多路微波功率分配器的快速设计

张文梁，于志波

(1.中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050081； 2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

多路微波功率分配器的快速设计

张文梁1，于志波2

(1.中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050081； 2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对目前多路功率分配领域具有插损大、承受功率低等问题，提出了一种新颖的多路微波功率分配器的快速设计方法，使用电路和电磁场联合仿真的方法，充分利用电路仿真软件和电磁场仿真软件的优点，节省仿真时间，提高仿真精度。研究了该方法在工程中存在的问题及解决办法。制作了一个21路同轴线功率分配器样件，对样件进行了指标测试，验证了这种方法的可行性，详细分析了测试结果与仿真结果存在差异的原因。

微波；功率分配；联合仿真；同轴线

0 引言

多路微波功率分配器是微波电路中的重要部件，在相控阵天线和功率分配等领域中有着广泛的应用[1-2]。目前多路微波功率分配器的实现方法多采用通过级联一分二的Wilkinson功率分配器来实现，这种实现形式具有容易实现路数为2n的多路功率分配器以及设计简单等优点。但随着分配路数的增加插损逐渐增大、无法承受高功率等问题一直困扰着设计师。针对这些难题，提出了同轴线形式功分器的设计方法，这种形式的功率分配器具有不受路数的限制、实现任意路的功率分配、插入损耗不会随路数增加而增大和可以应用在大功率输出领域等显著优点。此外，在多路输出时，体积上也占有优势。

1 总体设计

设计一种频率范围为800～1 300 MHz的21路微波功率分配器，采用同轴线的形式实现。多路微波功率分配器的组成如图1所示。

图1 多路功率分配器的组成

信号由输入端口进入网络后，经过第一级阻抗变换器，在一级阻抗变换器的末端分支为21条二级阻抗变换器。输入信号经过二级阻抗变换，将阻抗变换到输出端口的50 Ω[3-4]。从信号的流程中可以看出，需要多少路输出只需在二级阻抗变换器之间引出多少个抽头即可。简单和高度对称的结构形式使功分器在多路输出时在体积和技术指标上占优势。

1.1 电路设计

首先根据多路微波功率分配器的输出路数和所要求的相对带宽来决定功率分配器所需要的阻抗变换器的级数；然后根据网络综合理论或者电路优化的方法来得到各级阻抗变换器的阻抗值，这一步得到的阻抗为电路电磁场联合仿真提供初始值；最后采用电路电磁场仿真的手段得到多路微波功率分配器的结构参数[5]。

要得到多端口微波功率分配器所需要的阻抗变换器的级数和各级阻抗变换器的阻抗值，首先就是要把分配器看成是一个50～50/21 Ω的阻抗变换器(输出的每一路都是并联的，因此输出端的并联阻抗为50/21 Ω)，阻抗变换器由Z1和Z2两级构成。查阅文献[6]的相关部分得到所需要的阻抗变换器的级数。经过查表得知，所需要的级数为二级，但是表中没有给出阻抗变换器的阻抗值。

阻抗变换器的特征阻抗Z1和Z2的计算以及结构的实现是多路微波功率分配器设计中的关键技术问题，采用电路仿真的办法得到阻抗变换器的特征阻抗分别为20.7 Ω和103.5 Ω。

根据同轴线的阻抗公式可以计算出同轴线的结构尺寸[7]。同轴线的阻抗计算公式为：

(1)

式中，b为同轴线外径；a为内径；εr为相对介电常数；μr为相对磁导率。

由式(1)可以计算得出一级和二级阻抗变换器的结构尺寸。

一级阻抗变换器为均匀同轴线，因此不需要电磁场仿真，用电路仿真就可以。二级阻抗变换器为带接头的偏心同轴线部分，因为电路仿真里面，没有现成的模型，因此采用电磁场仿真。值得指出的是，由于接头效应的存在，使得一级阻抗变换器同轴线的长度不为中心频率的1/4波长，阻抗也不为纯电路仿真得到的20.7Ω[8]。

使用HFSS对带接头的偏移同轴线部分进行电磁场仿真，文献[9]给出了HFSS的基本原理和使用方法。在HFSS中，对称边界描述了理想电壁或者理想磁壁对称面，应用对称边界条件，可以使得在构造结构时仅构造一部分，这就减小了设计尺寸，降低了复杂度，缩短了求解问题的时间。带接头的偏移同轴电缆部分为对称结构，它由21个完全相同的部分组成。因此在建模中只需构造偏移同轴电缆部分结构的1/21，这样大大地节省了仿真所需要的时间[10]。HFSS里的建模模型如图2所示。

图2 带接头的偏移同轴线HFSS建模

将HFSS模型导入Ansoft的电路仿真软件Designer中对左右2个部分进行联合仿真优化，得到分配器右边同轴线的长度和阻抗值。联合仿真得到的输入端口的回波损耗值如图3所示，带内优于-20dB。

图3 联合仿真传输特性

1.2 结构设计

功分器整体的结构像一个八爪鱼，上面是一根较粗同轴线，下面均匀分出21根同轴线。采用如下结构形式实现。

1.2.1 阻抗变换器结构设计

二级阻抗变换器采用分开制造的结构形式。一级阻抗变换器就是一根均匀铝棒，在其末端加工M8螺纹；二级阻抗变换器的接头部分留有M8的螺孔。二级变换器制造完成后可以像螺钉与螺母一样旋合在一起组成完整的功分器。此种方法降低了阻抗变换器的加工难度，提高结构尺寸的精度，保证具有良好的电性能。

1.2.2 封装外壳结构设计

采用整体外壳封装的形式，将功分器装入外壳后，在二级阻抗变换器的端口安装盖板完成封装。两端采用N型头与SMA型头的接插件将射频信号引出为可测试端口。

结构的电磁兼容设计是重点。文献[11]给出了复杂电磁环境下的设计实现方法。封装的圆形腔体在不与同轴线接触的情况下要尽可能小，保证腔体在设计频率范围内不会产生自谐振现象而影响功分器的电性能[12]。采用CST微波工作室软件能够仿真得出腔体是内否存在自谐振现象，文献[13]给出了CST软件的原理和使用方法。

采用CAD软件对结构进行设计[14]，多路微波功率分配器结构设计图如图4所示。

图4 多路微波功率分配器的结构设计

2 关键技术及需要解决的问题

2.1 应用的关键技术

联合仿真技术的应用是实现精确设计的基础。对一级阻抗变换器进行电路仿真，对二级阻抗变换器进行电磁场仿真。将电磁场仿真的结果导入电路仿真中，将二级阻抗变换器连接起来，在包含2种仿真模式的环境里对级联的2个阻抗变换器进行联合优化，这样能够真实反映工程使用下的电磁环境。如此得到的数值虽与理论值有所差异，但却是工程实现中的复杂电磁环境的最佳值[15]。

2.2 同轴线在封装壳内如何固定的问题

为了稳定，同轴线必须固定在外壳上，而这个固定方式不能采用金属件进行连接。首先，考虑使用塑料件对同轴线固定。将塑料载体放入电磁场仿真环境时发现其对整体电性能同样会有细微影响。为了确保外界条件零影响，采用只有连接器与同轴线相连接、内部不加固定物的形式达到将其与外壳进行连接。功分器多达22个连接器(1个N型连接器和21个SMA型连接器)，而同轴线采用铝材，重量较轻，22个连接点能够保证同轴线在腔体内的稳定性。

2.3 射频连接器与阻抗变换器如何连接的问题

另一个难点在于如何将射频接插件与阻抗变换器连接并固定在外壳上。操作可行性决定了二级阻抗变换器的对外连接不能都采用焊接的方式。二级阻抗变换器很细，和SMA插头之间除了焊接外，似乎没有其他方法。因此，问题就聚焦在N型头与一级阻抗变换器如何相连上。

针对此问题，选用一款型号为N-KFD105G+的N型接插件，此接插件连接段带有螺纹。机加工时，可以在一级阻抗变换器的顶端预留螺纹孔。总装时，先将二级阻抗变换器与SMA型头焊接在一起，装入壳体后，在一级阻抗变换器端将N型头旋入固定，由此解决安装问题。

3 仿真结果分析

按照仿真的结构参数，实际制作了一个样件，采用Agilent8753网络分析仪进行测试，测试结果如图5所示。

图5 样件传输特性测试结果

由图5可以看出，插入损耗在频率高端逐渐变差，1 300MHz为0.8dB；回波损耗在频率两端略差，800MHz为-15dB，1 300MHz为-12dB。

与仿真结果对比，850～1 250MHz频段内二者基本一致，频率低于850MHz与高于1 250MHz时插入损耗与回波损耗指标均有不同程度的恶化。

分析原因主要有以下3点：

① 仿真中采用的是理想端口，而在样件中采用的是N型与SMA型接头，接头与阻抗线之间相连存在着阻抗不匹配性，这就导致了指标与仿真结果的差异；

② 样件中二级阻抗变换器较细，在加工及镀涂过程中由于操作不当等原因极易变形，变形后的二级阻抗变换器即使手动复位仍会对功分器产生影响。

③ 联合仿真中使用的是理想电壁与理想磁壁，而在工程实现中无法达到理想状态，同轴线之间的影响以及腔体的效应也是造成实测结果与仿真结果存在差异的原因。

4 结束语

同轴线功率分配器具有低损耗、高一致性等其他形式功率分配器所没有的优点。提出的多端口微波功率分配器的快速设计方法，同时也是一种有足够设计精度的设计方法，设计的产品不需要调试，节省调试时间，降低了产品的成本。该方法可广泛应用于多路微波功率分配器的设计。

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张文梁 男，(1982—)，工程师。主要研究方向：射频与微波。

于志波 男，(1977—)，高级工程师。主要研究方向：射频与微波。

Fast Design of Multi-way Microwave Power Divider

ZHANG Wen-liang1，YU Zhi-bo2

(1.ChinaCommunicationsSystemCo.,Ltd.HebeiBranch,ShijiazhuangHebei050081,China; 2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Aiming at the problem of multi-way power dividing, such as high insertion loss and low power-handling capability, a novel way of realizing fast design of multi-way microwave power divider has been described. This design approach uses the united simulation method by electronic circuit and electromagnetic field. It takes the advantages of both the electronic simulation software and electromagnetic field simulation software to reduce simulation time and improve simulation precision. A 21-way coaxial-line microwave power divider is designed, and the index measurement is conducted to prove the feasibility of this method. At the end, the causes for the difference between the test result and the simulation result are analyzed in detail.

microwave;power dividing;united simulation;coaxial-line

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.22

张文梁,于志波.多路微波功率分配器的快速设计[J].无线电工程,2017,47(5):91-94.[ZHANG Wenliang,YU Zhibo.Fast Design of Multi-way Microwave Power Divider[J].Radio Engineering,2017,47(5):91-94.]

2017-02-23

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2015AA7111087)。

TN626

A

1003-3106(2017)05-0091-04