藍(lán)永海

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江嘉興314033)

0 引言

在固態(tài)發(fā)射系統(tǒng)中，單個(gè)半導(dǎo)體功率器件轉(zhuǎn)換的射頻功率有限，為了獲取更大的射頻功率，功率合成技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，因此，功率分配合成器是固態(tài)發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分。功率分配器將前級(jí)功率放大器輸出的功率分配成多路，分別驅(qū)動(dòng)多個(gè)末級(jí)放大器，然后功率合成器再將各末級(jí)放大器的輸出功率合成，得到所需要的輸出功率。隨著通信、雷達(dá)等設(shè)備應(yīng)用環(huán)境的發(fā)展變化，系統(tǒng)要求發(fā)射設(shè)備體積更小、效率更高。因此對(duì)于大功率射頻技術(shù)，迫切需要發(fā)展功率合成方式靈活、效率高的功率合成技術(shù)?，F(xiàn)有功率合成方式大多是二合一功率合成器為基本組成單元的二進(jìn)制合成方式，多路合成以二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，這種合成方式有兩個(gè)缺點(diǎn)。第一，合成路數(shù)只能選擇為2n，造成功率余量過(guò)大;第二，電路合成效率低，二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)合成，合成路數(shù)越多，損耗越大，這也是發(fā)射機(jī)功率越大，效率越低的原因。在功率合成技術(shù)中，徑向功率合成技術(shù)在多路合成上具有優(yōu)勢(shì)，特別是合成效率高、合成路數(shù)設(shè)計(jì)自由度高。徑向功率合成器在設(shè)計(jì)、加工制造上都比傳統(tǒng)的二進(jìn)制合成方式復(fù)雜，因此徑向功率合成技術(shù)使用不如二進(jìn)制合成方式廣泛［1－3］。本文將采用微帶形式近似徑向功率合成方式進(jìn)行多路寬帶功率合成電路設(shè)計(jì)探討，分析了設(shè)計(jì)需要考慮的要點(diǎn)，并以5路功率合成器進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，合成器在1 3GHz工作頻段內(nèi)插損小于0.5dB。本電路結(jié)構(gòu)主要由單層印制板加工而成，避免了如徑向功率合成器一樣的復(fù)雜設(shè)計(jì)，相對(duì)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低，同時(shí)具有良好的電性能，合成路數(shù)靈活、效率高。

1 設(shè)計(jì)思路

圖1 合成器示意圖

合成器設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示，合成器由同軸傳輸線和微帶傳輸線兩部分組成，通過(guò)微帶線分為5路輸出。整個(gè)電路為星形結(jié)構(gòu)，微帶線沿圓周均勻分布，這樣可以保證各路分配端口的相位一致性。為了實(shí)現(xiàn)功率合成器寬帶特性，電路必須進(jìn)行寬帶阻抗變換，由于漸變同軸傳線不易加工和裝配，因此同軸部分不做阻抗變換，微帶傳輸部分采用多節(jié)漸變結(jié)構(gòu)完成阻抗寬帶匹配。每路微帶線阻抗在1 3GHz頻率范圍內(nèi)需要從250Ω變換到50Ω。

2 阻抗變換

阻抗變換的目的是使傳輸線之間或者負(fù)載之間級(jí)聯(lián)時(shí)所產(chǎn)生的反射盡可能小。為了增寬阻抗變換的工作頻帶，常常采用多級(jí)阻抗變換電路結(jié)構(gòu)，多節(jié)阻抗變換和漸變線阻抗變換是寬帶阻抗變換的兩種主要方式。多節(jié)阻抗變換適當(dāng)選取各節(jié)傳輸線的特性阻抗，可以得到變換器的反射系數(shù)的幅值為零，從而將頻帶展寬。漸變線是一種不均勻傳輸線，其特性阻抗沿傳輸線的長(zhǎng)度做平滑連續(xù)的變化，使特性阻抗從一個(gè)值變化到另一個(gè)值，從而使兩條不同特性阻抗的傳輸線達(dá)到匹配。本設(shè)計(jì)中考慮到版圖布局和制作的方便，采用多節(jié)阻抗變換方式。

N節(jié)電長(zhǎng)度為θ的傳輸線連接如圖2所示，每一節(jié)傳輸線的特性阻抗為Z1，Z2，…，ZN，長(zhǎng)度為中心頻率的1/4波長(zhǎng)，負(fù)載阻抗為Z0。這里只考慮到各連接間的第一次反射，輸入阻抗Zin連接到線上的第一個(gè)連接處的總反射系數(shù)為:

圖2 多節(jié)阻抗變換器

變換器在頻帶內(nèi)的反射系數(shù)按照切比雪夫多項(xiàng)式變化，即反射系數(shù)在零和最大值之間以等波紋的振蕩變動(dòng)，這類(lèi)變換器稱(chēng)為切比雪夫阻抗變換器。設(shè)計(jì)時(shí)需要用切比雪夫多項(xiàng)式進(jìn)行逼近，計(jì)算逼近過(guò)程復(fù)雜，相關(guān)文獻(xiàn)已有計(jì)算好的數(shù)值列成表格，供設(shè)計(jì)時(shí)查閱［4］。由給出的阻抗變換工作帶寬，最大駐波比，負(fù)載阻抗比，求得切比雪夫變換器結(jié)構(gòu)的值。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要從250Ω變換到50Ω，查表可知需要采用3節(jié)阻抗變換結(jié)構(gòu)，計(jì)算得到微帶線各節(jié)的設(shè)計(jì)值，如表1所示。表1中，W為微帶線寬度，相對(duì)電介常數(shù)εr=2.6，板厚h=3mm，銅厚t=0.018mm，每節(jié)長(zhǎng)度L=27mm。

表1 微帶線每節(jié)參數(shù)

3 同軸微帶過(guò)渡

同軸微帶過(guò)渡圖如圖3所示。合成器的同軸傳輸部分的芯需要穿過(guò)介質(zhì)和微帶線的帶條連接，如圖3(a)所示，a為同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑，b為同軸線介質(zhì)層外徑，h為微帶線板厚。其等效電路如圖3(b)所示，這部分等效為感抗，其值為［5］:

式中，c為光速，f為頻率。

圖3 同軸微帶過(guò)渡圖

從式2可知，等效感抗的大小與頻率相關(guān)，頻率低時(shí)對(duì)電路的影響可以忽略。對(duì)于這里設(shè)計(jì)的5路合成器，頻率在3GHz時(shí)等效感抗值已比較大，對(duì)電路有較明顯的影響，設(shè)計(jì)合成器時(shí)必須考慮。

4 優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5路合成器的同軸芯直徑為1.3mm，根據(jù)式2，在1 3GHz頻率范圍內(nèi)，等效電感值為1.6 2.3nH。把計(jì)算的電感值代入電路原理圖中進(jìn)行電路仿真，仿真結(jié)果和場(chǎng)仿真比較具有很好的一致性。另外電路仿真具有速度快的優(yōu)點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)中先對(duì)等效電路進(jìn)行優(yōu)化，然后再把優(yōu)化得到的參數(shù)代入場(chǎng)模型進(jìn)行驗(yàn)證。把計(jì)算得到的等效電感值代入到ADS電路原理圖中，對(duì)阻抗變換的每節(jié)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化后再把參數(shù)代入HFSS進(jìn)行場(chǎng)仿真，模型如圖4所示，仿真優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

圖4 場(chǎng)仿真模型

圖5 仿真優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過(guò)優(yōu)化的合成器帶寬有所展寬，同時(shí)傳輸損耗帶內(nèi)波動(dòng)增加到了0.4dB。由于等效電感的存在，已破壞了多節(jié)阻抗變換條件，進(jìn)一步優(yōu)化也不能得到帶內(nèi)等波紋波動(dòng)的理想結(jié)果，這就需要在電路結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，如增加容性補(bǔ)償電路，這是需要進(jìn)一步研究的地方。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

合成器的實(shí)物圖如圖6所示，輸入輸出端口均采用SMA印刷電路板上連接器。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量，設(shè)計(jì)的合成在8003200MHz頻段內(nèi)，單路的傳輸損耗如圖7所示，在1 3GHz頻率范圍內(nèi)小于－7.5dB，即插損小于0.5dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 合成器實(shí)物圖

圖7 測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了一種寬頻帶多路功率合成器的實(shí)現(xiàn)方法，并且給出了這種合成器的設(shè)計(jì)過(guò)程，最后用仿真軟件對(duì)實(shí)例進(jìn)行了仿真優(yōu)化和實(shí)物驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，證明了這種設(shè)計(jì)方法的可行性。該合成器具有徑向功率合成效率高、合成路數(shù)靈活的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)電路結(jié)構(gòu)由單層印制板加工而成，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

［1］CHANG Kai，SUN Cheng.Millimeter-Wave Power-Combining Techniques［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1983，31(2):91 －107.

［2］DIRK I L，PIETER W，PETRIE M.Design of a ten-way conical transmission line power combiner［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2007，55(2):302 －309.

［3］王斌.一種新型Ka頻段功率合成器的設(shè)計(jì)［J］.無(wú)線電工程，2009，39(10):32－35.

［4］Pozar D M.Microwave Engineering［M］.New York:john wiley＆sons，1998:282 －288.

［5］Abboud F，Damiano J P，Papiernik A.Simple model for the input impedance of coax-fed rectangular microstrip patch antenna for CAD［J］.Microwaves，Antennas and Propagation，IEE Proceedings H，1988，135(5):323 －326.