一种隔离度好的一分三同相波导功分器研究

2022-11-21卢小娜乔得琢

无线互联科技 2022年18期

卢小娜，乔得琢

(1.中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄 050051；2.石家庄电子信息学校，河北石家庄 050051)

0 引言

随着微波毫米波技术的发展，超大功率固态放大器得到广泛应用。超大功率固态放大器具有体积小、供电电压低、使用寿命长和维护成本低等特点，但其输出功率有限，为获得更大功率输出，往往需要高效功率合成技术，以实现超大功率输出。传统的微带合成有一个明显的缺点就是随着合成路数的增加，微带合成电路体积增大，合成损耗会迅速增大。因此，微带合成的路数通常会被限制在8路以内。空间功率合成技术应运而生，蓬勃发展。波导功分器相对微带线、带状线等传统微带电路，具有损耗小，承受功率大等特点，在空间功率合成中广泛应用[1]。采用二进制的合成方式可以实现数十路、上百路的功率合成，尤其在Ku以下的频段，波导合成损耗几乎可以忽略不计。目前，国内通过波导二进制的合成方式已经可以实现千瓦级的功率输出[2]。

由于实际需求的多样性，单纯二进制的合成方式已不能满足工程需要，奇数路合成技术得到不断发展。目前，常见的一分三波导功分器多采用E面T型结或波导分支线电桥，等分与不等分结合，得到三路等分输出[3]。一般基于E面T型结的波导功分器，类似于不加隔离电阻的微带Wilkinson 功分器，输出端口之间隔离度较差。波导分支线电桥有专门的隔离端，可以实现输出端口的隔离，但输出端口有90°的相位差，并且带宽受限[4]。本文基于E面T型结设计了一种隔离度较好的一分三同相波导功分器，经过实际验证，在12～15 GHz频率范围内，具有较好的插入损耗和隔离度。

1 E面T型结一分三波导功分器

常见的E面T型结波导三路功分器如图1所示，采用标准波导，利用E-T结构，将二路等功率分配器与二路不等功率分配器级联，构成三路等功率分配器[5]。射频信号由端口1输入，经第一级E-T结构分成两路等幅度的信号；然后由第二级两个2∶1功率分配器将信号分成四路，幅度之比为2∶1∶1∶2；中间两路信号通过合路器合成一路信号，另两路信号则直接输出，最终输出三路幅度和相位一致的射频信号，完成输入信号的等功率分配。

基于上述结构，本研究设计Ku频段的等分E-T结和不等分E-T结。为了机加工实现的可操作性和实用性，等分E-T结中间的波导缺口设置为矩形，如图2所示，通过调节缺口的宽度和深度,可以优化输入端口的回波损耗；不等分E-T结中间的波导缺口设置为矩形组合，如图3所示。调节缺口的宽度、深度和形状，可以得到任意的分配比例。

图2 等分E-T结仿真模型

图3 不等分E-T结仿真模型

两个等分E-T结和两个不等分E-T结级联组合，设计出Ku频段E面T型结一分三波导功分器如图4所示。仿真电场云如图5所示。可以看出，输入信号在第一个T型结一分为二，在进入输出波导前，输出2波导与输出3波导之间、输出3波导与输出4波导之间，信号被不等分为两路，分配比例为2∶1。最后两路较小功率支路合成一路由输出3波导输出，实现了三路等分输出。

图4 Ku频段一分三波导功分器仿真模型

图5 Ku频段一分三波导功分器电场云

通过仿真可以得出，该功分器在12～15 GHz频率范围内，输入端回波损耗小于-15 dB，插入损耗小于5 dB，相位相差在15°以内，输出端口2与输出端口3之间、输出端口3与输出端口4之间有一定隔离，隔离度在-9～-10 dB，但是输出端口2和输出端口4之间基本无隔离。

2 变异E面T型结一分三波导功分器

某些改进的结构，在T型结中引入电阻膜片，实现输出端口的隔离，但是一般功率容量较小，并且受机加工精度影响较大[6]。在T型结中引入匹配端口，构成一种基于E面T型结的变异四端口网络，通过适当设计，既不影响T型结原有的结构和性能，也可实现输出端口间的隔离，并且可根据功率需求选择不同的负载形式，如图6所示。

图6 变异E面T型结模型

将变异T型结应用到Ku频段一分三波导功分器，建立如图7所示仿真模型。和变异前的仿真数据进行对比，在12～15 GHz频率范围内，输入端回波损耗、插入损耗、相位差、输出端口2与输出端口3隔离、输出端口3与输出端口4隔离，基本一致。输出端口2和输出端口4之间的隔离大幅提高，隔离度在-18 dB以下。

图7 Ku频段变异一分三波导功分器仿真模型

3 实际验证

采用上文提出的变异一分三波导功分器，研制了Ku频段12路波导功分/合成网络，经过实际验证，在12～15 GHz频率范围内，输入端回波损耗小于-15 dB，插入损耗小于11.5 dB，相位相差在18°以内，输出各端口隔离度小于-18 dB。将该12路波导功分/合成网络应用于Ku频段24路合成功放，如图8所示，在3 GHz带宽内，实现连续波功率输出500 W，增益60 dB，效率21%。