8路寬帶擴(kuò)展同軸功分器

章勇佳，錢(qián)興成，祝慶霖

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京210016）

8路寬帶擴(kuò)展同軸功分器

章勇佳，錢(qián)興成，祝慶霖

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京210016）

利用同軸傳輸主模TEM的軸向?qū)ΨQ性特點(diǎn)，根據(jù)擴(kuò)展同軸功分器的設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)并研制了一款8路寬帶同軸擴(kuò)展功分器。利用高頻電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)電路進(jìn)行了優(yōu)化仿真，加工制備了功率合成系統(tǒng)電路實(shí)物，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。仿真結(jié)果顯示，在6～18 GHz的頻帶范圍內(nèi)，這種擴(kuò)展同軸功分器的插入損耗小于0.65 dB，反射損耗小于-9 dB。驗(yàn)證了擴(kuò)展同軸結(jié)構(gòu)具有極寬的帶寬、低差損、輸出端口幅相一致性高的特點(diǎn)，在功率合成領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

功分器；擴(kuò)展同軸；寬帶

1　引言

半導(dǎo)體微波器件因其體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、工作電壓低、噪聲性好、可靠性高、便于集成和維護(hù)等眾多優(yōu)點(diǎn)，在民用和軍用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)等應(yīng)用環(huán)境對(duì)功率放大器提出了越來(lái)越高的功率需求和更寬的帶寬要求，因此，研究寬帶高效的功率合成技術(shù)就顯得尤為重要［1～2］。

目前，比較常見(jiàn)的有平面一分二合成網(wǎng)絡(luò)、波導(dǎo)合成器、徑向合成等方案［3］。

一分二功分器包括兩路wilkson功分器、分支線耦合器、Lange耦合器。它們的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但隨著合成路數(shù)、頻率的升高，合成效率明顯降低［4～5］。

波導(dǎo)合成器有很多種，如波導(dǎo)定向耦合器、魔T、波導(dǎo)E-T分支、Y分支、環(huán)行器等，其中波導(dǎo)定向耦合器和波導(dǎo)E-T分支最為常用［6］。

徑向功率合成有多種合成結(jié)構(gòu)。比如圓錐波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、徑向線結(jié)構(gòu)、徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展同軸結(jié)構(gòu)等。徑向功率合成具有低差損、高效率的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用［7］。

近年來(lái)，擴(kuò)展同軸被用于功率分配和合成在一些文獻(xiàn)［8］中提及。本文分析了擴(kuò)展同軸的S參數(shù)，根據(jù)擴(kuò)展同軸功分器設(shè)計(jì)原理，成功研制了一款8路寬帶（6～18 GHz）擴(kuò)展同軸功分器。

2　結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

2.1擴(kuò)展同軸的結(jié)構(gòu)

為了保持?jǐn)U展同軸內(nèi)電磁場(chǎng)分布的對(duì)稱性，必須確保電路工作在TEM主模，或者是具有軸對(duì)稱性的高次模情況。但是，當(dāng)波導(dǎo)內(nèi)出現(xiàn)高次模時(shí)，很難控制其工作模式，因此在一般情況下要防止高次模出現(xiàn)，只讓電路工作在單模狀態(tài)下。在設(shè)計(jì)擴(kuò)展同軸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)必須考慮對(duì)高次模的抑制，從而減小不必要的損耗，提高電路的合成效率。

對(duì)于擴(kuò)展同軸合成結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在輸入端口的標(biāo)準(zhǔn)同軸接頭與擴(kuò)展同軸波導(dǎo)間必須采用特定的過(guò)渡結(jié)構(gòu)以獲得輸入輸出良好的阻抗匹配。曲線型錐體過(guò)渡實(shí)現(xiàn)方式有多種，如常見(jiàn)的指數(shù)漸變及契比雪夫漸變錐體等。同軸波導(dǎo)的內(nèi)外半徑大小可根據(jù)插入探針的數(shù)量來(lái)設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而滿足需求。

功分器的工作頻率和帶寬主要由探針尺寸、探針匹配過(guò)渡段尺寸來(lái)決定。

圖1　擴(kuò)展同軸功分器設(shè)計(jì)圖（圖中只畫(huà)了2個(gè)探針，略去其他6個(gè)）

2.2S參數(shù)的計(jì)算以及各參數(shù)的選擇

圖1中同軸漸變錐體過(guò)渡結(jié)構(gòu)，是一種非均勻傳輸線。通過(guò)漸變錐體過(guò)渡可實(shí)現(xiàn)從標(biāo)準(zhǔn)同軸接頭到擴(kuò)展同軸波導(dǎo)的過(guò)渡，通過(guò)優(yōu)化漸變錐體過(guò)渡結(jié)構(gòu)使擴(kuò)展同軸波導(dǎo)過(guò)渡產(chǎn)生的反射最小。對(duì)于漸變錐體過(guò)渡結(jié)構(gòu)可采用TEM傳輸線的小反射理論進(jìn)行分析［9］。

同軸錐形漸變結(jié)構(gòu)可以看作互補(bǔ)的無(wú)損二端口網(wǎng)絡(luò)［8］。當(dāng)端口2匹配時(shí)，S11也即端口1的反射系數(shù)。

其中，β=2π/λg指無(wú)損同軸的傳播常數(shù)。ZT（x）指同軸錐形漸變?cè)趚處的特征阻抗。相應(yīng)的，端口1匹配時(shí)，

S21和S12的相位為：

此同軸錐形漸變結(jié)構(gòu)的S參數(shù)為：

圖2是此功分器的俯看示意圖。

圖2　功分器俯看示意圖

根據(jù)擴(kuò)展同軸阻抗計(jì)算理論以及參考相關(guān)資料的經(jīng)驗(yàn)值，r1=1.6 mm，R1=3.7 mm，r2=13.6 mm，R2=15.8 mm，L1=5.3 mm，L2=36.8 mm，L3=11.4 mm，L4=5.72 mm。

需要優(yōu)化的參數(shù)是L5、L6、r3、r4以及探針距離內(nèi)導(dǎo)體的距離。經(jīng)過(guò)HFSS優(yōu)化之后，L5=6.6 mm，L6=5.3 mm，r3=1.1 mm，r4=0.75 mm。

3　仿真和實(shí)物測(cè)試

3.1電磁場(chǎng)仿真和S參數(shù)仿真

同軸波導(dǎo)TEM模電磁場(chǎng)的軸向?qū)ΨQ性為構(gòu)建N口功分器/合路器提供了理論依據(jù)。在滿足一定的條件下，中心同軸探針能激勵(lì)起TEM波。TEM波在沿軸向的過(guò)程中，遇到對(duì)稱分布于同一半徑圓周上的各支路探針時(shí)，它的能量就會(huì)被分與各個(gè)支路上。圖3就是根據(jù)上述原理，在全波電磁軟件HFSS環(huán)境下所構(gòu)建的8路功分器電磁場(chǎng)仿真模型及標(biāo)量電場(chǎng)分布云圖。從圖3的電場(chǎng)云圖分布可以看出，各支路的電場(chǎng)強(qiáng)度確實(shí)是相等的。這說(shuō)明上述分析是正確的。

S參數(shù)的仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。

仿真結(jié)果表明，輸入端口反射系數(shù)S11＜-9 dB。

由圖5看出，Sn1＞-9.65 dB，即各輸出端口的插損小于0.65 dB。從圖5的幅頻關(guān)系可以看出，從6 GHz一直到18 GHz內(nèi)，各支路振幅基本相同。

圖3　電場(chǎng)分布云圖（輸入端口激勵(lì)時(shí)）

圖4　S11的仿真結(jié)果

圖5　Sn1的仿真結(jié)果，n=（2，3，…，9）

3.2實(shí)物與測(cè)試

仿真結(jié)果表明，直線形錐體過(guò)渡與曲線形錐體過(guò)渡差異較小，為了便于加工，這里選用直線形錐體過(guò)渡。

對(duì)功分器采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了測(cè)試。采用短路、開(kāi)路、負(fù)載及直通校準(zhǔn)技術(shù)，參考平面選取在用來(lái)連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與功分器的電纜終端。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的功分器，在SMA輸入端口及輸出端口間進(jìn)行二端口測(cè)量，測(cè)試時(shí)八路功分器的其他7個(gè)端口與標(biāo)準(zhǔn)同軸匹配負(fù)載連接。

在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8。

圖6　實(shí)物圖

圖7　S11實(shí)測(cè)結(jié)果

圖8　S21的實(shí)測(cè)結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果看，反射損耗小于-6.3 dB，各輸出端口的插損在1.1 dB以內(nèi)。

輸出端口隔離度的測(cè)量見(jiàn)圖9、圖10。

圖9　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)S34

相鄰的兩個(gè)輸出端口隔離度大于7.4 dB。

圖10　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)S48

相距最遠(yuǎn)的兩端口隔離度大于8.7 dB，與仿真結(jié)果一致。

實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　實(shí)測(cè)結(jié)果

其中，隔離度主要測(cè)試相鄰端口（如端口3和端口4）和距離最遠(yuǎn)端口隔離度（如端口4和端口5）。圖9、10和表1中，僅列出1組數(shù)據(jù)。

4　總結(jié)

本文根據(jù)擴(kuò)展同軸傳輸主模的軸向?qū)ΨQ性特點(diǎn)，提出了擴(kuò)展同軸功分器的設(shè)計(jì)原理。設(shè)計(jì)并研制了一款8路寬帶同軸擴(kuò)展功分器。借助高頻電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)電路進(jìn)行了優(yōu)化仿真，根據(jù)優(yōu)化后的最后結(jié)構(gòu)尺寸，加工制備了功率合成系統(tǒng)電路實(shí)物，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，擴(kuò)展同軸結(jié)構(gòu)在功率合成中擁有的優(yōu)勢(shì)有：極寬的帶寬，低差損，輸出端口幅相一致性高。探針的裝配位置以及過(guò)渡錐體輸入端口的SMA接頭對(duì)功分器性能影響很大。通過(guò)仔細(xì)調(diào)整探針位置，設(shè)計(jì)合理的SMA接頭裝配方式可以進(jìn)一步提高功分器性能。降低反射系數(shù)，優(yōu)化駐波比，提高相鄰探針的隔離度是進(jìn)一步工作的重點(diǎn)。

［1］黨章，黃建，鄒涌泉，等.Ku頻段80W連續(xù)波空間功率合成放大器設(shè)計(jì)［J］.微波學(xué)報(bào)，2010，26（2）:64-69.

［2］駱新江，官伯然，陳宏江，等.32路X波段徑向波導(dǎo)空間功率合成系統(tǒng)研制［J］.微波學(xué)報(bào)，2011，27（1）:56-58.

［3］KaiC，ChengS.Millimeter-wavepower-combining techniques［J］.IEEE MTT，1983，31:91-107.

［4］嚴(yán)君美.平面空間功率合成技術(shù)研究［D］.華南理工大學(xué)博士論文，2010.

［5］Drubin C A，Hieber A L.A 1 kW peak，300 W avg IMPATT Diode Injection Locked Oscillator［J］.IEEE，1982:126-128.

［6］郎建.Ku頻段寬帶高效功率合成放大器研究［D］.電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

［7］王海龍.寬帶徑向功率合成器設(shè)計(jì)［J］.電子信息對(duì)抗技術(shù)，2011，4:64-65.

［8］K Song Q.Xue Ultra-wideband 12-way coaxial waveguide power divider with rotated electric field mode［J］.IET Microwaves，Antennas&Propagation，2011，5，Iss.5.512-518.

［9］宋開(kāi)軍.基于波導(dǎo)的微波毫米波空間功率合成技術(shù)研究［D］.電子科技大學(xué)博士論文，2007.

8-Way Wideband Oversized Coaxial Power Divider

ZHANG Yongjia，QIAN Xingcheng，ZHU Qinglin
（China Electronics Technology Group Corporation No.55 Research Institution，Nanjing 210016，China）

In terms of the axial symmetry of dominant mode TEM in the coaxial waveguide，a 8-way wideband oversized coaxial power divider is designed and fabricated，based on the design principle in this paper.High frequency structure simulator HFSS is used in the circuit simulation and optimization，and the power divider is fabricated and measured.The simulated results show its insertion loss is better than 0.65 dB and the return loss is below-9 dB.It proves that the oversized coaxial structure has can be widely used in the power synthesis field，featuring wide bandwidth，low insertion loss，good balance of amplitude and phase at output ports.

power divider；oversized coaxial；wideband

TN73

A

1681-1070（2016）05-0035-04

2016-1-21

章勇佳（1990—），男，安徽合肥人，本科畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，現(xiàn)為南京電子器件研究所在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣Ψ旁O(shè)計(jì)。