基于毫米波的奇數波導功率合成器的研究

潘海波，張　麗，吳小帥

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

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基于毫米波的奇數波導功率合成器的研究

潘海波，張麗，吳小帥

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

摘要：首先介紹了N路功分器的原理，以三路功分器為例，進行建模仿真。然后并加工成實物，針對實物進行進一步的測試；最后，將2個三路功分器進行背靠背連接構成合成器，對該合成器的關鍵參數進行測量，測量結果滿意，達到良好的合成效果。這種合成方法突破了傳統的只能對2n路功放單元合成的局限，為日后的毫米波功率合成技術提供了新的思路。

關鍵詞：毫米波；奇數；三路功分器；合成器

0引言

近年來，毫米波在通信系統中得到了廣泛的應用。尤其在對保密性要求較強的通信環境下，基于毫米波的通信系統更具有無可替代的優勢。為了獲得更強的抗干擾能力和更好的通信質量，需要更高的輸出功率進行保障，而獲得更高的輸出功率的直接手段就是功率合成[1]。傳統的功率合成大多采用2n(n=1，2，3,…)的合成，這使得功率合成器的設計存在一定的局限性。

本文提出了一種基于毫米波的奇數路波導合成結構，現以3路波導合成為例，實現毫米波信號的3路合成。經過Ansoft HFSS軟件仿真，在32.3～36.1 GHz頻帶內具有很好的功分平衡度，3路輸出的幅度離散小于0.3 dB，同時回波損耗小于-15 dB。

1理論分析

1.1N路功分原理

N路功分器即是指具有N個輸出端口，且N個端口的輸出阻抗不同的功率分配器[2]。由此可知，經輸入端口耦合到各個輸出端口的功率也都各不相同，通過調節輸出端口的阻抗和輸入輸出端口間匹配關系，就可以得到具有任意功分比的N路功分器。N路功分器的原理框圖如圖1所示。

圖1　N路功分器原理框圖

為了使N路輸出端口的輸出功率相同，令:

(1)

成為必要條件。假設輸入端口的阻抗為RS，為保證輸入阻抗匹配，必須令:

(2)

其中:

(3)

式中:R=50Ω。

并聯后發現式(2)很難實現。因此為了實現阻抗匹配，在每一個支路上加入一段阻抗為Rgn的λ/4線。另外為了實現各個輸出端口之間的隔離，在每個輸出端口處加入一個阻抗為R0的隔離電阻。由此可以得出，在設計3路功分器時，需3個輸出端口的阻抗相等，這就需要在每個輸出端口增加一段阻抗匹配部分，通過調節阻抗匹配部分，使得3個輸出端口可以實現等功分輸出[3]。

1.2三路功分器的設計研究

三路波導功分器是基于N路功分器的拓撲結構進行建模設計，如圖2。三路功分器采用標準的BJ320波導輸入，再將波導的寬邊進行延展，形成波導腔體。該腔體可以等同為一截低阻抗傳輸線。在仿真過程中發現，輸出端口2處的波導腔內場最強，而輸出端口1、3處分布較弱[4]。為了使3個輸出端口的場分布強度均衡，首先縮小輸出端口2與腔體連接部分的波導寬度，使該端口的輸出呈現高阻抗特性。其次，在輸出端口2的高阻抗波導部分增入一節阻抗變換段，使其成為標準的波導輸出。最后，在波導腔內加入3個感性電感柱，參與阻抗匹配和調節輸出功分比。

圖2　三路功分器設計模型

三路功分器除保證輸出功率幅度相等之外，還要保證輸出相位的一致性。如果將3個輸出端口都設計為在同一水平面上的直通輸出，由于傳輸路程的差異，勢必會造成輸出相位的不一致，因此在輸出端口2處增加一段彎波導來平衡3路輸出的路程差，保證3路輸出相位一致[5]。

2三路功分器驗證結果

對該波導三路功分器器結構進行仿真，圖3為S參數仿真結果，圖4為輸出相位關系仿真結果。

圖3　S參數仿真結果

圖4　輸出相位關系仿真結果

由圖3可知，該三路功分器在32.3～36GHz帶內具有很好的功分平衡度，輸出幅度的離散小于0.3dB，回波損耗小于-15dB。由圖4可知，該功分器相位上存在一定的零散性，造成相位離散的主要原因是毫米波信號從輸入端口分別到3個輸出端口的傳輸路徑不同，盡管作出補償，但仍然存在小幅度的相位差。位于33.5～35.5GHz帶內的相位差不超過10°，對合成效果不存在明顯的影響。

將2個三路功分器背靠背進行連接，考核該三路功分器用于合成的效果，進行建模，如圖5所示，其S參數仿真結果如圖6所示。

圖5　三路波導功分器背靠背模型

圖6　三路波導功分器背靠背模型仿真參數

由圖6可知，在33.5～35.5GHz帶內傳輸損耗小于0.2dB,回報損耗小于-13dB，帶內平坦度較好，具有較好的合成效果。另外，從圖6可以發現少量的諧振點，可以將腔體內3個電感柱的位置進行微調，把這些諧振點移除帶外。

為進一步驗證合成效果，將該結構加工成實物進行測試。采用鋁材料，將其表面進行鍍銀處理，實物如圖7、圖8所示。對該波導背靠背合成器進行測試，測試結果如圖9所示。從圖9可以看出，在33.5～35.5GHz帶內傳輸插入損耗小于2.02dB,回報損耗小于-11dB。合成器帶內傳輸特性良好，不存在畸變，其合成效率約為80%。

圖7　三路功分器圖

圖8　三路功分器背靠背合成器

圖9　三路功分器背靠背合成測試結果

3結束語

利用H面三路功分器進行合成，初步達到合成效果，但是也存在不足之處。該合成器的工作帶寬較窄，回波損耗僅為-11 dB以下，這點不夠理想，以至于帶來2.02 dB的插入損耗。除此之外，由于該合成器的三路通道不在同一水平面上，為工藝的實現和制造的精準帶來不便。在后續研究中，將進一步對其進行完善，從而獲得更好的合成效果。

參考文獻

[1]吳群.毫米波工程[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2015.

[2]劉云剛,徐軍.Ka波段2 W功率合成器的研究[J].微波學報,2006,22(5):62-64.

[3]衛少卿，吳景峰，李思敏，祁云飛.一種Ka波段三路波導功率分配/合成器的設計[J].半導體技術,2011,36 (2):153-156.

[4]DELISIO M P,YORK R A.Quasi-optical and spatial power combining[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech,2002,50(3):929-936.

[5]薛良金.毫米波工程基礎[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2004.

Research into Odd Wave-guide Power Synthesizer Based on Millimeter-wave

PAN Hai-bo,ZHANG Li,WU Xiao-shuai

(The 13th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050051，China)

Abstract:The paper firstly introduces the theory of N-port power divider,performs modeling and simulation taking 3-port divider as an example,then the real divider is processed and further measured.Finally,two 3-port dividers are connected back-to-back to synthesizer,and the key parameters of the synthesizer are measured.The measurement result is satisfied and the synthesis effect is good.This synthesis method breaks through the localization of 2n-port power amplifier synthesis and provides new idea for future millimeter-wave power synthesis technique.

Key words:millimeter-wave;odd;3-port divider;synthesizer

收稿日期:2015-12-23

中圖分類號：TN73

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)02-0079-03

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.020