基于毫米波的奇数波导功率合成器的研究

潘海波，张　丽，吴小帅

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)



基于毫米波的奇数波导功率合成器的研究

潘海波，张丽，吴小帅

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)

摘要：首先介绍了N路功分器的原理，以三路功分器为例，进行建模仿真。然后并加工成实物，针对实物进行进一步的测试；最后，将2个三路功分器进行背靠背连接构成合成器，对该合成器的关键参数进行测量，测量结果满意，达到良好的合成效果。这种合成方法突破了传统的只能对2n路功放单元合成的局限，为日后的毫米波功率合成技术提供了新的思路。

关键词：毫米波；奇数；三路功分器；合成器

0引言

近年来，毫米波在通信系统中得到了广泛的应用。尤其在对保密性要求较强的通信环境下，基于毫米波的通信系统更具有无可替代的优势。为了获得更强的抗干扰能力和更好的通信质量，需要更高的输出功率进行保障，而获得更高的输出功率的直接手段就是功率合成[1]。传统的功率合成大多采用2n(n=1，2，3,…)的合成，这使得功率合成器的设计存在一定的局限性。

本文提出了一种基于毫米波的奇数路波导合成结构，现以3路波导合成为例，实现毫米波信号的3路合成。经过Ansoft HFSS软件仿真，在32.3～36.1 GHz频带内具有很好的功分平衡度，3路输出的幅度离散小于0.3 dB，同时回波损耗小于-15 dB。

1理论分析

1.1N路功分原理

N路功分器即是指具有N个输出端口，且N个端口的输出阻抗不同的功率分配器[2]。由此可知，经输入端口耦合到各个输出端口的功率也都各不相同，通过调节输出端口的阻抗和输入输出端口间匹配关系，就可以得到具有任意功分比的N路功分器。N路功分器的原理框图如图1所示。

图1　N路功分器原理框图

为了使N路输出端口的输出功率相同，令:

(1)

成为必要条件。假设输入端口的阻抗为RS，为保证输入阻抗匹配，必须令:

(2)

其中:

(3)

式中:R=50Ω。

并联后发现式(2)很难实现。因此为了实现阻抗匹配，在每一个支路上加入一段阻抗为Rgn的λ/4线。另外为了实现各个输出端口之间的隔离，在每个输出端口处加入一个阻抗为R0的隔离电阻。由此可以得出，在设计3路功分器时，需3个输出端口的阻抗相等，这就需要在每个输出端口增加一段阻抗匹配部分，通过调节阻抗匹配部分，使得3个输出端口可以实现等功分输出[3]。

1.2三路功分器的设计研究

三路波导功分器是基于N路功分器的拓扑结构进行建模设计，如图2。三路功分器采用标准的BJ320波导输入，再将波导的宽边进行延展，形成波导腔体。该腔体可以等同为一截低阻抗传输线。在仿真过程中发现，输出端口2处的波导腔内场最强，而输出端口1、3处分布较弱[4]。为了使3个输出端口的场分布强度均衡，首先缩小输出端口2与腔体连接部分的波导宽度，使该端口的输出呈现高阻抗特性。其次，在输出端口2的高阻抗波导部分增入一节阻抗变换段，使其成为标准的波导输出。最后，在波导腔内加入3个感性电感柱，参与阻抗匹配和调节输出功分比。

图2　三路功分器设计模型

三路功分器除保证输出功率幅度相等之外，还要保证输出相位的一致性。如果将3个输出端口都设计为在同一水平面上的直通输出，由于传输路程的差异，势必会造成输出相位的不一致，因此在输出端口2处增加一段弯波导来平衡3路输出的路程差，保证3路输出相位一致[5]。

2三路功分器验证结果

对该波导三路功分器器结构进行仿真，图3为S参数仿真结果，图4为输出相位关系仿真结果。

图3　S参数仿真结果

图4　输出相位关系仿真结果

由图3可知，该三路功分器在32.3～36GHz带内具有很好的功分平衡度，输出幅度的离散小于0.3dB，回波损耗小于-15dB。由图4可知，该功分器相位上存在一定的零散性，造成相位离散的主要原因是毫米波信号从输入端口分别到3个输出端口的传输路径不同，尽管作出补偿，但仍然存在小幅度的相位差。位于33.5～35.5GHz带内的相位差不超过10°，对合成效果不存在明显的影响。

将2个三路功分器背靠背进行连接，考核该三路功分器用于合成的效果，进行建模，如图5所示，其S参数仿真结果如图6所示。

图5　三路波导功分器背靠背模型

图6　三路波导功分器背靠背模型仿真参数

由图6可知，在33.5～35.5GHz带内传输损耗小于0.2dB,回报损耗小于-13dB，带内平坦度较好，具有较好的合成效果。另外，从图6可以发现少量的谐振点，可以将腔体内3个电感柱的位置进行微调，把这些谐振点移除带外。

为进一步验证合成效果，将该结构加工成实物进行测试。采用铝材料，将其表面进行镀银处理，实物如图7、图8所示。对该波导背靠背合成器进行测试，测试结果如图9所示。从图9可以看出，在33.5～35.5GHz带内传输插入损耗小于2.02dB,回报损耗小于-11dB。合成器带内传输特性良好，不存在畸变，其合成效率约为80%。

图7　三路功分器图

图8　三路功分器背靠背合成器

图9　三路功分器背靠背合成测试结果

3结束语

利用H面三路功分器进行合成，初步达到合成效果，但是也存在不足之处。该合成器的工作带宽较窄，回波损耗仅为-11 dB以下，这点不够理想，以至于带来2.02 dB的插入损耗。除此之外，由于该合成器的三路通道不在同一水平面上，为工艺的实现和制造的精准带来不便。在后续研究中，将进一步对其进行完善，从而获得更好的合成效果。

参考文献

[1]吴群.毫米波工程[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2015.

[2]刘云刚,徐军.Ka波段2 W功率合成器的研究[J].微波学报,2006,22(5):62-64.

[3]卫少卿，吴景峰，李思敏，祁云飞.一种Ka波段三路波导功率分配/合成器的设计[J].半导体技术,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.毫米波工程基础[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,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

中图分类号：TN73

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)02-0079-03

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.020