一种新型Ku频段三路功率分配/合成网络

陈冠军,景新攀,魏 伟,王 雷，张乃柏

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄 050081;2.中国人民解放军32039部队,北京 102300)

Ku频段功率放大器处于卫星通信系统地面站上行链路末端，其作用是将上行射频信号进行线性功率放大到合适的功率，然后通过天线发射给卫星[1]。在Ku频段单支功率放大器芯片输出功率只能达到30 W量级，为了得到更大的通信速率往往需要较大的功率输出，功率合成技术成为了必需的技术手段。功率分配/合成多采用二进制(2n)功率合成方式，而在实际工程应用中，多阶二进制功率合成方式存在局限性。例如：采用30 W输出的功率芯片通过功率合成方式得到150 W的功率输出时，4支芯片进行功率合成时功率输出小于目标值；8支芯片进行功率合成时功率输出余量过大，翻倍的芯片数量导致功率放大器功耗过高、结构尺寸更大、研制成本更高。

为了解决以上问题，提出了更加灵活的三路功率分配/合成技术。文献[2]提出了正弦平方曲线为渐变的平面微带线结构的三路功分器，实现了更优的驻波特性；文献[3]提出了一种链式波导功率分配结构，实现三路平衡输出，具有低插损、功率容量大等优点；文献[4]在波导分支定向电桥的基础上提出了一种六端口的三路功分器，解决了分配/合成器的相位一致性问题；文献[5]提出了一种对称式采用H面波导结构的三路功率合成网络，但该结构插损与驻波特性并不理想。

为实现灵活高效的功率合成，从工程实际角度出发，本文提出了一种采用波导形式完全对称的三路功率分配/合成器。在结构上，对称式结构更加有利于功放机箱内部的布局；在性能上，通过加入不对称感性柱来实现阻抗调节，使该结构具有更低的插损、较好的驻波特性以及更高的功率容量，合成效率高于同类产品。此外，通过该结构与传统二进制分配/合成器相结合的形式可实现2n×3m路功率合成，可以更加合理灵活地进行芯片数量选择。

1 理论分析

在以往设计中，常见结构的三路功率分配/合成器结构有平面微带结构、波导电桥结构、链式结构等[5]。平面微带功分器结构具有体积小、便于集成等优点，但插损较大、功率容量低，不适用于大功率合成的应用场景[6]。波导分支耦合电桥结构具有较低插损、大功率容量、高隔离度等优点，但在实际应用中需要进行相位补偿来保证合成效率，此外该结构隔离端口需要接功率负载，这会造成该结构体积较大[7-8]。链式功分器为非对称结构，不利于工程应用中的机箱整体布局。

而本文所述的对称式三路功分器是在波导E-T节功分器的基础上进行改进的。首先对E-T节功分器进行分析。波导E-T节功分器可以看成是一种无耗三端口网络[9]，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，结构示意图如图1所示。

图1 波导E-T节功分器结构Fig.1 Structure of E-T waveguide power divider

当射频信号从端口1输入时，信号将从端口2和3等幅反相输出；当信号从端口2和3反相激励时，则在端口1合成输出最大；而当同相激励端口2和3时，端口1将无输出。由此可得波导E-T节功分器的S参数[10-11]：

(1)

假设端口1,2为正常输入输出端口，端口3短路，这样可以得出3个不同的两端口网络，其散射参数矩阵为

(2)

式中：SⅡ代表把E-T节1个端口短路之后得到的2端口结构的S参数矩阵。上面所求出的2端口S参数矩阵与3端口S参数矩阵有如下关系[12-13]：

(3)

(4)

为了实现端口2,3的功率输出为x/y的不等功分输出[14]，应有：

(5)

通过求解式(1)—式(5)组成的方程组，可求得3端口网络的S参数矩阵中所有元素的值。

2 建模及电磁特性仿真

在上述理论分析的基础上利用三维高频电磁场仿真软件HFSS进行建模仿真，为了实现E-T节不等公分，在T分支中间位置加入感性柱的方式有效抵消串联分支带来的电抗分量[15]，并实现阻抗调节。此外，带内存在谐振点，通过加入感性柱并调节感性柱位置将谐振点移出所需频带。功率分配示意如图2所示，在HFSS中的三维模型如图3所示。

图2 射频功率分配示意图Fig.2 Power divider diagrammatic sketch

图3 对称式三路功率分配合成器结构图Fig.3 Structure diagram of symmetrical three-way power divider/combiner

射频信号由E-T节功分器等分为两路，两路信号再分别进行比例为2∶1不等分，其中大功率的两路信号分别由2，4端口输出，小功率的两路信号由E-T节功分器合成在3端口输出。仿真时，调节不等分E-T节中波导分支缝隙宽度来实现2∶1不等分。

对称式三路功率分配合成器幅度仿真结果如图4所示，从仿真结果可以看出，在频率范围13.75～14.50 GHz内合成端口回波损耗大于20 dB，各个输出端口间幅度差小于0.5 dB，端口隔离度高于9.4 dB。

图4 三路功率分配合成器幅度仿真结果Fig.4 Amplitude simulation results of three-way power divider/combiner

图5 三路功率分配合成器相位仿真结果Fig.5 Phase simulation results of three-waypower divider/combiner

幅度平衡度良好保证了在功率合成/分配时的各端口信号能量大小一致，而相位一致性对功率合成效率同样有较大影响，从图5相位仿真结果可以看出，三路功率分配合成器两侧输出端口相位差小于0.1°，中间路输出端口与两侧输出端口相位差约为180°。这样在由三路功分器输出的三路信号再次进入合成网络进行合成时，三路信号的相位差可使功率合成效率最高。由此可见，该结构的相位一致性良好，满足合成要求。

进行功率合成时，往往用2支三路功率分配器背靠背连接，因此对其背靠背结构进行设计与仿真。背靠背三路功率分配/合成器的三维结构和仿真结果分别见图6和图7。

图6 背靠背三路功率分配/合成结构图Fig.6 Structure diagram of back to back three-way power divider/combiner

图7 背靠背三路功率分配/合成器仿真结果Fig.7 Simulation results of back to back three-way power divider/combiner

背靠背结构性能主要体现在回波损耗与传输损耗2个指标上，由仿真结果可见，在频带内有2个谐振点，大部分回波损耗大于20 dB，低频端回波损耗较小，但仍大于16 dB，满足工程使用要求。传输损耗在频带内小于0.2 dB。传输损耗是影响功率合成效率的最主要指标，插损越低合成效率越低，因此根据仿真结果可以得出，该结构的合成效率约为95%，可用于高效的功率合成。

3 实物测试

根据以上的仿真模型尺寸，对三路功率分配合成器进行实物加工。整体结构采用铝材，表面工艺为本色导电氧化，并进行镀银处理。波导腔一般由铣刀铣出，因此采用上下腔分离，并由螺钉固定。实物图见图8。

图8 三路波导功率分配/合成器实物图Fig.8 Photo of three-way waveguide power divider/combiner

三路功率分配/合成器的三路之间的隔离度测试结果见图9，1端口和2端口与3端口的隔离度分别大于7，9 dB，这在进行功率合成时，当其中一路出现故障时，对其他两路影响较大。在实际应用中三路功率分配/合成器往往为背靠背使用，因此测试其背靠背性能。将2支三路功率分配/合成器通过螺钉背靠背固定，使用矢量网络分析仪进行传输损耗和端口回波损耗测试，测试结果见图10。

图9 三路波导功率分配/合成器隔离度测试结果Fig.9 Isolation test results of three-way waveguide power divider/combiner

图10 三路波导功率分配/合成器背靠背测试结果Fig.10 Test results of back to back three-way waveguide power divider/combiner

由测试结果可见，传输损耗小于0.1 dB，S11曲线实际测试相较仿真向高频端进行偏移，但整体回波损耗大于13 dB，这是加工精度引起的可接受的误差，其他测试结果与仿真结果基本保持一致。与其他文献三路波导功率分配/合成器的参数对比见表1。

表1 三路波导功率分配/合成器性能参数对比表Tab.1 Comparison of performance parameters of three-way waveguide power divider/combiner

由表1可见本文提出的完全对称式三路功率合成网络合成效率大于97.7%，具有最低的传输损耗、最高的合成效率，此外与传统分支波导、三路波导功率分配/合成器[3]相比不需要额外的相位补偿链路；与链式三路功率合成形式[4]相比，具有完美的对称性，更有利于功率放大器的整机布局；与采用H面波导结构的三路功率合成网络[5]相比，具有更低的传输损耗与更优异的驻波特性。

综上，该结构具有插入损耗低、小体积、频带宽、幅度相位一致性好、易于加工等优点，是一种性能优异的三路功率分配/合成网络。

4 结 语

采用波导E-T节不等功分结构，设计并实现了一款新型Ku频段三路功率分配/合成网络，突破了传统二进制合成方式只能进行2n路功率单元合成的局限，结构简单易于加工，不需要额外的相位补偿电路。通过实物测试，单支分配/合成器隔离度大于7 dB；进行背靠背合成时，传输损耗小于0.1 dB，回波损耗大于13 dB，合成效率高于97.7%。本文提出了采用感性柱进行调节匹配，且完全对称结构形式的功率分配/合成网络，性能更加优异，更有利于功率放大器的机箱布局。该结构工作频率可以拓展至毫米波频段，在固态功率合成方面有广阔的应用前景。

该款三路功率分配合成网络的各支路隔离度不够，因此下一步工作将着重于隔离度的提升，并基于该款分配合成网络进行高隔离度的三路功率分配合成网络设计。