微波功率合成網(wǎng)絡(luò)及其仿真設(shè)計(jì)

王樹梅 周惠忠

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225127）

1 功率合成網(wǎng)絡(luò)簡介

在進(jìn)行高功率微波放大器時(shí)，如果單個(gè)功放芯片輸出功率達(dá)不到要求，可以采用功率合成的方法對(duì)多路進(jìn)行合成，使得最終輸出功率滿足指標(biāo)要求。功率合成技術(shù)目前主要有管芯合成、電路合成以及空間合成三種。

管芯合成是把多個(gè)管芯聚集在長度比波長小的區(qū)域上，然后加上輸入匹配電路和輸出匹配電路，以獲得較大的輸出功率。管芯功率合成的概念最早是由Josenhans提出的，其最大的好處是耗費(fèi)功率較小，但是隨著頻率的升高，芯片尺寸的限制和芯片之間的相互影響限制了能夠合成的二極管的最大數(shù)量。

電路合成技術(shù)是通過功率合成器把兩個(gè)和多個(gè)功率管放大器組合在一起，以獲得較大的輸出功率。它的優(yōu)點(diǎn)是各功率單元間的相互影響較小，調(diào)整方便，匹配性能好。

空間功率合成是20世紀(jì)80年代提出的一種毫米波功率合成方法，但它被人們所重視并加以研究卻是在80年代后期和90年代?？臻g功率合成技術(shù)主要分為四類，即：由W.Lothar等人提出的準(zhǔn)光功率合成技術(shù)，由K.Chang、T.lton等人提出的自由空間波功率合成技術(shù)，由Amir Mortazawi等人提出的采用開槽波導(dǎo)的自由空間功率合成器以及由A.Alexanian和R.A.York提出的波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成技術(shù)。

在具體功率合成器的選擇方面，考慮到功率容量、頻帶寬度、實(shí)現(xiàn)難度以及一致性等方面因素，在多數(shù)情況下，金屬波導(dǎo)由于它的低損耗以及高功率容量而被優(yōu)先采用，特別是在放大器工作頻帶較寬，輸出功率大時(shí)。本設(shè)計(jì)嘗試采用波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成方式。

末級(jí)功率放大器將信號(hào)分為兩路進(jìn)行分別放大，因此涉及的是一種兩路波導(dǎo)功率分配/合成器。這里要求的放大器工作于24-31GHz頻段，因此要求設(shè)計(jì)的功率分配/合成器在此頻段上必須有良好的性能。同時(shí)，為了盡可能的減小空間，功率分配/合成器也要盡可能小型化、一體化。合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 功率合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 影響合成效率的因素

功率合成網(wǎng)絡(luò)的合成效率是其型號(hào)好換的關(guān)鍵。合成效率一方面受功率分配／合成網(wǎng)絡(luò)性能的影響；另一方面，合成效率又受到放大器幅度、相位離散的影響。

當(dāng)采用二路合成器組合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多路功率合成時(shí)，合成器單元的損耗限制了二路合成器組合結(jié)構(gòu)的合成效率，合成的路數(shù)越多，實(shí)現(xiàn)的難度越大。當(dāng)兩路功率放大器進(jìn)行并聯(lián)合成時(shí)功率放大器輸出功率幅度和插入相位的離散將影響合成效率。

功率分配／合成網(wǎng)絡(luò)的幅度、相位不平衡也會(huì)影響合成效率，其原理與兩路放大器幅度和相位離散影響合成效率的原理是相同的，都是兩路信號(hào)合成時(shí)由于兩路信號(hào)的幅度和相位不一致造成合成損耗。最大限度地提高合成效率是設(shè)計(jì)、研制功率合成放大器的重點(diǎn)和難點(diǎn)。利用微波電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)設(shè)計(jì)的功率分配／合成器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量減小由于功率分配／合成器幅度、相位不平衡引起的合成損耗。

3 功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的仿真設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的功率分配/合成器要求有標(biāo)準(zhǔn)的WR-28波導(dǎo)輸入和輸出接口，輸入端口駐波比小于1.5，輸出端口的駐波比小于1.3，兩路的隔離度大于20dB。兩路放大器是相同的，因此功分器的輸入端和兩個(gè)輸出斷口之間的傳播系數(shù)應(yīng)該有相同幅度和相位，也就是：

這種情況下，兩路放大器信號(hào)的輸入信號(hào)也就有相同的幅度和相位，因此同樣的該波導(dǎo)器件也可以用于放大器輸出端口的功率合成。

根據(jù)要求，對(duì)于該波導(dǎo)功率分配/合成器的幾何尺寸，同時(shí)結(jié)合毫米波微帶電路結(jié)構(gòu)，我們首先設(shè)計(jì)了一種簡單的對(duì)稱接口形式，如圖2（a）所示的一個(gè)輸入和兩個(gè)輸出端口的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

圖2 功率分配/合成器結(jié)構(gòu)

因?yàn)槲覀儾捎玫氖且环N對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此兩路信號(hào)的相位基本可以做到一致?，F(xiàn)在的任務(wù)就就是要對(duì)波導(dǎo)通道的邊緣進(jìn)行修正，使其滿足指標(biāo)的要求。其中一是，對(duì)輸入輸出端口的匹配，使端口的反射系數(shù)達(dá)到良好的性能要求；二是，輸出端口的功率分配以及相位，它可以通過邊緣的形狀和波導(dǎo)的長度優(yōu)化。

通過多次的仿真優(yōu)化，我們得到如圖2（b）所示的功率分配/合成器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是其在仿真時(shí)生成的三維波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 三維仿真結(jié)構(gòu)圖

通過對(duì)該波導(dǎo)器件的仿真，我們得到如下的結(jié)果。從圖中可以看出各個(gè)端口的的性能都已經(jīng)達(dá)到了要求。

圖4 S21，S31仿真曲線

圖5 S23仿真曲線

圖6 3端口駐波比

圖7 S21，S31相位曲線

［1］何鈞.Ku波段高功率放大器設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2006.