一种Ku波段微波相位均衡器的设计

杨林川，张德伟，周东方

(信息工程大学信息系统工程学院， 郑州450002)

0 引言

传统的发射技术是使用单支行波管进行射频放大，再由天线辐射出去［1］。受行波管性能的限制，传统发射技术已不能获得满意的发射功率。因此，现在的发射机常采用功率合成技术［2］，来获得更大的辐射功率，更强的多方位发射能力。功率合成的实质是矢量相加，当各矢量的幅度、相位改变时，相加后的矢量就会不同。以两路功率合成系统为例，如果两行波管的慢波结构具有相同的特性阻抗，当两合成矢量的幅度相等、相位差为0时，合成效率最大［3］;当相位失配达到60°时，合成的输出功率会降低20%以上。因此，有效控制两合成支路间的幅度差和相位差，可以得到比较理想的输出功率。减小幅度差可以通过幅度均衡器来实现，减小相位差可以通过相位均衡器来实现，本文的重点是设计一种Ku波段微波相位均衡器。

1 相位均衡器的设计

在功率合成系统中，相位均衡的具体实现方法是:在工作频带内测出一个行波管各频点的相移，将这个行波管的相移频率曲线作为基准，使用相位均衡器调整其他行波管各频点的相移，使得各路行波管放大器输出的相移基本保持一致，即实现了相位均衡。相位均衡器在功率合成系统中的具体位置，如图1所示。

图1 相位均衡器在功率合成系统中的位置

1.1 结构模型设计

全通网络在全频域内幅频特性恒定，其相移及群时延值按一定规律随频率变化［4］，适用于相位均衡器的设计。本文使用全通网络设计了一种相位均衡器，其结构如图2所示。

图2 微波相位均衡器结构示意图

图2中矩形波导谐振腔作为相位均衡器的主要组成部分，具有相移和选频的功能。微波信号从输入端进入环行器后，直接进入谐振腔，通过调节腔长及腔体上加载的导体柱，来实现对谐振频率和相移的调节。移相后的微波信号反射回环行器从输出端口输出，补偿行波管间的相位差，这样就实现了在特定频点上的相位均衡。

1.2 相移量理论分析

波导内导体圆柱的电磁特性分析是典型的非均匀性问题［5］。文献［6］采用矩量法，由柱体表面切向电场为零的边界条件来建立电场积分方程，使用脉冲展开函数与点匹配的方法进行求解，获得电流分布的数值解。求出矩形波导中的场分布及其等效电路，应用微波网络理论确定导体柱产生的相移。

如图3所示，在矩形波导内理想导体柱与宽边垂直，柱体的高度为 h，半径为 R，其轴位于(x0，y，0)。

图3 矩形波导中任意高度导体柱

假定波导内为均匀、无耗和各向同性的煤质，其尺寸只能传输主模TE10模，则电场只有y方向，表达式为

求解过程中，把导体柱等分为M段，每段的长度为Δl，Ij为第j段上的电流值。

由于导体柱是理想导体，忽略其损耗，且具有互易性和对称性，故导体柱的S参数为

于是，相移量就可以通过求解S21的相位而得到。

2 相位均衡器的仿真

使用电磁仿真软件HFSS对设计的相位均衡器进行仿真，波导的尺寸为:宽边a=15.8 mm，窄边b=7.9 mm，长度l=54 mm，仿真频率范围为12 GHz～18 GHz。从图4可以看出，电磁波从端口1进入环行器，从端口3输出，说明电磁波在矩形腔的终端发生了反射。

图4 相位均衡器仿真模型

2.1 加载单导体圆柱的仿真实验

如图5所示，当单导体圆柱的插入深度h=1 mm时，相移变化量的范围是-2.5°～-2.3°，其分布曲线在频带内的波动较小;h=2 mm时，相移变化量的范围是-41.7°～-22.3°。可见随着插入深度的增加，各频点的相移变化量相对于没插圆柱时不再恒定，而是随着插入深度和频率的增大而变大。因此，调节导体圆柱的插入深度，可以在不同频点产生不同的相移。如图6所示，半径r=2 mm时，相移变化量的改变趋势与r=1 mm时相似，而在插入深度相同的情况下，半径大的圆柱引起的相移变化量更大。

图5 加载r=1 mm单导体柱的相移变化量曲线

图6 加载r=2 mm单导体柱的相移变化量曲线

如图7所示，h=1 mm和h=2 mm时，插入损耗最大值是-0.35 dB，对信号幅度的影响较小，近似等效为全通网络。当插入深度h=3 mm时，在16.9 GHz～18 GHz频段内插入损耗超过了2 dB，将对微波发射链路的指标产生影响。图8中，导体圆柱的半径r=2 mm，与r=1 mm时相比，损耗更大。所以，为了减小插入损耗的影响，需要限制导体圆柱的插入深度和半径。

图7 加载r=1 mm单导体柱的插入损耗特性曲线

图8 加载r=2 mm单导体柱的插处损耗特性曲线

2.2 加载多导体圆柱的仿真实验

现加载三个导体圆柱，如图9所示，随着插入深度的增加，插损逐渐增大，当插入深度相同时，频率越高，插损越大。图10表明，随着插入深度的增加，相移变化量随之增大，且相移变化量曲线的波动性逐渐加大。

图9 加载三个r=1 mm导体柱的插处损耗特性曲线

图10 加载三个r=1 mm导体柱的相移变化量曲线

因此，改变导体圆柱的半径、插入深度和个数不仅能在不同频点产生不同的相移值，而且可以控制插损的影响。如果需要在宽频带内进行更高精度的相移调节，则需要在波导谐振腔上加载更多的导体圆柱，进行联合调试。

3 相位均衡器的实现与测试

图11为加工制作的相位均衡器，主体有五个环行器级联而成，每个环行器上可以级联一个矩形谐振腔。在单个腔上加载了三个微调螺钉，腔长和螺钉的插入深度可调。使用矢量网络分析仪对该均衡器进行了测试，从图12和图13可知，插入损耗相对于仿真结果有所增大，相移变化量曲线出现了较大的波动，且随着导体柱深度的增加和频率的增大，波动逐渐加大。这一现象是由接头及器件加工误差所引起的。

图11 矩形腔相位均衡器实物图

图12 矩形腔相位均衡器插损的仿真与测试对比

图13 矩形腔相位均衡器相移变化量的仿真与测试对比

4 结束语

本文设计了一种应用于Ku波段微波大功率合成技术中的相位均衡器。仿真结果表明，调节导体圆柱的插入深度和数量，可以使该结构在频带内的插损小于2 dB，近似于全通网络的特性。增加导体柱的个数或把均衡器级联起来，可以得到更大的相移调节范围。对加工的相位均衡器进行测试，结果与仿真存在一定的误差，主要是由接头及器件加工误差所引起的。

［1］ 王卫华，周章洪，江元俊.一种高功率小型化T/R组件发射通道的设计［J］.现代雷达，2005，27(7):54-56.Wang Weihua，Zhou Zhanghong，Jiang Yuanjun.Design of a transmitter channel for high power small-sized T/R module［J］.Modern Radar，2005，27(7):54-56.

［2］ 谢 宁，杨 军，随予行.脉冲行波管功率发射机功率合成技术的研究［J］.现代雷达，2007，29(9):87-88.Xie Ning，Yang Jun，Sui Yuxing.Study of pulse TWT transmitters power combining technology［J］.Modern Radar，2007，29(9):87-88.

［3］ 杨永辉，郑贵强.S波段2 kW连续波功率合成技术［J］.强激光与粒子束，2007，19(1):95-96.Yang Yonghui，Zheng Guiqiang.S-band 2 kW continuous wave power combining technology［J］.High Power Laser and Particle Beams，2007，19(1):95-96.

［4］ Hsu H T，Yao H W，Zaki K A，et al.Synthesis of coupledresonators group-delay equalizers［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2002，50(8):1960-1961.

［5］ 张江华，李福利，高昌杰.圆极化移相器相移特性研究［J］. 现代雷达，2002，24(4):79-81.Zhang Jianghua，Li Fuli，Gao Changjie.Research on phase shift characteristics of circular polarization phase shifter［J］.Modern Radar，2002，24(4):79-81.

［6］ Auda H，Harrington R F.Inductive posts and diaphragms of arbitrary shape and number in a rectangular waveguide［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1984，32(6):607-609.