8路宽带扩展同轴功分器

2016-09-07章勇佳钱兴成祝庆霖

电子与封装 2016年5期

关键词：功分器隔离度锥体

章勇佳，钱兴成，祝庆霖

（中国电子科技集团公司第55研究所，南京210016）

8路宽带扩展同轴功分器

章勇佳，钱兴成，祝庆霖

（中国电子科技集团公司第55研究所，南京210016）

利用同轴传输主模TEM的轴向对称性特点，根据扩展同轴功分器的设计原理，设计并研制了一款8路宽带同轴扩展功分器。利用高频电磁场仿真软件HFSS对电路进行了优化仿真，加工制备了功率合成系统电路实物，并对其进行了测试。仿真结果显示，在6～18 GHz的频带范围内，这种扩展同轴功分器的插入损耗小于0.65 dB，反射损耗小于-9 dB。验证了扩展同轴结构具有极宽的带宽、低差损、输出端口幅相一致性高的特点，在功率合成领域拥有广阔的应用前景。

功分器；扩展同轴；宽带

1　引言

半导体微波器件因其体积小、重量轻、寿命长、工作电压低、噪声性好、可靠性高、便于集成和维护等众多优点，在民用和军用领域得到广泛应用。同时，通信、雷达、电子战等应用环境对功率放大器提出了越来越高的功率需求和更宽的带宽要求，因此，研究宽带高效的功率合成技术就显得尤为重要［1～2］。

目前，比较常见的有平面一分二合成网络、波导合成器、径向合成等方案［3］。

一分二功分器包括两路wilkson功分器、分支线耦合器、Lange耦合器。它们的优点是结构简单，但随着合成路数、频率的升高，合成效率明显降低［4～5］。

波导合成器有很多种，如波导定向耦合器、魔T、波导E-T分支、Y分支、环行器等，其中波导定向耦合器和波导E-T分支最为常用［6］。

径向功率合成有多种合成结构。比如圆锥波导结构、径向线结构、径向波导结构和扩展同轴结构等。径向功率合成具有低差损、高效率的优点，得到了广泛的应用［7］。

近年来，扩展同轴被用于功率分配和合成在一些文献［8］中提及。本文分析了扩展同轴的S参数，根据扩展同轴功分器设计原理，成功研制了一款8路宽带（6～18 GHz）扩展同轴功分器。

2　结构与设计

2.1扩展同轴的结构

为了保持扩展同轴内电磁场分布的对称性，必须确保电路工作在TEM主模，或者是具有轴对称性的高次模情况。但是，当波导内出现高次模时，很难控制其工作模式，因此在一般情况下要防止高次模出现，只让电路工作在单模状态下。在设计扩展同轴波导结构时必须考虑对高次模的抑制，从而减小不必要的损耗，提高电路的合成效率。

对于扩展同轴合成结构来说，在输入端口的标准同轴接头与扩展同轴波导间必须采用特定的过渡结构以获得输入输出良好的阻抗匹配。曲线型锥体过渡实现方式有多种，如常见的指数渐变及契比雪夫渐变锥体等。同轴波导的内外半径大小可根据插入探针的数量来设计优化，从而满足需求。

功分器的工作频率和带宽主要由探针尺寸、探针匹配过渡段尺寸来决定。

图1　扩展同轴功分器设计图（图中只画了2个探针，略去其他6个）

2.2S参数的计算以及各参数的选择

图1中同轴渐变锥体过渡结构，是一种非均匀传输线。通过渐变锥体过渡可实现从标准同轴接头到扩展同轴波导的过渡，通过优化渐变锥体过渡结构使扩展同轴波导过渡产生的反射最小。对于渐变锥体过渡结构可采用TEM传输线的小反射理论进行分析［9］。

同轴锥形渐变结构可以看作互补的无损二端口网络［8］。当端口2匹配时，S11也即端口1的反射系数。

其中，β=2π/λg指无损同轴的传播常数。ZT（x）指同轴锥形渐变在x处的特征阻抗。相应的，端口1匹配时，

S21和S12的相位为：

此同轴锥形渐变结构的S参数为：

图2是此功分器的俯看示意图。

图2　功分器俯看示意图

根据扩展同轴阻抗计算理论以及参考相关资料的经验值，r1=1.6 mm，R1=3.7 mm，r2=13.6 mm，R2=15.8 mm，L1=5.3 mm，L2=36.8 mm，L3=11.4 mm，L4=5.72 mm。

需要优化的参数是L5、L6、r3、r4以及探针距离内导体的距离。经过HFSS优化之后，L5=6.6 mm，L6=5.3 mm，r3=1.1 mm，r4=0.75 mm。

3　仿真和实物测试

3.1电磁场仿真和S参数仿真

同轴波导TEM模电磁场的轴向对称性为构建N口功分器/合路器提供了理论依据。在满足一定的条件下，中心同轴探针能激励起TEM波。TEM波在沿轴向的过程中，遇到对称分布于同一半径圆周上的各支路探针时，它的能量就会被分与各个支路上。图3就是根据上述原理，在全波电磁软件HFSS环境下所构建的8路功分器电磁场仿真模型及标量电场分布云图。从图3的电场云图分布可以看出，各支路的电场强度确实是相等的。这说明上述分析是正确的。

S参数的仿真结果见图4。

仿真结果表明，输入端口反射系数S11＜-9 dB。

由图5看出，Sn1＞-9.65 dB，即各输出端口的插损小于0.65 dB。从图5的幅频关系可以看出，从6 GHz一直到18 GHz内，各支路振幅基本相同。

图3　电场分布云图（输入端口激励时）

图4　S11的仿真结果

图5　Sn1的仿真结果，n=（2，3，…，9）

3.2实物与测试

仿真结果表明，直线形锥体过渡与曲线形锥体过渡差异较小，为了便于加工，这里选用直线形锥体过渡。

对功分器采用矢量网络分析仪进行了测试。采用短路、开路、负载及直通校准技术，参考平面选取在用来连接矢量网络分析仪与功分器的电缆终端。对于这种结构的功分器，在SMA输入端口及输出端口间进行二端口测量，测试时八路功分器的其他7个端口与标准同轴匹配负载连接。

在矢量网络分析仪上测试结果见图7和图8。

图6　实物图

图7　S11实测结果

图8　S21的实测结果

从测试结果看，反射损耗小于-6.3 dB，各输出端口的插损在1.1 dB以内。

输出端口隔离度的测量见图9、图10。

图9　实测数据S34

相邻的两个输出端口隔离度大于7.4 dB。

图10　实测数据S48

相距最远的两端口隔离度大于8.7 dB，与仿真结果一致。

实测结果见表1。

表1　实测结果

其中，隔离度主要测试相邻端口（如端口3和端口4）和距离最远端口隔离度（如端口4和端口5）。图9、10和表1中，仅列出1组数据。

4　总结

本文根据扩展同轴传输主模的轴向对称性特点，提出了扩展同轴功分器的设计原理。设计并研制了一款8路宽带同轴扩展功分器。借助高频电磁场仿真软件HFSS对电路进行了优化仿真，根据优化后的最后结构尺寸，加工制备了功率合成系统电路实物，并对其进行了测试。仿真和实测结果表明，扩展同轴结构在功率合成中拥有的优势有：极宽的带宽，低差损，输出端口幅相一致性高。探针的装配位置以及过渡锥体输入端口的SMA接头对功分器性能影响很大。通过仔细调整探针位置，设计合理的SMA接头装配方式可以进一步提高功分器性能。降低反射系数，优化驻波比，提高相邻探针的隔离度是进一步工作的重点。

［1］党章，黄建，邹涌泉，等.Ku频段80W连续波空间功率合成放大器设计［J］.微波学报，2010，26（2）:64-69.

［2］骆新江，官伯然，陈宏江，等.32路X波段径向波导空间功率合成系统研制［J］.微波学报，2011，27（1）:56-58.

［3］KaiC，ChengS.Millimeter-wavepower-combining techniques［J］.IEEE MTT，1983，31:91-107.

［4］严君美.平面空间功率合成技术研究［D］.华南理工大学博士论文，2010.

［5］Drubin C A，Hieber A L.A 1 kW peak，300 W avg IMPATT Diode Injection Locked Oscillator［J］.IEEE，1982:126-128.

［6］郎建.Ku频段宽带高效功率合成放大器研究［D］.电子科技大学硕士学位论文，2012.

［7］王海龙.宽带径向功率合成器设计［J］.电子信息对抗技术，2011，4:64-65.

［8］K Song Q.Xue Ultra-wideband 12-way coaxial waveguide power divider with rotated electric field mode［J］.IET Microwaves，Antennas&Propagation，2011，5，Iss.5.512-518.

［9］宋开军.基于波导的微波毫米波空间功率合成技术研究［D］.电子科技大学博士论文，2007.

8-Way Wideband Oversized Coaxial Power Divider

ZHANG Yongjia，QIAN Xingcheng，ZHU Qinglin
（China Electronics Technology Group Corporation No.55 Research Institution，Nanjing 210016，China）

In terms of the axial symmetry of dominant mode TEM in the coaxial waveguide，a 8-way wideband oversized coaxial power divider is designed and fabricated，based on the design principle in this paper.High frequency structure simulator HFSS is used in the circuit simulation and optimization，and the power divider is fabricated and measured.The simulated results show its insertion loss is better than 0.65 dB and the return loss is below-9 dB.It proves that the oversized coaxial structure has can be widely used in the power synthesis field，featuring wide bandwidth，low insertion loss，good balance of amplitude and phase at output ports.

power divider；oversized coaxial；wideband