一種波導(dǎo)功分器的研制

　　張志鴻，衛(wèi)?明（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江?嘉興?100048）

　　摘?要：功率分配器是決定功率放大器合成效率最關(guān)鍵的器件之一。本文設(shè)計(jì)的功率分配器采用3 dB多枝節(jié)耦合器形式實(shí)現(xiàn), 該器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在14 GHz~16 GHz頻段范圍內(nèi)具有低插損、高隔離等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)仿真軟件HFSS對(duì)該器件進(jìn)行了建模仿真，并加工出實(shí)物，實(shí)際測(cè)得該功分器輸入端的回波損耗小于-19 dB，兩輸出端口間隔離度大于15 dB。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)吻合度較高，性能良好。

　　關(guān)鍵詞：功分器；定向耦合器；Ku波段

　　0 引言

　　功率分配器是一個(gè)重要的微波無(wú)源器件，廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)以及電子戰(zhàn)等電子系統(tǒng)中。近年來(lái)，在系統(tǒng)需要的牽引下，功率分配器正朝著寬頻帶、低插損以及高功率方向發(fā)展。傳統(tǒng)的微帶傳輸線功分器(如威爾金森、分支線電橋、環(huán)形電橋等)，Q值低，易實(shí)現(xiàn)寬帶，但具有損耗大、功率容量小等缺點(diǎn)。基于波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)的功率分配器(如H面T分支、E面T分支、魔T等)損耗小于普通的平面?zhèn)鬏斁€，具有功率容量大等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于高功率場(chǎng)合 ^[1] 。它們都是通過(guò)在波導(dǎo)內(nèi)加上額外的匹配元件來(lái)抵消波導(dǎo)不連續(xù)性所帶來(lái)的影響，從而實(shí)現(xiàn)匹配的。但HT和ET由于是三端口器件，無(wú)法做到完全匹配，實(shí)現(xiàn)較高的端口隔離度較難 ^[2] ，魔T則由于空間限制，對(duì)于某些有空間要求的電路并不適用。本文介紹了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)的多枝節(jié)波導(dǎo)耦合器結(jié)構(gòu)用作功分器，并給出了其在HFSS中的仿真結(jié)果和實(shí)物測(cè)試結(jié)果。

　　1 工作原理

　　本設(shè)計(jì)中的3 dB多枝節(jié)波導(dǎo)定向耦合器模型如圖1所示，其中，1端口是輸入端；2端口是輸出端口；3端口是耦合端口；4端口是隔離端口。由于耦合度為3dB，因此當(dāng)信號(hào)從1端口輸入時(shí)，2端口和3端口的輸出信號(hào)幅度是一樣的，4端口沒(méi)有信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)了功分器的功能。

　　本設(shè)計(jì)中采用五孔耦合的模型，如圖1所示。由于多分支波導(dǎo)定向耦合器的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，因此可以以對(duì)稱面為界,利用奇偶模理論對(duì)如圖1所示的五孔3dB定向耦合器進(jìn)行分析，忽略節(jié)效應(yīng)，當(dāng)波導(dǎo)吸收負(fù)載端口和波導(dǎo)輸入端口為偶模激勵(lì)時(shí),對(duì)稱面上為電壓波腹點(diǎn),此時(shí)該耦合器可被分成為以對(duì)稱面為界的兩個(gè)相互獨(dú)立并且相同的二端口網(wǎng)絡(luò)。在此不妨假設(shè)這5個(gè)分支線的長(zhǎng)度均為λ/4,各個(gè)分支線之間兩兩相隔λ/4，中間3個(gè)分支線相對(duì)于主波導(dǎo)的等效特性阻抗均為а,最外面兩側(cè)分支線相對(duì)于主波導(dǎo)的等效特性阻抗均為c。則該二端口網(wǎng)絡(luò)偶模等效電路如圖2所示,奇模等效電路如圖3所示。

　　二端口網(wǎng)絡(luò)的偶模等效電路的總歸一化為：

　　為了簡(jiǎn)化，用A、B、C指代上述方程式。同理，二端口網(wǎng)絡(luò)的奇模等效電路的總歸一化為：

　　將參量轉(zhuǎn)換成S參量，即可得到奇偶模的反射系數(shù)和傳輸系數(shù)分別為：

　　理想情況下，4端口作為隔離端口輸出為0，輸入端口1端口沒(méi)有反射。即：

　　由 式 （ 7 ） 可 得 ？ 由 式 （ 3 ） （ 4 ） 可 得 ，B=C。即：

　　作為功分器，則有，即：。通過(guò)式（3）（4）可得：

　　即：，再結(jié)合式（8）可得出a和c的一個(gè)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用仿真軟件對(duì)該功分器進(jìn)行建模和仿真。

　　2 仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)前文的分析，本設(shè)計(jì)中采用的也是五孔耦合方式。采用HFSS仿真軟件建模仿真，仿真模型如圖4(a)所示，然后對(duì)模型進(jìn)行仿真優(yōu)化。通過(guò)改變5個(gè)孔的尺寸以及孔與孔之間的孔距來(lái)改變耦合器的各項(xiàng)性能。

　　在仿真和優(yōu)化過(guò)程中，5個(gè)孔的尺寸以及孔與孔之間的孔距涉及到較多的變量，使得仿真優(yōu)化的計(jì)算量過(guò)大，耗時(shí)較長(zhǎng)。因此將模型簡(jiǎn)化，將5個(gè)孔的尺寸設(shè)為一致，各孔間的孔距也設(shè)為一致，這樣提高了仿真優(yōu)化的效率，大大壓縮了仿真的時(shí)間。

　　通過(guò)仿真優(yōu)化出一組最符合指標(biāo)要求的尺寸后，我們按照該尺寸對(duì)模型進(jìn)行加工。耦合器采用鋁實(shí)現(xiàn)，為增加加工精度，以波導(dǎo)寬邊的中心點(diǎn)為剖面，將耦合器分為兩個(gè)部分進(jìn)行加工。耦合器的示意圖如圖4（b）所示。為了減少耦合器的插損，并綜合成本考慮，將鋁的表面鍍銀。

　　隨后對(duì)耦合器進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

　　圖5（a）為多枝節(jié)波導(dǎo)定向耦合功分器S ₂₁ 和S ₃₁ 的仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比。從圖中可以看到，仿真數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)比較吻合度較高。S ₂₁ 測(cè)試數(shù)據(jù)在2.4 dB~3.4 dB之間，不平坦度約為1 dB。S ₃₁ 測(cè)試數(shù)據(jù)在-2.9 dB~-3.9 dB之間，不平坦度約為1 dB。從圖3(a)的數(shù)據(jù)可以看出，該多枝節(jié)波導(dǎo)定向耦合功分器并不能單獨(dú)作為功分器或者合成器在電路中使用，需要配對(duì)的分配合成網(wǎng)絡(luò)中使用。

　　圖5（b）為多枝節(jié)波導(dǎo)定向耦合功分器S ₁₁ 和S ₂₃ 的仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比。S ₁₁ 的仿真數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果吻合度高，測(cè)試結(jié)果顯示S ₁₁ 基本上在-20 dB以下，性能良好。而S ₂₃ 仿真數(shù)據(jù)在-20 dB以下，但實(shí)測(cè)結(jié)果在-15 dB~-20dB之間，有一定的差距。

　　3 結(jié)果分析

　　從前面的實(shí)物測(cè)試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比可以看出，S ₁₁ 、S ₂₁ 、S ₃₁ 等指標(biāo)，仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合，但是S ₂₃ 實(shí)測(cè)和仿真數(shù)據(jù)有一定差距。S ₂₁ 、S ₃₁ 仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)相同，吻合度相當(dāng)高，這也保證了S ₁₁ 的仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。S ₂₃ 即2、3端口隔離度仿真數(shù)據(jù)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)高5 dB~6 dB，有一定的差距。分析造成這一結(jié)果的原因有以下幾點(diǎn)。①加工原因，加工存在的誤差、腔體的光潔度不夠，都能使得仿真和實(shí)測(cè)不相符；②仿真設(shè)計(jì)因素，由于仿真軟件的原因或者參數(shù)設(shè)置問(wèn)題，導(dǎo)致仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)本來(lái)就存在一定的誤差。

　　本設(shè)計(jì)對(duì)仿真和加工精度要求較高，當(dāng)實(shí)物完成加工后，缺少有效的調(diào)試手段，對(duì)耦合器進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)，優(yōu)化性能。在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，考慮在開孔處加入調(diào)諧螺釘，加強(qiáng)性能的可調(diào)性。

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　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第47頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。