C波段功率合成网络设计与仿真

李 楠

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081）

在固态功率放大器的设计中，当要求的输出功率高于单个模块所输出的功率时，可以通过功率合成网络将几个模块的输出功率叠加起来。输出功率越大所需要的模块数量就越多，合路网络的设计的难度就越高。本文针对C波段千瓦级固态功率放大器的合成需求，设计仿真了一种八合一波导合成网络。采用二进制的合路形式，以魔T作为基本的合路单元。

1 波导魔T

波导魔T是微波、毫米波电路的重要器件，能进行功率的分配合成，由于其功率容量大、端口驻波好、隔离度高等优点广泛应用于微波通信、卫星通信、电子对抗等系统中。

波导魔T是微波无源电路的重要器件，它是由波导双T加上部分匹配元件构成。波导双T由一个E-T和一个H-T分支合并而成。

从波导H-T分支和E-T分支的特性可知，若1口和2口都接匹配负载时，那么1口和2口的输出将是由3口进入的功率平分而得，且两边信号同相位。但是在4口输入的功率，在1口和2口得到两路平分输出，但是得到相位相反的两路信号，这是由于1，2，4端口组成的波导分支为E-T分支，那么由4口进入的信号，在1口和2口得到方向彼此相反的电场的缘故。3臂和4臂的位置彼此垂直，那么它们的电力线也相互垂直，所以当1口和2口都接匹配负载时，或者两边接对称负载时由3口进入的信号不可能到达4端口，反之亦然。所以魔T的3口和4口是彼此隔离的。

用普通E-H和H-T接头直接组成的双T接头，由于连接处结构突变，即使双T各臂均连接匹配负载，其各端口的反射也会很大，不能实现魔T特性。因此在工程中实现魔T特性，需要在双T接头中加入调配体，以减少各端口的反射。比较常见的匹配元件有螺钉、膜片和椎体等。

2 HFSS仿真

2.1 单路魔T仿真

首先在HFSS中建立单个魔T的仿真模型，对匹配部件进行优化。为了简化M魔T的结构降低其制作的复杂性以使魔T的生产性更强，这里仅在接头处设置匹配部件。

主要匹配部件尺寸参数进行优化，分别是R1、R2、H1、H2、H3、L，通过改变这些参数的优化，分析对它们对魔T性能的影响。通过优化调谐部件的几何尺寸，寻找最优的S参数状态，使用有限元法对仿真模型进行分析，确定最优的几何尺寸。通过观察发现，其中R2的对匹配频带影响较大，R2的值越大匹配频带越想高端偏移。L的值对传输损耗影响较大，L越小传输损耗越大。同时其他参数也对魔T的网络参数有一定的影响。

最后得到了仿真模型的S参数曲线。在4.4GHz～5GHz的工作频段内1，2端口隔离度达到25dB以上。各端口回波损耗大于15dB。

通过对单个魔T的仿真可以看出，这种结构的魔T，可以满足系统使用要求，且加工方便利于生产。

2.2 八合一合路网络仿真

完成单个魔T的仿真后，对整个合路网络进行建模仿真。

图1 合路网络仿真模型

整个合路网络由7个魔T组成，最后完成一个八合一合路网络，如图1所示。因为单个魔T已经进行了优化，最后的合路网络是基本魔T单元的组合。所以基本不需要进行优化调整。

图2 隔离度与回波损耗S参数曲线

仿真结果如图2所示，可以看出8个合路端口中，隔离度最差的是相邻的两个端口，隔离度22dB以上，然后是相邻魔T的两个端口，隔离度27dB以上，最好的是二进制树中相邻最远的四个端口，隔离度达到35以上。各端口回波损耗也大于15dB。满足设计要求。

3 结束语

本文针对八合一合路网络进行了设计与仿真，通过仿真结果可以看出，该功率合成网络各项指标均满足需求，适用于C波段固态功率放大器的功率合成。