毫米波衛(wèi)星通信頻段功率合成器的研究

楊 強(qiáng)，李棟賢

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊 050051)

0 引言

隨著速率、帶寬和傳輸質(zhì)量等通信要求日益提升，毫米波頻段已成為衛(wèi)星通信發(fā)展的必然趨勢。盡管毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)在帶寬資源和視距特性等方面優(yōu)點(diǎn)顯著，可用度卻受環(huán)境條件的影響很大。研究及應(yīng)用表明:諸如雨衰等因素會(huì)造成信號(hào)電平的嚴(yán)重下降，惡化通信質(zhì)量甚至中斷線路，因此保證足夠的功率備余對(duì)提高通信鏈路可用度而言至關(guān)重要［1］。

通信發(fā)射設(shè)備輸出電平能力是通過功率放大器實(shí)現(xiàn)的，隨著工作頻率的上升，單個(gè)器件可提供的輸出功率能力相應(yīng)降低，進(jìn)而制約了系統(tǒng)的發(fā)展，如何制作結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低的高效合成器成為提升毫米波系統(tǒng)功率備余的重要研究課題［2］，是國內(nèi)外競相研究的熱點(diǎn)。

固態(tài)電路傳輸線常用形式為微帶、同軸和波導(dǎo)，相對(duì)前者，波導(dǎo)具有低損耗和高功率容量特性，廣泛應(yīng)用于毫米波功率合成器的設(shè)計(jì)［3－5］。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 合成器形式選擇

波導(dǎo)合成器主要形式為4端口電橋網(wǎng)絡(luò)和3端口功分網(wǎng)絡(luò)［6－8］。具有隔離端口的電橋用于合成時(shí)，支路之間能實(shí)現(xiàn)良好的隔離度，更易實(shí)現(xiàn)功率分配的平衡性和支路之間的相位一致性。實(shí)際使用時(shí)，某一支路失效，另一分支仍能獨(dú)立正常工作，因而更具工程實(shí)用性［9－11］。

3dB波導(dǎo)分支耦合器是一種典型的4端口電橋網(wǎng)絡(luò)，其原型是一對(duì)共用開槽寬邊的矩形波導(dǎo)，這種基于小孔衍射理論和相位迭加原理的多孔定向耦合結(jié)構(gòu)［12］，當(dāng)能量通過任一波導(dǎo)的任一端口饋入時(shí)，在另一波導(dǎo)內(nèi)由于小孔耦合機(jī)理將產(chǎn)生能量激勵(lì)，通過調(diào)整公共臂上耦合孔的尺寸與間距就能夠?qū)崿F(xiàn)等功率輸出。

基于3dB波導(dǎo)分支耦合器工作原理，設(shè)計(jì)了4路和8路等分結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的合成器形式。

1.2 合成器建模及仿真

在三維電磁仿真軟件中建立波導(dǎo)分支4路等分結(jié)構(gòu)，針對(duì)插入損耗和端口駐波，以及平衡性和隔離度等主要技術(shù)參數(shù)要求進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)原型及仿真結(jié)果如圖1所示。仿真表明，頻率在29～32 GHz，支路間的幅度不平衡度≤0.3 dB，各端口的駐波均優(yōu)于20 dB，支路間隔離度≥18 dB。將一對(duì)四等分結(jié)構(gòu)進(jìn)行合并，作為合成器的無源電路模型，其背對(duì)背的插入損耗≤0.5 dB，輸入輸出端口駐波優(yōu)于－15 dB。

圖1 4路合成結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果

鑒于4等分結(jié)構(gòu)良好的設(shè)計(jì)效果，借助于3 dB波導(dǎo)分支耦合器變易的單元擴(kuò)展特性，在4路等分結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將一個(gè)3 dB波導(dǎo)分支耦合器連接2個(gè)4路等分結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建出8路的等功分結(jié)構(gòu)，完整的合成器無源電路設(shè)計(jì)模型如圖2所示。

圖2 8路合成結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果

采用三維電磁仿真軟件進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，頻率在29～32 GHz，合成器的背對(duì)背插入損耗≤0.7 dB，輸入輸出端口駐波優(yōu)于－14 dB。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

上述仿真模型中，共用開槽寬邊所開耦合槽數(shù)量取定為5個(gè)，理論分析和電磁場仿真均驗(yàn)證了耦合孔隙數(shù)量、大小及相互間距對(duì)于合成器性能的之間影響，在進(jìn)一步進(jìn)行功分支路的擴(kuò)展設(shè)計(jì)過程中，公共支臂上所開耦合槽數(shù)量的影響表現(xiàn)尤為明顯:當(dāng)耦合孔隙數(shù)量減少至4個(gè)以下時(shí)，為維持等支路等功分比效果仍在A±0.5 dB范圍內(nèi)(其中A為等分比典型值，如2等分時(shí)A為3 dB)，4路合成結(jié)構(gòu)工作帶寬將縮短至僅有1 GHz，而8路合成器的工作帶寬則銳減至僅有300 MHz。

需要指出的是，較多的耦合孔隙雖然能夠改善合成結(jié)構(gòu)的工作帶寬，并實(shí)現(xiàn)寬帶內(nèi)良好的幅度平衡性，但對(duì)于機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)而言是非常不利的，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，較多的狹窄縫隙還使得合成結(jié)構(gòu)在應(yīng)用于合成傳輸高功率能量時(shí)容易引發(fā)打火現(xiàn)象，為功率系統(tǒng)的可靠性造成隱患，因而進(jìn)行功分支路擴(kuò)展設(shè)計(jì)時(shí)，需注意權(quán)衡工作帶寬要求與縫隙的可加工實(shí)現(xiàn)方式。

2 性能測試

根據(jù)仿真模型和優(yōu)化結(jié)果，實(shí)際設(shè)計(jì)并制作了一款4路合成器，采用5縫隙進(jìn)行能量耦合分配，輸入輸出端口均采用標(biāo)準(zhǔn)的波導(dǎo)法蘭形式BJ320。4路合成器的外觀形式呈十字狀，如圖3所示，合成器所占總空間≤80 mm×80 mm×30 mm，合成結(jié)構(gòu)的隔離端口集成安裝有波導(dǎo)匹配負(fù)載，實(shí)際使用時(shí)，功率放大器單元將依次安裝在十字狀所隔開的4個(gè)像限空間內(nèi)，大面積與合成器表面貼合。

圖3 4路合成器實(shí)物外觀

采用該種合成結(jié)構(gòu)進(jìn)行有源合成，不僅結(jié)構(gòu)緊湊合理，空間利用率高，而且通過對(duì)功率單元在空間上進(jìn)行分布，能夠?qū)嵩春侠矸稚?，使得合成器作為功率單元傳熱結(jié)構(gòu)，并能最大化實(shí)現(xiàn)這種散熱效果，因而對(duì)功率系統(tǒng)而言，該合成結(jié)構(gòu)是一種具有非常高效散熱效果的合成器。

采用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，用雙端口校準(zhǔn)方式校準(zhǔn)儀器，再通過連接波導(dǎo)—同軸轉(zhuǎn)接器，采取直通校準(zhǔn)的方式校除去測試轉(zhuǎn)接器的插入損耗后，對(duì)所加工的4路功分—合成結(jié)構(gòu)進(jìn)行S參數(shù)測試，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 4路合成結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果

實(shí)測結(jié)果表明，頻率在29～32 GHz，4路功率合成器的背對(duì)背插入損耗≤1.8 dB，輸入輸出端口的回波損耗均≤ －14 dB;其中頻率在29.4～30.6 GHz，4路合成器的背對(duì)背內(nèi)插入損耗≤1.4 dB，最低損耗值約為1.1 dB，輸入輸出端口的回波損耗≤－17 dB。

3 測試結(jié)果分析

將實(shí)測曲線與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，實(shí)測與仿真在設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)基本吻合，但實(shí)測得到的插入損耗比仿真的結(jié)果略高出0.5～1 dB。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，導(dǎo)致?lián)p耗增大的原因主要來自于以下2個(gè)方面:

①4路合成器的研制目標(biāo)為3 dB波導(dǎo)功分結(jié)構(gòu)的基本特性試驗(yàn)和支路擴(kuò)展的機(jī)械可加工性驗(yàn)證，因此合成器采用了鋁合金材料制作樣件，制備的過程中為了縮短加工周期，合成器腔體金屬表面僅進(jìn)行了原色氧化，沒有進(jìn)行金、銀等鍍涂處理，導(dǎo)致加工件的波導(dǎo)內(nèi)壁表面光潔度較差，遠(yuǎn)達(dá)不到波導(dǎo)內(nèi)壁▽0.8的標(biāo)準(zhǔn)要求，由于工作頻率較高，趨膚效應(yīng)的影響明顯，直接導(dǎo)致了傳輸損耗的增大。

②限于沒有足夠的測試配件波導(dǎo)負(fù)載，自行設(shè)計(jì)制作了一些波導(dǎo)負(fù)載單元，對(duì)其進(jìn)行匹配性能驗(yàn)證時(shí)，在合成器工作頻段范圍內(nèi)，負(fù)載的回波損耗約在－12 dB左右，匹配性能一般，這也可能會(huì)引起輸入輸出測試端口的隔離性能變差，進(jìn)而導(dǎo)致功分支路的等分特性發(fā)生變化，進(jìn)而影響合成效率。

4 結(jié)束語

針對(duì)毫米波衛(wèi)星通信頻段的應(yīng)用，設(shè)計(jì)并制作了一種4路功率合成器，具有較好的插入損耗性能、良好的端口匹配和支路間隔離特性。合成器所固有的金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)使之不僅具有較高的功率承載能力，同時(shí)還可以起到良好的散熱作用;此外，仿真和實(shí)測均表明了該種合成結(jié)構(gòu)具有實(shí)用化程度較高的功分支路擴(kuò)展能力。基于已開展的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，將進(jìn)一步完善該合成器的物理結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)化設(shè)計(jì)配套使用的E-H面模式轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電路及有源放大器功率子單元電路和供電系統(tǒng)，以期最終實(shí)現(xiàn)一種高效的毫米波功率合成系統(tǒng)。 ■

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