一种新型六路功率分配合成网络的研究分析

【摘要】本文指出了在二进制功率的合成方式中存在的缺点，同时也给出了波导——微带探针过渡以及3dB分支波导定向耦合器的基本原理。介绍了改进型分支波导三路功率分配器，本结构有很多的优点，比如耗能低、驻波好、端口隔离度较高等等。对于目前合成方式中存在的缺点，介绍了一种新型的基于波导Ka频段六路功率分配合成网络，本结构的主要组成部分是3dB分支波导定向耦合器、改进型分支波导三路功率分配器以及E面波导——微带探针过渡。

【关键词】Ka频段；六路功率分配；合成网络；波导

在卫星地球站发射系统中，最关键的一个设备就是Ka频段固态功率放大器，它的主要作用就是借助于天线，把上变频器输出的Ka频段已调制过的信号放大到适当的功率发射给卫星[1]。由于Ka频段的每个功放芯片的功率都是有限的，所以必须通过功率合成技术进行在功率固态功的研制。功率分配合成网络在当前采用的大多是二进制功率合成的方式。但在实际的应用中，多级二进制功率合成方式有很多缺点，主要表现在：四路放大器合成功率不能满足全温范围内输出功率的要求；虽然八路放大器合成功率的余量比较大，可成倍增加的芯片数量也带来了很多影响，越来越高的耗电功率、过高的成本和不断增大的整机体积。对此，研制二进制功率分配合成器就成为了当务之急。在Rebollar等学者研究的分支波导三路功率分配器的基础上，进一步研发了分支波导三路功率分配器，且相位一致性也较好，也深入分析研究了六路功率分配合成网络[2]。

1.分析部件的基本原理

1.1 波导——微带探针过渡

在微波集成电路中，微波线是非常重要的一种传输形式，但就当前而言，矩形波导在于毫米波的测试系统和器件的接口中广泛应用，所以，在毫米波的单片集成电路与混合电路的检测以及在连接平面电路中，波导——微带转换器得到了普遍的利用，从而这两种传输线在匹配过渡时十分优良。与别的过渡方式比较，波导——微带探针过渡的优点非常显著：较小的回波损耗、频带覆盖的范围比较宽、较低损耗的插入、紧凑的结构以及便于加工。是当前波导——微带过渡形式作用最广泛的一种。

波导——微带探针过渡主要的形式有以下两种：(1)波导内电磁波的传播方向等同于微带平面的法向方向；(2)波导内电磁波的传播方向垂直于微带平面的法向方向。这两种形式采用了同种方法来把波导中的电场耦合到微带中去，即利用波导较宽一边中心的孔把微带探针插入到波导腔中，再在一段起耦合作用的探针下实现的。在矩形波导中，有一离过渡器1/4波长的短路活塞，它主要的作用就是保障在波导内探针始终在电场最强的位置，从而使耦合效率尽可能地达到最高。容性电抗是探针过渡显著的特征，在探针过渡器的后面串联着一段有感性电抗的高阻抗线，来使容性电抗得以消除，为了匹配于50的微带线的阻抗，还需要通过1/4波长阻抗变换器才可以[3]。

从整机的结构上分析，运用了E面波导——微带探针过渡的形式，在优化和仿真时采用的软件是HFSS，最终结果说明了在29～31GHZ的范围中，波导——微带探针过渡回波的损耗要比30dB好，插入的损耗要比0.1dB小。

1.2 3dB分支波导定向耦合器

在HFSS软件中按照算出的结果进行设计3dB分支波导定向耦合器的最初模型，并建立优化目标给予仿真优化。通过仿真可以看出，在29-31GHZ的范围中，本结构的两路幅度的不平衡度比0.1dB要小，回波损耗比20dB要好，端口2与端口3这两个输出端口的隔离度比18dB要好。

1.3 改进型分支波导三路功率分配器

分支波导三路功率分配器是由2个3dB分支波导定向耦合器进行直通路合并，在直通路两边2个耦合器的分布呈对称形状，如以图2(a)所示[6]。为了端口2、端口3和端口4这三个输出端口的幅度保持一样，可以优化调整分支波导的耦合孔尺寸得以实现。

如果只是保证了每个端口都具有相同的幅度，这在多路功率合成中是远远不行的，还要使每个输出端口的相位有较好的一致性，合成效率严重受到相位偏差大小的影响。端口3与端口4在直通路上呈对称状分布，相位肯定一样，为了使端口2和端口3与端口4的相位保持一样，直通口必须给予适当的相位补偿。在实际工程的应用中，弯曲了直通路波导，从而实现了3个输出端口在同一平面出现。

在HFSS软件中设计的最初模型中，通过进行优化仿真，最终得到的分支波导三路功率分配器的幅度优良，相位一致。从仿真结果中可知，在29-31GHZ的范围中，三路输出端口幅度的不平衡度比0.2dB要小，相位的不平衡度比4°小；三个输出端口间的隔离度都比20dB大，输入输出端口里的回波损耗都比18dB优良。

成功设计而成的改进型分支波导三路功率分配器，不仅使三路功率分配器的每个输出端口的幅度、相位保持一致得以实现，更使研制非二进制功率分配合成网络有了更坚实的基础。

2.六路功率分配合成网络的实现

3.结语

从一种新型六路功率分配合成网络的分析研究中得出，这种网络结构有很多的优点，比如较低的插入损耗、内部端口较高的隔离度、输入输出端口的驻波好以及加工简单等等[8]。给出了改进后的分支波导三路功率分配器，为了让3个输出端口的幅度和相位具有优良的一致性，对直通路波导进行了相位补偿，为以后研制非二进制功率分配合成网络打下了结实的基础。针对在多级二进制功率合成方式中存在的缺点，这种新型的六路功率分配合成网络给予了恰当的弥补，在毫米波功率的合成中，其实用价值更高，发展前景更广。

参考文献

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[2]雍爱平,唐璞,王建.基于带状线结构的一体化阵列天线设计[J].空间电子技术,2009,6(3):178-180.

[3]梁荣江,曹卫平.一种新颖的毫米波开槽波导空间功率合成网络[J].桂林电子科技大学学报,2008(04):130-132.

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[5]陈炜,曹必松,张晓平,魏斌,郭旭波,彭慧丽,金世超,张盈,卢新祥.基于H型谐振器的L波段宽带高温超导滤波器设计[J].低温物理学报,2009(02):220-222.

[6]纪新峰.X波段功率合成技术研究[D].电子科技大学,2011:12.

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[8]蒲大雁,李晓辉,徐军.一种基于磁耦合原理的毫米波矩形波导-微带过渡[J].微波学报,2010(06):160-162.

[9]李程,孙玉发.一种可用于卫星和空间的微波滤波器[J].无线电工程,2011(6):58-59.

作者简介：祝依飞（1982—），男，安徽池州人，2003年毕业于皖西学院应用电子专业，2008年获工学学士学位，工程师，现供职于中国电子科技集团公司第三十八研究所，研究方向：雷达微波传输线的研究和分析。

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