高功率低損耗六路功分器的設(shè)計(jì)與分析

張力平+周彭博+左秀權(quán)+王兵+孫安

摘 要： 針對(duì)高功率微波對(duì)功率放大器輕重量和小體積的要求，采用基于功率分配合成技術(shù)中的同相疊加原理，設(shè)計(jì)了一種C波段的結(jié)構(gòu)緊湊型窄帶6路功率分配器。該分配器通過(guò)射頻同軸N型連接器輸入射頻信號(hào)，通過(guò)環(huán)形無(wú)氧銅窄帶線等相均分為6路。利用CST軟件對(duì)該器件進(jìn)行了初步結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和S?parameter模擬仿真，理論傳輸系數(shù)為-7.78 dB。結(jié)果表明，該器件能承受5.0～5.3 GHz的工作頻率，功率容量達(dá)到1 000 W，各端口的功率傳輸效率達(dá)到97.5%以上，插入損耗為0.2 dB以?xún)?nèi)，完全可以滿足使用要求。

關(guān)鍵詞： 高頻高功率微波； C波段； 功分器； 同相疊加原理

中圖分類(lèi)號(hào)： TN626?34； TN811； TN813 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）18?0120?04

Design and analysis of six?channel power divider with high power and low loss

ZHANG Liping1，2， ZHOU Pengbo1， ZUO Xiuquan1， WANG Bing1， SUN An2，3

（1. MOE Key Laboratory of Road Construction & Equipment， Changan University， Xian 710064， China；

2. ADS?SRF Inc.， Zhenjiang 212009， China； 3. Proton Linear Accelerator Institute， Nanjing University， Nanjing 210000， China）

Abstract： In the light of the high?power microwave′s requirements of light weight and small size for power amplifier， the in?phase superposition principle based on power allocation and synthesis technology is used to design a compact structure narrowband 6?channel power divider working in C?band. The RF signals are input into the divider through RF coaxial N?type connector， and divided into 6 in?phase channels equally through annular oxygen?free copper narrowband line. The CST software is adopted to carry out the preliminary structure optimization design and S?parameter simulation of the device， whose theoretical transmission coefficient is -7.78 dB. Simulation results show that the device can bear the working frequency of 5.0～5.3 GHz， its power capacity can reach up to 1 000 W， its power transmission efficiency of each port is higher than 97.5%， and its insertion loss is within 0.2 dB， which can meet the operating requirements completely.

Keywords： high?frequency and high?power microwave； C?band； power divider； in?phase superposition principle

0 引 言

功率分配器是將一個(gè)功率源的輸入功率根據(jù)需要分成兩路或多路的器件，廣泛應(yīng)用在微波功率放大器、衛(wèi)星、廣播電視以及帶電粒子加速器等領(lǐng)域。

由于在無(wú)線通信設(shè)備中，要保證信號(hào)強(qiáng)、穩(wěn)定而且距離足夠遠(yuǎn)的條件，待傳輸?shù)男盘?hào)必須通過(guò)一系列的功率放大直至獲得足夠大的功率再發(fā)送至發(fā)射天線。單個(gè)功率放大器件能提供較大的傳輸效率，但其加工工藝?yán)щy、工作電壓高、器件尺寸和重量大，限制了其在可移動(dòng)發(fā)射設(shè)備中的應(yīng)用。因此，采用功率分配合成技術(shù)將固態(tài)器件輸出功率進(jìn)行分配放大后再同相疊加[1?3]，是獲得更高輸出功率的有效途徑之一，而功率分配器是放大系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)。由于傳統(tǒng)波導(dǎo)功分器在高頻情況下，波導(dǎo)尺寸較大，導(dǎo)致功率分配器的整體尺寸變大；而體積較小的微帶線功分器無(wú)法滿足高頻要求；針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出并模擬設(shè)計(jì)和仿真了一種窄帶線六路功率分配器，最后行進(jìn)了實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及分析。實(shí)現(xiàn)其在體積最小化的情況下，滿足承受頻率高、功率容量大，并且擁有良好傳輸性的要求，應(yīng)用于C波段無(wú)線通信放大設(shè)備發(fā)射端中。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)模擬仿真以及機(jī)械設(shè)計(jì)圖，加工了相應(yīng)的六路功率分配器。采用KEYSIGHT E5072A雙端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（模擬帶寬為30 kHz～8.5 GHz）進(jìn)行測(cè)試，由于功分器擁有6個(gè)輸出端口，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，測(cè)試時(shí)無(wú)法同時(shí)測(cè)量6個(gè)端口，因此要在其他5個(gè)非測(cè)量端口接上同軸負(fù)載，以消耗功率。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Port1口接6路功分器的Port1輸入端口，然后將矢量分析儀的Port2口分別接6路功分器的Port2～Port7輸出端口，測(cè)量各個(gè)端口的參數(shù)得到如圖7所示的數(shù)據(jù)。endprint

由圖7（a）可以看出，在5.0～5.3 GHz的頻帶范圍內(nèi)，當(dāng)輸出端Port2口匹配時(shí)，Port1輸入端口到Port2輸出端口的正向傳輸系數(shù)S21 Log Mag（magnitude in dB）為-7.95 dB（中心頻段5.15 GHz），與理論值-7.78 dB的插損0.17 dB，說(shuō)明分配系數(shù)較為平均，因此該功分器分配成六路的功率基本屬于均勻分配；由圖7（b）、圖7（c）可以看出，在5.0～5.3 GHz頻帶范圍內(nèi)，Port1輸入端口的反射系數(shù)S11 Log Mag均在-16 dB以下，Port2輸出端口的反射系數(shù)S22 Log Mag均在-15 dB以下，說(shuō)明輸入和輸出端口所反射回去的功率極低，從而不會(huì)出現(xiàn)功率在傳輸?shù)耐瑫r(shí)存在大量功率返回去的情況；由圖7（d）可以看出，輸出分配口Port2端口的駐波比S22 VSWR（Voltage Standing Wave Ratio）在1.3以下，說(shuō)明各輸出端口有著優(yōu)良的傳輸性能。由于該功分器輸出端口較多，因此將各個(gè)輸出端口中心頻段5.15 GHz的各項(xiàng)數(shù)據(jù)以表格的形式記錄在表1之中。

由于功分器功率的分配主要由腔體內(nèi)窄帶線來(lái)完成，因此，窄帶線在腔內(nèi)的位置對(duì)其參數(shù)有著至關(guān)重要的影響。但通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，該功分器的窄帶線通過(guò)在結(jié)構(gòu)上的位置固定，保證了其在腔體內(nèi)的位置與仿真建模相符。所以良好地保證了該功分器的測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的一致性，滿足最初設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并加工了一種小型高頻的六路功分器，根據(jù)KEYSIGHT E5072A雙端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試測(cè)試數(shù)據(jù)可知，在帶寬為5.0～5.3 GHz情況下，該六路功分器是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)微波功率由1路同軸輸入、6路同軸的近似等幅同相輸出，具有頻率高、反射系數(shù)低、插損小、駐波比小等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐裝配在C波段1 000 W無(wú)線放大設(shè)備發(fā)射端中，對(duì)高功率條件下的功率分配性能良好，與最初的設(shè)計(jì)目的達(dá)成一致，并希望在更多的移動(dòng)無(wú)線放大設(shè)備中發(fā)揮巨大的空間，能得到更加廣泛的使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 張嘉焱，舒挺，袁成衛(wèi).高功率微波空間功率合成的初步研究[J].強(qiáng)激光與粒子束，2007，19（6）：915?918.

[2] 李國(guó)林，舒挺，袁成衛(wèi).S波段高功率微波波導(dǎo)輸出多工器研究[J].強(qiáng)激光與粒子束，2007，19（4）：667?670.

[3] 李相強(qiáng)，劉慶想，張鍵穹，等.S波段多路徑向線功率分配器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].強(qiáng)激光與粒子束，2010，22（7）：1591?1594.

[4] 何建平，劉永鋒.一種C波段一分三功分器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].信息通信，2015（7）：41?42.

[5] 劉成帥，羅勇.一種Ka波段6路功率分配/合成模塊的設(shè)計(jì)[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2014，12（3）：420?424.

[6] 黎安堯.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，1998.

[7] CHEN Shuguang. A radial waveguide power divider for Ka band phased array antennas [C]// Proceedings of the 3rd International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology. [S.l.]： IEEE， 2002： 948?951.

[8] 嚴(yán)少敏.Ku波段小型化超寬帶一分四功分器設(shè)計(jì)[J].中國(guó)西部科技，2015，14（5）：40?41.

[9] 楊星華.X波段一分八帶狀線功分器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)時(shí)代，2015（11）：35.

[10] 龔志.基于波導(dǎo)的毫米波空間功率合成放大器研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[11] 劉汝媚.基于C波段無(wú)線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測(cè)傳輸技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（9）：117?120.endprint