六路矩形波导功分器分析和设计

敦书波，张海福

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

功分器的应用场合相当普遍，在相控阵雷达［1］、多路中继通信机［2］、天馈线系统［3］、混频器［4］以及功率放大器［5，6］等多种微波设备和系统中都有着广泛的应用［7］。在过去的几十年里，学者们取得了很多卓越的研究成果，这其中，有关低损耗［8，9］、小型化的研究尤为突出。然而随着现代通信电子产业的不断高速发展，对功分器的性能也不断提出了新的要求，因此对高性能功分器研究的需求仍在延续，而且越来越为迫切。

在高频率、高功率的应用环境下，波导以其低损耗、高功率容量的优良特性倍受青睐。在各种波导功分器中，一分二功分器的使用最为普遍，简单的分支线及必要的匹配结构即可构成此种功分器。当分路数大于二时，往往采用若干一分二级联的方式实现。所讨论的一分六功分器拟作为更高一级功分器的子模块，综合考虑整个系统的性能指标，对此六口功分器的性能提出了较高要求。其中，输入端口的回波损耗、各输出端口间的幅度一致性和相位一致性方面的要求尤为严格。

1 设计方案

本文所讨论的功分器为六路输出，无法仅使用多个二等分功分器级联而成，故采用图1(a)所示的结构。其中，纸面所在的平面为矩形波导的E面。该结构使用了六个一分二功分器，其中4个是等分的(①、⑤、⑥、⑦)，如图1(b)所示;两个是2:1功分器(②、④)，如图1(c)所示;另有一个等幅等相的二口功率合成器(③)，该合成器为二等分功分器的镜像，可完全按照二等分功分器的方式进行设计。

信号经由功分器①平均分配到功分器②和④，而②和④各自的三分之二功率则分配到功分器⑤和⑦，剩下的三分之一功分传至合路器③，因此在功分器⑤、⑥和⑦处的功率是相同的，以此为基础即可构成所需要的一分六功分器。不考虑各输出端口间的串扰(这种串扰可在输出端口接入单向器加以抑制)，可采用分别设计的方式得到其中每一个器件的尺寸，然后再综合验证整体器件的性能。实验结果表明，采用这种设计方式可以大大缩短研发周期，同时达到符合要求的性能。

图1 所提出的一分六功分器结构

1.1 波导尺寸的选择

功分器拟应用于43.5～45.5 GHz的频段，为保证单模传输，选用WR22矩形波导作为主传输线。该波导的横截面尺寸为5.690 mm×2.845 mm，相应的主模截止频率fc=26.3 GHz，TE20模的截止频率为52.9 GHz。为了便于设计，同时考虑到加工的一致性，功分器各支路的传输线统一选为WR22矩形波导标准尺寸。

1.2 二口功分器的设计

理想二口功分器中输入端口的功率应按固定比例完全传输到2个输出端口，也就是输入端口良好匹配，也即回波损耗为零;与此同时，2个输出端口也应彼此隔离，互不干扰;此外，整个器件还应互易、无耗。然而由微波网络的相关理论可知，这种三端口器件是不可能存在的［7］。在设计中，每个输出端口都将接入单向器，因此无需考虑输出端口的回波损耗，故可通过选择适当尺寸，仅实现功分及输入端口匹配。本文中分别使用了1∶1等分和2∶1不等分两种功分器，功分比及匹配均通过调整图1(b)和图1(c)中的尖劈尺寸实现，该尺寸则可通过仿真优化得到。

1.3 二口功率合成器的设计

由前文可知，在所设计的6路功分器结构中，还包含一个二口功率合成器。从图1可以看出，该合路器的两路输入信号幅度、相位都完全一致，为等幅等相二口合路器。由于结构为无源，且不包含各向异性媒质，因此具有互易性，故此合成器的尺寸获取方式同前述二等分功分器完全相同。

2 仿真及测试

对所提出的一分六功分器进行了加工和测试，最终的加工结构由2个对称铝块贴合而成，如图2所示。为避免连接不紧密造成的性能恶化，在设计中采用较多数量的螺钉使结构锁紧并严格对准。

图2 六口功分器的加工图(下半部分)

2.1 仿真结果

使用ANSYS公司出品的HFSS电磁仿真软件对所提出结构进行了仿真和优化，最终尺寸的仿真结果如图3所示。其中，图3(a)为功分器的幅度特性;图3(b)为功分器的相位特性。仿真结果表明，在所要求的频带内，所提出一分六功分器的回波损耗优于20 dB;输出端口的最大不一致性(即各输出端口插入损耗之差的最大值)为0.21 dB;各输出端口间的相位差则不大于7°。仿真结果表明，所设计功分器的结构和尺寸得到了十分优越的性能，不仅达到了设计目标值，而且有较高冗余。在设计过程中采用了各部件分别设计、优化的策略，除大幅度缩短设计时间外，所得到的仿真结果也验证了该策略的可靠性。

图3 六口功分器的仿真结果

2.2 测试结果及分析

按照仿真优化的尺寸进行了加工，并使用R＆S公司的ZVA50矢量网络分析仪进行了测试，所用校准件为Agilent公司的85056D 2.4 mm经济型校准件。所得到的测试结果如图4所示，其中，图4(a)为幅度特性，图4(b)为相位特性。由于所使用的网络分析仪只有2个端口，故每次只能测试一个输出端口，而其他输出端口则接入匹配负载。未避免串扰，在测试时接入了单向器，经测量，单向器所引入的插入损耗大约在1 dB左右。

图4 六口功分器的测试结果

在工作频带内，回波损耗与仿真结果相比较差，但仍优于17.6 dB;而幅度的最大不一致性则达到了0.765 dB，与仿真结果差距较大，不过仍满足系统的设计指标。事实上受加工条件限制，加工尺寸和设计尺寸存在一定的偏差，不等分功分器对尺寸的精度要求更高，因此受加工影响较大。各端口间的相位不一致性最大为7.56°，与仿真结果基本一致。

3 结束语

所讨论的六路功分器指标要求较高，其难点在于不等分功分器的设计。为便于设计和实现，采用了E面的设计思路，并采取逐层分别设计的方式，在较短的周期内，达到了所需的各项指标。由仿真结果可以看出，所优化的尺寸性能更为优越，但限于加工的精度未能在实测中达到。随着精细加工行业的不断发展，机械加工能力的提高可进一步改善此功分器的性能。

［1］ 杨凯，张辉，李忠强，等.相控阵天线及其功率合成方法分析［J］.舰船电子对抗，2010，33(2):98-100，120.

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