寇 陽

(中國電子科技集團公司第54 研究所 衛(wèi)星通信與廣播電視專業(yè)部，河北 石家莊 050081)

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，EIRP 值是衡量系統(tǒng)性能的重要技術(shù)指標，而在天線增益確定后，該指標主要取決于發(fā)射機的輸出功率［1］。為了提高發(fā)射機的輸出功率，工程中通常采用功率合成的方式實現(xiàn)微波大功率輸出，這就對功分器提出了更高的要求［2］。

目前常用的功分器主要有:威爾金森功分器，波導E－T 結(jié)、波導H－T 結(jié)、3 dB 分支波導定向耦合器及波導魔T 等［3～7］。威爾金森功分器是一種微帶功分器，插入損耗較大，不適合于大功率合成;波導E－T結(jié)和H－T 結(jié)功分器是最常用的波導功分器，具有體積小、頻帶寬、插入損耗低、易加工等優(yōu)點，缺點是兩輸出端口之間隔離度僅有－6 dB;3 dB 分支波導定向耦合器的兩個輸出端口相位相差90°，兩路輸出之間具有良好的隔離度，但是其帶寬較窄。

通過對以上各種功分器分析，本文在其基礎(chǔ)上提出了一種新型功分器，在波導E－T 結(jié)功分器的基礎(chǔ)上大幅提高了兩個輸出端口間的隔離度。

1 理論分析

本文論述的功分器是在波導E－T 結(jié)功分器的基礎(chǔ)上進行改進的，波導E－T 結(jié)功分器可以看成是一種無耗三端口網(wǎng)絡(luò)，它是由一段波導及從波導寬邊接出來的分支波導構(gòu)成，其軸線平行于主波導的TE10模的電場方向，是一種串聯(lián)分支［8］，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 波導E－T 結(jié)功分器結(jié)構(gòu)

該波導E－T 結(jié)功分器的S 參數(shù)為:

其兩種等效電路如圖2 所示。

圖2 波導E－T 結(jié)的兩種等效電路

由上式可知，E－T 結(jié)功分器可以依其對稱結(jié)構(gòu)等分功率，但是各輸出端口無法達到完全匹配(S22=S33=1/2)，兩個輸出端口的隔離度僅為－6 dB(S32=S23=1/2)，隔離度不高導致兩輸出端口之間的信號相互干擾，嚴重時會引起放大器的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，自激等現(xiàn)象的發(fā)生。

本文在上述E－T 結(jié)功分器的基礎(chǔ)上，通過在波導E 面中間加入微帶探針并與50 Ω 電阻相連接，從而構(gòu)成功分器的第四個端口;為了進一步增大工作帶寬，波導采用多級漸變結(jié)構(gòu)［9］，其模型如圖3 所示。

圖3 新型功分器結(jié)構(gòu)圖

該功分器是四端口網(wǎng)絡(luò)，其中3 端口為輸入端口，1 和2 端口為功分器的兩輸出端口，4 端口先通過探針過渡再串接匹配負載，起到隔離兩輸出信號，增加兩輸出端口隔離度的作用，其S 參數(shù)為

聯(lián)立方程可以得到該功分器的S 參數(shù)

聯(lián)立方程可以得到該功分器的S 參數(shù)

從該功分器的S 參數(shù)可以看出，新型功分器具有以下重要特性:

(1)匹配性:當功分器的3、4 兩個端口分別接匹配負載時，1、2 兩個端口自行匹配，所以該功分器是各端口完全匹配的四端口網(wǎng)絡(luò)。

(2)隔離性:3、4 兩個端口及1、2 兩個端口之間都相互隔離。

(3)功率平分性:當信號從端口3 輸入時，信號從1、2 端口等分輸出，端口4 無輸出。

3 模型仿真及加工實物測試

在上述理論分析的基礎(chǔ)上利用三維電磁仿真軟件CST 進行建模仿真，其仿真模型如圖4 所示，仿真結(jié)果如圖5 所示，從仿真結(jié)果可以看出，該功分器在12 ～17 GHz的頻率范圍內(nèi)，兩輸出信號之間的隔離度優(yōu)于－17.5 dB，插入損耗優(yōu)于3.05 dB，回波損耗優(yōu)于－20 dB。該結(jié)構(gòu)的各項性能指標都優(yōu)于傳統(tǒng)的功分器結(jié)構(gòu)，尤其在隔離度方面要遠遠大于E－T 結(jié)功分器。

圖4 新型功分器仿真模型圖

圖5 新型功分器仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果對功分器進行了加工制作，對于端口4，通過探針過渡把兩個輸出端口反射回來的信號能量耦合到微帶線上，在微帶線的末端焊接一高頻率、可承受大功率的50 Ω 電阻，使得從兩個輸出端口反射回來的電磁波能量被吸收。加工完成以后用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對該實物進行了測試，測試結(jié)果如圖6 所示，從測試結(jié)果可以看出，在12 ～17 GHz 的頻率范圍內(nèi)，兩輸出信號之間的隔離度優(yōu)于－15 dB，插入損耗優(yōu)于3.12 dB，回波損耗優(yōu)于－18 dB，和仿真結(jié)果一致。該功分器結(jié)構(gòu)不僅在很寬的頻帶范圍內(nèi)達到了較低的回波損耗，而且兩路輸出信號之間的隔離度有了大幅提高，適用于大功率、寬頻帶的功率合成技術(shù)。

圖6 新型功分器測試結(jié)果

4 結(jié)束語

創(chuàng)新地提出了一種改進型波導E－T 結(jié)功分器，在傳統(tǒng)的波導E－T 結(jié)功分器中加入探針過渡、吸收負載的方式，增加了兩個輸出端口之間的隔離度。實物測試結(jié)果表明:該功分器在12 ～17 GHz 的頻率范圍內(nèi)，獲得了良好的匹配特性、隔離特性以及平分特性，且頻率范圍可以擴展到毫米波頻段，對研制毫米波頻段功分器具有一定的參考價值，在固態(tài)功率合成方面有廣闊的應用前景。

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