性逐漸加大。

圖9 加載三個r=1 mm導體柱的插處損耗特性曲線

圖10 加載三個r=1 mm導體柱的相移變化量曲線

因此，改變導體圓柱的半徑、插入深度和個數(shù)不僅能在不同頻點產生不同的相移值，而且可以控制插損的影響。如果需要在寬頻帶內進行更高精度的相移調節(jié)，則需要在波導諧振腔上加載更多的導體圓柱，進行聯(lián)合調試。

3 相位均衡器的實現(xiàn)與測試

圖11為加工制作的相位均衡器，主體有五個環(huán)行器級聯(lián)而成，每個環(huán)行器上可以級聯(lián)一個矩形諧振腔。在單個腔上加載了三個微調螺釘，腔長和螺釘?shù)牟迦肷疃瓤烧{。使用矢量網(wǎng)絡分析儀對該均衡器進行了測試，從圖12和圖13可知，插入損耗相對于仿真結果有所增大，相移變化量曲線出現(xiàn)了較大的波動，且隨著導體柱深度的增加和頻率的增大，波動逐漸加大。這一現(xiàn)象是由接頭及器件加工誤差所引起的。

圖11 矩形腔相位均衡器實物圖

圖12 矩形腔相位均衡器插損的仿真與測試對比

圖13 矩形腔相位均衡器相移變化量的仿真與測試對比

4 結束語

本文設計了一種應用于Ku波段微波大功率合成技術中的相位均衡器。仿真結果表明，調節(jié)導體圓柱的插入深度和數(shù)量，可以使該結構在頻帶內的插損小于2 dB，近似于全通網(wǎng)絡的特性。增加導體柱的個數(shù)或把均衡器級聯(lián)起來，可以得到更大的相移調節(jié)范圍。對加工的相位均衡器進行測試，結果與仿真存在一定的誤差，主要是由接頭及器件加工誤差所引起的。

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