敦書波，張海福

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

功分器的應(yīng)用場合相當普遍，在相控陣雷達［1］、多路中繼通信機［2］、天饋線系統(tǒng)［3］、混頻器［4］以及功率放大器［5，6］等多種微波設(shè)備和系統(tǒng)中都有著廣泛的應(yīng)用［7］。在過去的幾十年里，學(xué)者們?nèi)〉昧撕芏嘧吭降难芯砍晒?，這其中，有關(guān)低損耗［8，9］、小型化的研究尤為突出。然而隨著現(xiàn)代通信電子產(chǎn)業(yè)的不斷高速發(fā)展，對功分器的性能也不斷提出了新的要求，因此對高性能功分器研究的需求仍在延續(xù)，而且越來越為迫切。

在高頻率、高功率的應(yīng)用環(huán)境下，波導(dǎo)以其低損耗、高功率容量的優(yōu)良特性倍受青睞。在各種波導(dǎo)功分器中，一分二功分器的使用最為普遍，簡單的分支線及必要的匹配結(jié)構(gòu)即可構(gòu)成此種功分器。當分路數(shù)大于二時，往往采用若干一分二級聯(lián)的方式實現(xiàn)。所討論的一分六功分器擬作為更高一級功分器的子模塊，綜合考慮整個系統(tǒng)的性能指標，對此六口功分器的性能提出了較高要求。其中，輸入端口的回波損耗、各輸出端口間的幅度一致性和相位一致性方面的要求尤為嚴格。

1 設(shè)計方案

本文所討論的功分器為六路輸出，無法僅使用多個二等分功分器級聯(lián)而成，故采用圖1(a)所示的結(jié)構(gòu)。其中，紙面所在的平面為矩形波導(dǎo)的E面。該結(jié)構(gòu)使用了六個一分二功分器，其中4個是等分的(①、⑤、⑥、⑦)，如圖1(b)所示;兩個是2:1功分器(②、④)，如圖1(c)所示;另有一個等幅等相的二口功率合成器(③)，該合成器為二等分功分器的鏡像，可完全按照二等分功分器的方式進行設(shè)計。

信號經(jīng)由功分器①平均分配到功分器②和④，而②和④各自的三分之二功率則分配到功分器⑤和⑦，剩下的三分之一功分傳至合路器③，因此在功分器⑤、⑥和⑦處的功率是相同的，以此為基礎(chǔ)即可構(gòu)成所需要的一分六功分器。不考慮各輸出端口間的串擾(這種串擾可在輸出端口接入單向器加以抑制)，可采用分別設(shè)計的方式得到其中每一個器件的尺寸，然后再綜合驗證整體器件的性能。實驗結(jié)果表明，采用這種設(shè)計方式可以大大縮短研發(fā)周期，同時達到符合要求的性能。

圖1 所提出的一分六功分器結(jié)構(gòu)

1.1 波導(dǎo)尺寸的選擇

功分器擬應(yīng)用于43.5～45.5 GHz的頻段，為保證單模傳輸，選用WR22矩形波導(dǎo)作為主傳輸線。該波導(dǎo)的橫截面尺寸為5.690 mm×2.845 mm，相應(yīng)的主模截止頻率fc=26.3 GHz，TE20模的截止頻率為52.9 GHz。為了便于設(shè)計，同時考慮到加工的一致性，功分器各支路的傳輸線統(tǒng)一選為WR22矩形波導(dǎo)標準尺寸。

1.2 二口功分器的設(shè)計

理想二口功分器中輸入端口的功率應(yīng)按固定比例完全傳輸?shù)?個輸出端口，也就是輸入端口良好匹配，也即回波損耗為零;與此同時，2個輸出端口也應(yīng)彼此隔離，互不干擾;此外，整個器件還應(yīng)互易、無耗。然而由微波網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論可知，這種三端口器件是不可能存在的［7］。在設(shè)計中，每個輸出端口都將接入單向器，因此無需考慮輸出端口的回波損耗，故可通過選擇適當尺寸，僅實現(xiàn)功分及輸入端口匹配。本文中分別使用了1∶1等分和2∶1不等分兩種功分器，功分比及匹配均通過調(diào)整圖1(b)和圖1(c)中的尖劈尺寸實現(xiàn)，該尺寸則可通過仿真優(yōu)化得到。

1.3 二口功率合成器的設(shè)計

由前文可知，在所設(shè)計的6路功分器結(jié)構(gòu)中，還包含一個二口功率合成器。從圖1可以看出，該合路器的兩路輸入信號幅度、相位都完全一致，為等幅等相二口合路器。由于結(jié)構(gòu)為無源，且不包含各向異性媒質(zhì)，因此具有互易性，故此合成器的尺寸獲取方式同前述二等分功分器完全相同。

2 仿真及測試

對所提出的一分六功分器進行了加工和測試，最終的加工結(jié)構(gòu)由2個對稱鋁塊貼合而成，如圖2所示。為避免連接不緊密造成的性能惡化，在設(shè)計中采用較多數(shù)量的螺釘使結(jié)構(gòu)鎖緊并嚴格對準。

圖2 六口功分器的加工圖(下半部分)

2.1 仿真結(jié)果

使用ANSYS公司出品的HFSS電磁仿真軟件對所提出結(jié)構(gòu)進行了仿真和優(yōu)化，最終尺寸的仿真結(jié)果如圖3所示。其中，圖3(a)為功分器的幅度特性;圖3(b)為功分器的相位特性。仿真結(jié)果表明，在所要求的頻帶內(nèi)，所提出一分六功分器的回波損耗優(yōu)于20 dB;輸出端口的最大不一致性(即各輸出端口插入損耗之差的最大值)為0.21 dB;各輸出端口間的相位差則不大于7°。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計功分器的結(jié)構(gòu)和尺寸得到了十分優(yōu)越的性能，不僅達到了設(shè)計目標值，而且有較高冗余。在設(shè)計過程中采用了各部件分別設(shè)計、優(yōu)化的策略，除大幅度縮短設(shè)計時間外，所得到的仿真結(jié)果也驗證了該策略的可靠性。

圖3 六口功分器的仿真結(jié)果

2.2 測試結(jié)果及分析

按照仿真優(yōu)化的尺寸進行了加工，并使用R＆S公司的ZVA50矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行了測試，所用校準件為Agilent公司的85056D 2.4 mm經(jīng)濟型校準件。所得到的測試結(jié)果如圖4所示，其中，圖4(a)為幅度特性，圖4(b)為相位特性。由于所使用的網(wǎng)絡(luò)分析儀只有2個端口，故每次只能測試一個輸出端口，而其他輸出端口則接入匹配負載。未避免串擾，在測試時接入了單向器，經(jīng)測量，單向器所引入的插入損耗大約在1 dB左右。

圖4 六口功分器的測試結(jié)果

在工作頻帶內(nèi)，回波損耗與仿真結(jié)果相比較差，但仍優(yōu)于17.6 dB;而幅度的最大不一致性則達到了0.765 dB，與仿真結(jié)果差距較大，不過仍滿足系統(tǒng)的設(shè)計指標。事實上受加工條件限制，加工尺寸和設(shè)計尺寸存在一定的偏差，不等分功分器對尺寸的精度要求更高，因此受加工影響較大。各端口間的相位不一致性最大為7.56°，與仿真結(jié)果基本一致。

3 結(jié)束語

所討論的六路功分器指標要求較高，其難點在于不等分功分器的設(shè)計。為便于設(shè)計和實現(xiàn)，采用了E面的設(shè)計思路，并采取逐層分別設(shè)計的方式，在較短的周期內(nèi)，達到了所需的各項指標。由仿真結(jié)果可以看出，所優(yōu)化的尺寸性能更為優(yōu)越，但限于加工的精度未能在實測中達到。隨著精細加工行業(yè)的不斷發(fā)展，機械加工能力的提高可進一步改善此功分器的性能。

［1］ 楊凱，張輝，李忠強，等.相控陣天線及其功率合成方法分析［J］.艦船電子對抗，2010，33(2):98-100，120.

［2］ FAZELI-DEHKORDY S，SHAHBAZPANAHI S，GAZOR S.Multiple Peer to Peer Communications Usinga Network of Relays［J］.IEEE Transactions on Signal processing，2009，57(8):3053-3062.

［3］ HEE KIM J，SANG PARK W.A Hadamard Matrix Feed Network for a Dual Beam Forming Array Antenna［J］.IEEE Trans.on AP，2009，57(1):283-286.

［4］ 陳坤，彭龍新，李建平.GaAs單片二極管雙平衡混頻器［J］.電子與封裝，2010，10(9):31-33.

［5］ 敦書波，劉儉成，魏利郝.UHF寬帶固態(tài)大功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.無線電工程 ，2007，37(5):57-58.

［6］ JEON J，KWON Y，LEE S，et al.1.6-and 3.3-W Poweramplifier Modules at 24 GHz Using Waveguide-based Power-Combining Structures［J］.IEEE Trans.on MTT.，2000，48(12):2700-2708.

［7］ 趙懷成，趙建中，吳文.加載感性金屬柱的毫米波T形波導(dǎo)功分器的設(shè)計［J］.探測與控制學(xué)報 ，2006，28(2):46-48.

［8］ 黨章，鄒涌泉，張玉興，等.一種新穎的Ku頻段寬帶波導(dǎo)功分器［J］.電訊技術(shù) ，2007，47(6):106-108.

［9］ 陳艷麗.大功率高隔離功分/合成器設(shè)計［D］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.