毫米波卫星通信频段功率合成器的研究

杨 强，李栋贤

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄 050051)

0 引言

随着速率、带宽和传输质量等通信要求日益提升，毫米波频段已成为卫星通信发展的必然趋势。尽管毫米波卫星通信系统在带宽资源和视距特性等方面优点显著，可用度却受环境条件的影响很大。研究及应用表明:诸如雨衰等因素会造成信号电平的严重下降，恶化通信质量甚至中断线路，因此保证足够的功率备余对提高通信链路可用度而言至关重要［1］。

通信发射设备输出电平能力是通过功率放大器实现的，随着工作频率的上升，单个器件可提供的输出功率能力相应降低，进而制约了系统的发展，如何制作结构紧凑、损耗低的高效合成器成为提升毫米波系统功率备余的重要研究课题［2］，是国内外竞相研究的热点。

固态电路传输线常用形式为微带、同轴和波导，相对前者，波导具有低损耗和高功率容量特性，广泛应用于毫米波功率合成器的设计［3－5］。

1 方案设计

1.1 合成器形式选择

波导合成器主要形式为4端口电桥网络和3端口功分网络［6－8］。具有隔离端口的电桥用于合成时，支路之间能实现良好的隔离度，更易实现功率分配的平衡性和支路之间的相位一致性。实际使用时，某一支路失效，另一分支仍能独立正常工作，因而更具工程实用性［9－11］。

3dB波导分支耦合器是一种典型的4端口电桥网络，其原型是一对共用开槽宽边的矩形波导，这种基于小孔衍射理论和相位迭加原理的多孔定向耦合结构［12］，当能量通过任一波导的任一端口馈入时，在另一波导内由于小孔耦合机理将产生能量激励，通过调整公共臂上耦合孔的尺寸与间距就能够实现等功率输出。

基于3dB波导分支耦合器工作原理，设计了4路和8路等分结构及相应的合成器形式。

1.2 合成器建模及仿真

在三维电磁仿真软件中建立波导分支4路等分结构，针对插入损耗和端口驻波，以及平衡性和隔离度等主要技术参数要求进行优化，设计原型及仿真结果如图1所示。仿真表明，频率在29～32 GHz，支路间的幅度不平衡度≤0.3 dB，各端口的驻波均优于20 dB，支路间隔离度≥18 dB。将一对四等分结构进行合并，作为合成器的无源电路模型，其背对背的插入损耗≤0.5 dB，输入输出端口驻波优于－15 dB。

图1 4路合成结构及仿真结果

鉴于4等分结构良好的设计效果，借助于3 dB波导分支耦合器变易的单元扩展特性，在4路等分结构的基础上，进一步将一个3 dB波导分支耦合器连接2个4路等分结构，从而构建出8路的等功分结构，完整的合成器无源电路设计模型如图2所示。

图2 8路合成结构及仿真结果

采用三维电磁仿真软件进行仿真，结果表明，频率在29～32 GHz，合成器的背对背插入损耗≤0.7 dB，输入输出端口驻波优于－14 dB。

1.3 关键技术

上述仿真模型中，共用开槽宽边所开耦合槽数量取定为5个，理论分析和电磁场仿真均验证了耦合孔隙数量、大小及相互间距对于合成器性能的之间影响，在进一步进行功分支路的扩展设计过程中，公共支臂上所开耦合槽数量的影响表现尤为明显:当耦合孔隙数量减少至4个以下时，为维持等支路等功分比效果仍在A±0.5 dB范围内(其中A为等分比典型值，如2等分时A为3 dB)，4路合成结构工作带宽将缩短至仅有1 GHz，而8路合成器的工作带宽则锐减至仅有300 MHz。

需要指出的是，较多的耦合孔隙虽然能够改善合成结构的工作带宽，并实现宽带内良好的幅度平衡性，但对于机械加工实现而言是非常不利的，实际工程应用时，较多的狭窄缝隙还使得合成结构在应用于合成传输高功率能量时容易引发打火现象，为功率系统的可靠性造成隐患，因而进行功分支路扩展设计时，需注意权衡工作带宽要求与缝隙的可加工实现方式。

2 性能测试

根据仿真模型和优化结果，实际设计并制作了一款4路合成器，采用5缝隙进行能量耦合分配，输入输出端口均采用标准的波导法兰形式BJ320。4路合成器的外观形式呈十字状，如图3所示，合成器所占总空间≤80 mm×80 mm×30 mm，合成结构的隔离端口集成安装有波导匹配负载，实际使用时，功率放大器单元将依次安装在十字状所隔开的4个像限空间内，大面积与合成器表面贴合。

图3 4路合成器实物外观

采用该种合成结构进行有源合成，不仅结构紧凑合理，空间利用率高，而且通过对功率单元在空间上进行分布，能够将热源合理分散，使得合成器作为功率单元传热结构，并能最大化实现这种散热效果，因而对功率系统而言，该合成结构是一种具有非常高效散热效果的合成器。

采用Agilent N5230A矢量网络分析仪，用双端口校准方式校准仪器，再通过连接波导—同轴转接器，采取直通校准的方式校除去测试转接器的插入损耗后，对所加工的4路功分—合成结构进行S参数测试，矢量网络分析仪测试结果如图4所示。

图4 4路合成结构的测试结果

实测结果表明，频率在29～32 GHz，4路功率合成器的背对背插入损耗≤1.8 dB，输入输出端口的回波损耗均≤ －14 dB;其中频率在29.4～30.6 GHz，4路合成器的背对背内插入损耗≤1.4 dB，最低损耗值约为1.1 dB，输入输出端口的回波损耗≤－17 dB。

3 测试结果分析

将实测曲线与仿真结果进行对比不难发现，实测与仿真在设计频带内基本吻合，但实测得到的插入损耗比仿真的结果略高出0.5～1 dB。结合工程经验进行分析，导致损耗增大的原因主要来自于以下2个方面:

①4路合成器的研制目标为3 dB波导功分结构的基本特性试验和支路扩展的机械可加工性验证，因此合成器采用了铝合金材料制作样件，制备的过程中为了缩短加工周期，合成器腔体金属表面仅进行了原色氧化，没有进行金、银等镀涂处理，导致加工件的波导内壁表面光洁度较差，远达不到波导内壁▽0.8的标准要求，由于工作频率较高，趋肤效应的影响明显，直接导致了传输损耗的增大。

②限于没有足够的测试配件波导负载，自行设计制作了一些波导负载单元，对其进行匹配性能验证时，在合成器工作频段范围内，负载的回波损耗约在－12 dB左右，匹配性能一般，这也可能会引起输入输出测试端口的隔离性能变差，进而导致功分支路的等分特性发生变化，进而影响合成效率。

4 结束语

针对毫米波卫星通信频段的应用，设计并制作了一种4路功率合成器，具有较好的插入损耗性能、良好的端口匹配和支路间隔离特性。合成器所固有的金属波导结构使之不仅具有较高的功率承载能力，同时还可以起到良好的散热作用;此外，仿真和实测均表明了该种合成结构具有实用化程度较高的功分支路扩展能力。基于已开展的设计和实验验证工作，将进一步完善该合成器的物理结构，并系统化设计配套使用的E-H面模式转换器、驱动电路及有源放大器功率子单元电路和供电系统，以期最终实现一种高效的毫米波功率合成系统。 ■

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