C波段功率合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與仿真

李 楠

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081）

在固態(tài)功率放大器的設(shè)計中，當(dāng)要求的輸出功率高于單個模塊所輸出的功率時，可以通過功率合成網(wǎng)絡(luò)將幾個模塊的輸出功率疊加起來。輸出功率越大所需要的模塊數(shù)量就越多，合路網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計的難度就越高。本文針對C波段千瓦級固態(tài)功率放大器的合成需求，設(shè)計仿真了一種八合一波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)。采用二進制的合路形式，以魔T作為基本的合路單元。

1 波導(dǎo)魔T

波導(dǎo)魔T是微波、毫米波電路的重要器件，能進行功率的分配合成，由于其功率容量大、端口駐波好、隔離度高等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于微波通信、衛(wèi)星通信、電子對抗等系統(tǒng)中。

波導(dǎo)魔T是微波無源電路的重要器件，它是由波導(dǎo)雙T加上部分匹配元件構(gòu)成。波導(dǎo)雙T由一個E-T和一個H-T分支合并而成。

從波導(dǎo)H-T分支和E-T分支的特性可知，若1口和2口都接匹配負載時，那么1口和2口的輸出將是由3口進入的功率平分而得，且兩邊信號同相位。但是在4口輸入的功率，在1口和2口得到兩路平分輸出，但是得到相位相反的兩路信號，這是由于1，2，4端口組成的波導(dǎo)分支為E-T分支，那么由4口進入的信號，在1口和2口得到方向彼此相反的電場的緣故。3臂和4臂的位置彼此垂直，那么它們的電力線也相互垂直，所以當(dāng)1口和2口都接匹配負載時，或者兩邊接對稱負載時由3口進入的信號不可能到達4端口，反之亦然。所以魔T的3口和4口是彼此隔離的。

用普通E-H和H-T接頭直接組成的雙T接頭，由于連接處結(jié)構(gòu)突變，即使雙T各臂均連接匹配負載，其各端口的反射也會很大，不能實現(xiàn)魔T特性。因此在工程中實現(xiàn)魔T特性，需要在雙T接頭中加入調(diào)配體，以減少各端口的反射。比較常見的匹配元件有螺釘、膜片和椎體等。

2 HFSS仿真

2.1 單路魔T仿真

首先在HFSS中建立單個魔T的仿真模型，對匹配部件進行優(yōu)化。為了簡化M魔T的結(jié)構(gòu)降低其制作的復(fù)雜性以使魔T的生產(chǎn)性更強，這里僅在接頭處設(shè)置匹配部件。

主要匹配部件尺寸參數(shù)進行優(yōu)化，分別是R1、R2、H1、H2、H3、L，通過改變這些參數(shù)的優(yōu)化，分析對它們對魔T性能的影響。通過優(yōu)化調(diào)諧部件的幾何尺寸，尋找最優(yōu)的S參數(shù)狀態(tài)，使用有限元法對仿真模型進行分析，確定最優(yōu)的幾何尺寸。通過觀察發(fā)現(xiàn)，其中R2的對匹配頻帶影響較大，R2的值越大匹配頻帶越想高端偏移。L的值對傳輸損耗影響較大，L越小傳輸損耗越大。同時其他參數(shù)也對魔T的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有一定的影響。

最后得到了仿真模型的S參數(shù)曲線。在4.4GHz～5GHz的工作頻段內(nèi)1，2端口隔離度達到25dB以上。各端口回波損耗大于15dB。

通過對單個魔T的仿真可以看出，這種結(jié)構(gòu)的魔T，可以滿足系統(tǒng)使用要求，且加工方便利于生產(chǎn)。

2.2 八合一合路網(wǎng)絡(luò)仿真

完成單個魔T的仿真后，對整個合路網(wǎng)絡(luò)進行建模仿真。

圖1 合路網(wǎng)絡(luò)仿真模型

整個合路網(wǎng)絡(luò)由7個魔T組成，最后完成一個八合一合路網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。因為單個魔T已經(jīng)進行了優(yōu)化，最后的合路網(wǎng)絡(luò)是基本魔T單元的組合。所以基本不需要進行優(yōu)化調(diào)整。

圖2 隔離度與回波損耗S參數(shù)曲線

仿真結(jié)果如圖2所示，可以看出8個合路端口中，隔離度最差的是相鄰的兩個端口，隔離度22dB以上，然后是相鄰魔T的兩個端口，隔離度27dB以上，最好的是二進制樹中相鄰最遠的四個端口，隔離度達到35以上。各端口回波損耗也大于15dB。滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

本文針對八合一合路網(wǎng)絡(luò)進行了設(shè)計與仿真，通過仿真結(jié)果可以看出，該功率合成網(wǎng)絡(luò)各項指標均滿足需求，適用于C波段固態(tài)功率放大器的功率合成。