一种基于波导E－T 结的新型功分器的设计方法

寇 阳

(中国电子科技集团公司第54 研究所 卫星通信与广播电视专业部，河北 石家庄 050081)

在卫星通信系统中，EIRP 值是衡量系统性能的重要技术指标，而在天线增益确定后，该指标主要取决于发射机的输出功率［1］。为了提高发射机的输出功率，工程中通常采用功率合成的方式实现微波大功率输出，这就对功分器提出了更高的要求［2］。

目前常用的功分器主要有:威尔金森功分器，波导E－T 结、波导H－T 结、3 dB 分支波导定向耦合器及波导魔T 等［3～7］。威尔金森功分器是一种微带功分器，插入损耗较大，不适合于大功率合成;波导E－T结和H－T 结功分器是最常用的波导功分器，具有体积小、频带宽、插入损耗低、易加工等优点，缺点是两输出端口之间隔离度仅有－6 dB;3 dB 分支波导定向耦合器的两个输出端口相位相差90°，两路输出之间具有良好的隔离度，但是其带宽较窄。

通过对以上各种功分器分析，本文在其基础上提出了一种新型功分器，在波导E－T 结功分器的基础上大幅提高了两个输出端口间的隔离度。

1 理论分析

本文论述的功分器是在波导E－T 结功分器的基础上进行改进的，波导E－T 结功分器可以看成是一种无耗三端口网络，它是由一段波导及从波导宽边接出来的分支波导构成，其轴线平行于主波导的TE10模的电场方向，是一种串联分支［8］，其结构示意图如图1所示。

图1 波导E－T 结功分器结构

该波导E－T 结功分器的S 参数为:

其两种等效电路如图2 所示。

图2 波导E－T 结的两种等效电路

由上式可知，E－T 结功分器可以依其对称结构等分功率，但是各输出端口无法达到完全匹配(S22=S33=1/2)，两个输出端口的隔离度仅为－6 dB(S32=S23=1/2)，隔离度不高导致两输出端口之间的信号相互干扰，严重时会引起放大器的工作状态不稳定，自激等现象的发生。

本文在上述E－T 结功分器的基础上，通过在波导E 面中间加入微带探针并与50 Ω 电阻相连接，从而构成功分器的第四个端口;为了进一步增大工作带宽，波导采用多级渐变结构［9］，其模型如图3 所示。

图3 新型功分器结构图

该功分器是四端口网络，其中3 端口为输入端口，1 和2 端口为功分器的两输出端口，4 端口先通过探针过渡再串接匹配负载，起到隔离两输出信号，增加两输出端口隔离度的作用，其S 参数为

联立方程可以得到该功分器的S 参数

联立方程可以得到该功分器的S 参数

从该功分器的S 参数可以看出，新型功分器具有以下重要特性:

(1)匹配性:当功分器的3、4 两个端口分别接匹配负载时，1、2 两个端口自行匹配，所以该功分器是各端口完全匹配的四端口网络。

(2)隔离性:3、4 两个端口及1、2 两个端口之间都相互隔离。

(3)功率平分性:当信号从端口3 输入时，信号从1、2 端口等分输出，端口4 无输出。

3 模型仿真及加工实物测试

在上述理论分析的基础上利用三维电磁仿真软件CST 进行建模仿真，其仿真模型如图4 所示，仿真结果如图5 所示，从仿真结果可以看出，该功分器在12 ～17 GHz的频率范围内，两输出信号之间的隔离度优于－17.5 dB，插入损耗优于3.05 dB，回波损耗优于－20 dB。该结构的各项性能指标都优于传统的功分器结构，尤其在隔离度方面要远远大于E－T 结功分器。

图4 新型功分器仿真模型图

图5 新型功分器仿真结果

根据仿真结果对功分器进行了加工制作，对于端口4，通过探针过渡把两个输出端口反射回来的信号能量耦合到微带线上，在微带线的末端焊接一高频率、可承受大功率的50 Ω 电阻，使得从两个输出端口反射回来的电磁波能量被吸收。加工完成以后用矢量网络分析仪对该实物进行了测试，测试结果如图6 所示，从测试结果可以看出，在12 ～17 GHz 的频率范围内，两输出信号之间的隔离度优于－15 dB，插入损耗优于3.12 dB，回波损耗优于－18 dB，和仿真结果一致。该功分器结构不仅在很宽的频带范围内达到了较低的回波损耗，而且两路输出信号之间的隔离度有了大幅提高，适用于大功率、宽频带的功率合成技术。

图6 新型功分器测试结果

4 结束语

创新地提出了一种改进型波导E－T 结功分器，在传统的波导E－T 结功分器中加入探针过渡、吸收负载的方式，增加了两个输出端口之间的隔离度。实物测试结果表明:该功分器在12 ～17 GHz 的频率范围内，获得了良好的匹配特性、隔离特性以及平分特性，且频率范围可以扩展到毫米波频段，对研制毫米波频段功分器具有一定的参考价值，在固态功率合成方面有广阔的应用前景。

［1］ 肖永伟.Ku 频段USAT“动中通”系统设计探讨［J］.无线电通信技术，2011(4):4－6，38.

［2］ 孙文武.Ka 波段大功率放大器的设计［D］.南京:南京理工大学，2008.

［3］ Jiang X，Ortiz S C，Mortazawi A.A novel Ka－band I to 8 powerdivider/combiner［J］.IEEE Microwave Symposium Digest，2001(1):35－38.

［4］ Jiang X，Liu L，Ortiz S C，et al.A Ka band power amplifier based on a low－profile slotted－waveguide power combining/dividing circuit［J］.IEEE Microwave Theory and Techniques，2003(5):144－147.

［5］ Wu L，Sun Z，Yilmaz H，et al.Dual－frequency wilkinson power divider［J］.IEEE Microwave Theory and Techniques，2006(54):278－284.

［6］ Arndt F，Ahrens I，Papziner U，et al.Optimized E－plane T－junction series power dividers［J］.IEEE Microwave Theory and Techniques，1987(35):1052－1059.

［7］ Y Songnan，Fathy A E.Synthesis of a compound T－junction for a two－way splitter with arbitrary power ratio［J］.IEEE Microwave Theory and Techniques，2005，MTT－S:985－988.

［8］ 董金明，林萍实.微波技术［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［9］ 高建平，张芝贤.电波传播［M］.西安:西北工业大学出版社，2002.