一种结构紧凑性能优良的微波功率合成系统*

崔富义，刘富海，方 波

(1.杭州职业技术学院特种设备学院，浙江 杭州310018；2.中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州310018)

随着无线通信应用对数据传输速率和信号带宽的要求与日俱增，无论是军用系统还是民用系统，宽频带和大功率将是现代通信技术的发展趋势。 宽频带则要求通信频率向高频段方向扩展，如微波、毫米波频段；大功率则要求系统输出功率能力要强。 众所周知固态功率器件具有体积小、重量轻、工作频段高、寿命长、直流功耗低、可靠性高、易集成等优点[1-3]。然而，一般固态器件随着体积的减小、工作频率的增高，输出功率却会大大降低。 为满足现代通信系统小型化、宽频带、大功率发展趋势要求，固态功率合成技术成为目前解决这一技术瓶颈的有效途径[4-7]。

合成效率的高低是衡量一个合成器性能是否优良的重要指标。 为充分利用固态功率器件在微波毫米波频段产生的宝贵功率，要求合成系统的合成效率一定要高。 实践证明损耗越低，幅相一致性越高，合成效率就会越高[4-7]。

散热性能是衡量功放和发射机系统工作可靠性的重要指标[8-10]。 良好的散热性能可以及时地将热量散发出去，以保护较为昂贵的半导体功率器件。因此合成系统的结构一定要便于散热装置的安装。

结构尺寸的大小也是系统应该考虑的重要因素，体积小重量轻更受市场青睐。

本文主要是针对合成系统的这三个指标要求，提出了一种复合式功率合成系统的设计方法。

1 原理

在高合成效率、良好散热性能和结构紧凑性要求之间，经折中考虑，提出了以下微波功率合成系统的设计方法。 为了更好地阐述其工作原理，下面结合它在构成合成固态放大器中的应用加以说明。 这种功率合成系统的原理图如图1 所示。 第1 级和第2 级是由一分二的二进制矩形波导功分器构成；第3级是由4 个一分四的功分器组成(其结构是在矩形波导功分器每个分支壁上耦合出2 条同轴支路构成的)；第4 级是由16 个被合成元件构成的(合成元件可以为微波集成放大器芯片MMIC，也可以是其他功率元件)。 此结构是互易结构，它用在前端即为功率分配器，用在后端即为功率合成器。 整个合成固态功率放大器系统的工作过程分为:微弱的微波信号从左端进入，经左边功率分配器，信号被等分为16 条支路分别进入到第4 级上的每个放大器芯片进行放大，放大后进入到右边功率合成器的对应支路，经合成器合成后从右端波导口输出。

低损耗和幅相一致性是提高合成效率的关键。因此，本设计的合成系统全部采用低损耗的金属波导和同轴线，而且保证结构高度对称。 金属波导和同轴线具有较大的功率容量，非常适合大功率系统。

为了使结构紧凑，又不妨碍散热性能，合成终端被设计成了上下两层结构。 这种结构充分利用了纵向空间，在相同合成元素个数下，重量和横向尺寸缩减了一半多。 这种准平面结构非常方便散热器在其上下表面上安装。

图1 合成固态放大器示意图

2 设计与仿真

因这种合成系统中的功分器和合成器是互易结构[12]，所以，这里只以功分器形式为例来介绍设计方法。 任何电磁场仿真软件在仿真电路时，仿真物体的电尺寸越大，误差和仿真难度也会越大，仿真速度也会越慢。 为了快速而精确地设计出满足要求的合成系统，将整个系统划分成如图1 所示的3 部分，即第一级、第二级和第三级。 第一级和第二级的结构为二进制形式的矩形波导功分器，其设计原理相同。 它的结构参数标注图和CST 环境下的电磁建模图如图2 所示。

图2 矩形波导功分器(单位：mm)

因针对的工作频段是Ku 波段，所以矩形波导选用BJ140(WR62)型标准波导(宽边a 长15.799 mm，窄边b 长7.899 mm)。 分别对第1 级和第2 级功分器进行独立仿真。 首先根据被合成元件布局后的整体宽度，倒推出各级支路端口最小长度(Lm+Lt+La)。 bm和Lm是支路波导的起始宽度和长度。 bm初始值取主波导宽度b 的一半，Lm初始值要大于bm。 Lt为过渡段的长度，其宽度由bm过渡到b。 为了获得较低的插入损耗和反射损耗，需要良好的阻抗匹配，因此除了调节过渡波导尺寸外，各拐弯处也需要采取合理的倒角尺寸，如图2 中Ch和Ca，初值要小于相应波导的宽度。 主波导长度L 和Lz 可根据产品水平方向尺寸要求来定。 其值过小会有高次模产生，过长会增加水平方向尺寸。 在初始值的基础上对变量Lm、Lt、La、Ch和Ca进行优化可得到第1 级和第2 级功分器的最终尺寸。 仿真的最终结果见图3 所示。 图3(a)和(b)是15 GHz 下初始相位为0°的微波信号激励下产生的电场和磁场矢量分布图。 从图中可以直观地观察到波导中的电磁场模式，以及电磁能量被等分的情况。可以看出各波导端口电磁场模式符合主模TE10模式[11]的分布。 第1 级和第2 级功分器的幅频特性和相频特性，见图3(c)和(d)。 可以看出，在整个BJ140型波导带宽内(12 GHz～18 GHz)，2 路功分器的分配损耗是-3.01 dB，图中各支路SN1(N ＝2，3)值与分配损耗的差值SN1-(-3.01)≥-0.1 dB，即为各支路插损，反射损耗几乎在所有频点上都优于20 dB，即S11≤-20 dB。 由于结构的高度对称，所以其幅相一致性也很好，这点从两支路的S 参数重合度可以看出，S32为两支路之间的隔离度，约有6 dB。

图3 第1 级和第2 级功分器仿真结果

第3 级是在第1 级和第2 级的基础上改造的一分四路波导-同轴型4 等分功分器。 其结构参数标注图和CST 环境下的电磁建模见图4 所示。 为方便与被合成元素集成，同轴特性阻抗选50 Ω。 同轴的介质材料选聚四氟乙烯，其相对介电常数εr为2.08，外导体内直径D 取4.1 mm，内导体直径d 取1.27 mm。这个四等分功分器的性能与图中的倒角Ch、探针深度Lt、探针距短路面距离Ls、同轴探针间距Bj有重要关系。 Ch初值取b/2＜Ch＜b，Lt初值取b/2，Ls初值取约四分之一波导波长，Bj初值取a/4。 支路波导臂长度Lz由工作波长和被合成元件尺寸决定，即，Lz的长度既要满足被合成元件的装配要求也要保证其微波特性。 固定下Lz后，对变量Lt、Ls、Ch和Bj进行优化仿真，可得到各结构参数的最佳尺寸。

图4 波导-同轴型4 等分功分器

优化仿真后的结果见图5 所示。 由图5(a)和5(b)15 GHz 下的电磁场矢量分布图，可以看出结构内部的电磁场模式以及能量分布情况。 电磁场模式由矩形波导端的TE10模式逐渐过渡到4 个同轴端口的TEM 模式。 这符合矩形波导和同轴传输线理论，可以断定仿真结果是可信的，并且可以观察到能量确实被等分了。 其他各频段的S 参数仿真结果见图5(c)所示。 由于结构的对称性，各支路的幅频特性是一致的，即S21、S31、S41和S51会重合在一起，图中用SN1表示；然而这种结构的相位却不同于前两级的情况，从图5(c)的相位曲线可以看出。 处于不同波导壁中的两个同轴支路相位相差180°，处于同一波导中的两个同轴支路相位一致。 从图5(a)和5(b)的电磁场矢量分布图中的电磁场振动方向也可以发现这一点。 另外，从图5(c)还可以观察到，反射损耗S11只有在12 GHz ～14.5 GHz 时表现略差，约为10 dB 左右，但也满足一般工程要求，在14.5 GHz ～17.5 GHz 时，S11≤-15 dB，表现较优。 4 路功分器的分配损耗是-6.02 dB，图中各支路SN1(N ＝2，3，…，5)值与分配损耗的差值SN1-(-6.02)，即为各支路插损，从图中可以看到从12 GHz ～18 GHz 范围，插损都优于0.2 dB，特别是在15 GHz～17 GHz 范围内时，更是优于0.1 dB。 另外从图中还可以观察到，第3 级比第1 级和第2 级频带宽度有所降低。 原因有两种:一是为了控制产品横向尺寸和整体重量而严格限制了波导臂的长度，在中间未加入过渡波导致使阻抗失配比前两级的大；二是为了装配简单，同轴探针没有采用端部加粗的方法进行带宽拓展。 如果对产品尺寸和装配成本要求不高的话，利用上述技术，在整个波导带宽内，同样也能做到优良的性能。

图5 第3 级4 等分器仿真结果

为了考察上述三级结构构成的16 路功分器整体性能如何，将三级子电路放在CST 设计工作室环境中进行级联仿真，原理图见图6(a)，其对应的三维结构如图6(b)所示。 此16 路功分器的S 参数仿真结果见图7 所示。 由图7(a)的幅频特性可以看出，因结构对称，各支路插损相同，且损耗很低。 16路功分器的分配损耗是-12.041 dB，图中各支路SN1(N＝2，3……17)值与分配损耗的差值，即为各支路插损，从15 GHz 到17 GHz，各支路插损SN1-(-12.041)≥-0.23 dB，反射损耗S11≤-14 dB；在16.6 GHz～17.3 GHz 范围内，各支路插损SN1≥-0.1 dB，反射损耗S11≤-20 dB。 因SN1＝-0.23 dB ＝0.948，S11＝-14 dB ＝0.04 代入式(1)[10]可计算出整个合成系统的无源合成效率η，

图6 CST 环境下三级功分器的联合仿真图

由图7(b)的相频特性可知与第3 级功分器情况类似。

图7 1 分16 路功分器仿真与测试结果比较图

3 实现过程

利用上述仿真优化得到最佳结构尺寸，采用高精度数控机床，将第1 级至第3 级结构做到一块金属上就构成了这个16 路功分器的整体结构，如图8 所示。该功分器系统尺寸为48 mm×214 mm×18 mm。

图8 16 路功分器照片

4 测试

功分器S 参数测试平台如图9 所示。 矢量网络分析仪左端口经同轴波导转换器与功分器的波导端口1 相连接，矢网右端口与功分器的其中一个支路相连，其他支路接匹配负载。 按此方法依次测试剩下的各支路S 参数。 整个S 参数的测试结果，见图7 仿真与测试结果比较图。 从14.5 GHz 到17.5 GHz 范围内各支路插损小于0.4 dB，即能量通过率约大于0.91。 反射损耗S11小于-12.5 dB，即能量反射率小于0.056。 在15.5 GHz 到16.5 GHz 这段频段内各支路插损小于0.3 dB，即能量通过率约大于0.93。 反射损耗S11小于-16 dB，即能量反射率小于0.025。 代入式(1)可得

图9 16 路功分器的测试平台

5 结论

从合成效率，结构尺寸和工作可靠性出发，提出了一种复合式功率合成系统的设计方法。 该合成系统第1 级和第2 级由二进制的矩形波导功分器构成；第3 级由矩形波导同轴探针型四等分功分器构成；此合成系统结构紧凑，合成效率高，热沉装配方便。 测试发现从14.5 GHz 到17.5 GHz 范围内，其无源合成效率可达90%以上。