一種S波段八路串饋分配器/合成器設(shè)計(jì)

劉朋朋，戴　煒

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

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一種S波段八路串饋分配器/合成器設(shè)計(jì)

劉朋朋，戴煒

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

摘要：給出了串饋分配器/合成器的一種綜合設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種S波段八路串饋分配器/合成器，實(shí)測(cè)結(jié)果在10%頻帶內(nèi)，八路幅度分配平衡度±0.3 dB，駐波小于1.3，插入損耗0.8 dB，幅相一致性高，實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果吻合良好。

關(guān)鍵詞：串饋；功率分配器；功率合成器；定向耦合器

0引言

并饋形式的功率分配器通常以一分二分配器為基本單元，多級(jí)級(jí)聯(lián)，方便實(shí)現(xiàn)2n路的功率分配，其中n為級(jí)數(shù)。相比而言，串饋形式的分配器/合成器能夠靈活地把任意n個(gè)單元組件組合起來，尺寸小、效率高，被廣泛用于大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)中。串饋分配器/合成器是由不同耦合度的多個(gè)定向耦合器串接而成。這種分配器/合成器為互易網(wǎng)絡(luò)，具有較高的效率、良好的駐波特性與端口之間隔離。

如圖1所示，在固態(tài)發(fā)射機(jī)中，串饋分配器將輸入功率N等分，功率分別由N個(gè)放大器放大后由串饋合成器合成輸出，N可以為任意整數(shù)。串饋分配器與串饋合成器結(jié)構(gòu)相同，由N個(gè)不同耦合度的定向耦合器組成，相鄰的定向耦合器用傳輸線連接。

定向耦合器為串饋分配器/合成器的基本單元。串饋分配器每一路輸出功率隨該路定向耦合器耦合度的細(xì)微差異而改變，相鄰兩路輸出信號(hào)的相位差由相鄰兩級(jí)定向耦合器之間的傳輸線長度決定。

圖1　固態(tài)發(fā)射機(jī)串饋分配器/合成器使用框圖

1設(shè)計(jì)理論

1.1各級(jí)定向耦合器耦合度Cn的確定

串饋分配器/合成器由不同耦合度的定向耦合器串接而成，一般以串饋分配器為例分析。如圖2所示，分配器輸入口至第1個(gè)定向耦合器輸入口的損耗記為I1，第n個(gè)定向耦合器輸入口至第n+1個(gè)定向耦合器輸入口的損耗記為In+1。串饋分配器各輸出口的耦合功率如表1所示。若I1=I2=I3=…=IN,則表1化簡為表2。

圖2　串饋分配器/合成器原理圖

表1　串饋分配器各類型功率計(jì)算結(jié)果

表2　串饋分配器各類型功率簡化計(jì)算結(jié)果

串饋分配器等功率輸出的情況下各端口耦合輸出的功率相等。得到

(1)

由公式(1)可見，Cn(n=1…N)隨I1變化。在I1已知的情況下，解方程組(1)能夠求得Cn。

以八路串饋分配器/合成器為例。理想情況下，串饋分配器沒有損耗，I1=0，則

若損耗I1不為零，耦合度Cn隨I1變化明顯。從公式(1)看出，I1誤差對(duì)耦合度Cn的影響從初級(jí)向末級(jí)逐漸擴(kuò)大。影響I1的因素有很多，包括介質(zhì)材料屬性、金屬材料特性、金屬厚度等。本文以帶狀線為傳輸線，損耗可由公式α=αc+αd計(jì)算[1]，其中αc為導(dǎo)體損耗，αd為介質(zhì)損耗。

1.2各級(jí)傳輸線長度的確定

(1) 如圖3所示，若串饋分配器各輸出口的相位相等，則A點(diǎn)需滿足

(2)

其中n為整數(shù)。一般情況下，可以方便地令l1=l2，則

(3)

依此類推，串饋分配器/合成器中各定向耦合器的末端至下一級(jí)定向耦合器的首端距離為3λg/4。

串饋分配器/合成器的末級(jí)功率直接輸出，G點(diǎn)需要滿足

(4)

其中n為整數(shù)。因?yàn)閘N-1=lN，則

(5)

圖3　串饋分配器/合成器傳輸線長度示意圖

(2) 串饋分配器、合成器配對(duì)使用時(shí)，對(duì)各輸出口的相位沒有要求，只要保證每一路信號(hào)的傳輸路徑一致即可。即滿足

(6)

BC=DE=…=HI

(7)

3綜合設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種S波段一分八串饋分配器，其技術(shù)指標(biāo)要求如下：

頻率：f0±200MHz

插入損耗：≤1dB

駐波：≤1.3

隔離度：≥20dB

幅度不平衡度：≤±0.4dB。

設(shè)計(jì)步驟如下：

(1) 選擇Rogers的板材，介電常數(shù)為2.55，如圖4所示，介質(zhì)厚度h1=60mil，h2=10mil。根據(jù)文獻(xiàn)[2]計(jì)算得到I1=0.015，代入公式(1)計(jì)算得到各端口的耦合度如表3所示。表3中還列出了無耗情況的計(jì)算結(jié)果作為對(duì)比。

表3　八路串饋分配器/合成器各端口耦合度

(2) 根據(jù)耦合度Cn的計(jì)算結(jié)果，分別設(shè)計(jì)每一級(jí)定向耦合器。如圖4所示，本文采用分層偏置耦合器[2-4]為基本單元。分層偏置耦合器的可變變量為w,w0,s,b，當(dāng)印制板厚度選定后可變變量剩為w,w0。分層偏置耦合按照式(8)和(9)分為強(qiáng)耦合和弱耦合兩種情況。

圖4　分層偏置耦合器示意圖

強(qiáng)耦合條件滿足

(8)

弱耦合條件滿足

(9)

設(shè)計(jì)分層偏置耦合器尺寸時(shí)，先假設(shè)為強(qiáng)耦合，在各端口阻抗匹配條件下，根據(jù)頻帶內(nèi)各個(gè)耦合器的耦合度設(shè)計(jì)各個(gè)定向耦合器的理論尺寸。根據(jù)公式(8)、(9)，端口6～8為強(qiáng)耦合，端口1～5為弱耦合，帶狀線的尺寸根據(jù)文獻(xiàn)[2]中的公式進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)耦合度Cn，得到各級(jí)定向耦合器的理論尺寸如表4所示。

(3) 電磁仿真優(yōu)化

使用HFSS建立的仿真模型如圖5所示。各個(gè)定向耦合器隔離端連接電阻R，耦合端為輸出口，相鄰的兩個(gè)定向耦合器之間采用長度可變的傳輸線調(diào)節(jié)輸出端口的相位。優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖6所示。

表4　八路串饋分配器/合成器中各個(gè)定向耦合器尺寸

圖5八路串饋分配器/合成器仿真模型

圖6　八路串饋分配器/合成器仿真結(jié)果

4研制結(jié)果

研制的S波段八路串饋分配器/合成器如圖7所示，其八路端口之間間距為40mm。表5中給出了頻帶內(nèi)駐波的最大值，表6中給出了頻帶內(nèi)八路幅度分配的變化范圍。測(cè)試結(jié)果跟仿真結(jié)果吻合良好。

圖7　八路串饋分配器/合成器實(shí)物圖

Port0Port1Port2Port3Port4Port5Port6Port7Port8VSWR1.181.251.231.251.261.161.11.041.21

表6　八路串饋分配器/合成器幅度分配測(cè)試結(jié)果

實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，受I1誤差影響，串饋分配器末端功率輸出偏差較前端更加明顯，I1誤差對(duì)八路串饋分配器各端口的幅度不平衡度影響很大。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果修正I1的值能夠更加準(zhǔn)確地反映真實(shí)損耗，進(jìn)而改善八路串饋分配器各端口的幅度不平衡度。

5結(jié)束語

本文先對(duì)串饋分配器/合成器設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了分析，給出了S波段八路串饋分配器/合成器綜合設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而研制了一種S波段八路串饋分配器/合成器。實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果吻合良好。與并饋形式相比，這種設(shè)計(jì)更容易實(shí)現(xiàn)任意路數(shù)的分配/合成，體積、損耗更小，效率更高。采用本文綜合設(shè)計(jì)方法能夠完成各個(gè)頻段任意路數(shù)的串饋分配器/合成器的設(shè)計(jì)，具有工程指導(dǎo)意義。

對(duì)不等功率輸入/輸出的串饋合成/分配器，亦可以采用本文的理論分析方法。根據(jù)損耗I1的計(jì)算或測(cè)量結(jié)果，按照功率比的要求，計(jì)算得到串饋合成/分配器的主要尺寸。

參考文獻(xiàn)：

[1]David M Pozar.微波工程[M].張肇儀,等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.7.

[2]J Paul Shelton，JR.Impedances of Offset Parallel-Coupled Strip Transmission Lines[J].IEEE Trans.on MTT,1966,14(1)：7-13.

[3]鄒練鋒,宋輝.基于串饋定向耦合器的三路功率合成器的設(shè)計(jì)[J].通信對(duì)抗,2012(3)：33-35.

[4]朱乙平，等.一種新型30dB雙定向耦合器的設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)與對(duì)抗,2008(3)：22-25.

Design of an S-band eight-way series-feed divider/combiner

LIU Peng-peng, DAI Wei

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:An integrated design of the series-feed power divider/combiner is given. An S-band eight-way series-feed power divider/combiner is designed. The test results indicate that the balanced degree of the eight-way amplitude distribution is ±0.3 dB, the VSWR is less than 1.3, the insertion loss is 0.8 dB with highly consistent amplitudes and phases, which are in good accordance with the simulation results.

Keywords:series feed; power divider; power combiner; directional coupler

中圖分類號(hào)：TN81

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-0401(2016)01-0044-04

作者簡介:劉朋朋(1986-)，男，工程師，碩士，研究方向：饋線系統(tǒng)設(shè)計(jì)；戴煒(1983-)，男，工程師，研究方向：饋線器件設(shè)計(jì)。

收稿日期：2015-12-15；修回日期：2016-02-01