張志鴻，衛(wèi)?明（中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江?嘉興?100048）

　　摘?要：功率分配器是決定功率放大器合成效率最關(guān)鍵的器件之一。本文設(shè)計的功率分配器采用3 dB多枝節(jié)耦合器形式實現(xiàn), 該器件結(jié)構(gòu)簡單，在14 GHz~16 GHz頻段范圍內(nèi)具有低插損、高隔離等優(yōu)點。通過仿真軟件HFSS對該器件進行了建模仿真，并加工出實物，實際測得該功分器輸入端的回波損耗小于-19 dB，兩輸出端口間隔離度大于15 dB。實測數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)吻合度較高，性能良好。

　　關(guān)鍵詞：功分器；定向耦合器；Ku波段

　　0 引言

　　功率分配器是一個重要的微波無源器件，廣泛應(yīng)用于通信、雷達以及電子戰(zhàn)等電子系統(tǒng)中。近年來，在系統(tǒng)需要的牽引下，功率分配器正朝著寬頻帶、低插損以及高功率方向發(fā)展。傳統(tǒng)的微帶傳輸線功分器(如威爾金森、分支線電橋、環(huán)形電橋等)，Q值低，易實現(xiàn)寬帶，但具有損耗大、功率容量小等缺點?；诓▽?dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)的功率分配器(如H面T分支、E面T分支、魔T等)損耗小于普通的平面?zhèn)鬏斁€，具有功率容量大等特點，因而廣泛應(yīng)用于高功率場合 ^[1] 。它們都是通過在波導(dǎo)內(nèi)加上額外的匹配元件來抵消波導(dǎo)不連續(xù)性所帶來的影響，從而實現(xiàn)匹配的。但HT和ET由于是三端口器件，無法做到完全匹配，實現(xiàn)較高的端口隔離度較難 ^[2] ，魔T則由于空間限制，對于某些有空間要求的電路并不適用。本文介紹了一種結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn)的多枝節(jié)波導(dǎo)耦合器結(jié)構(gòu)用作功分器，并給出了其在HFSS中的仿真結(jié)果和實物測試結(jié)果。

　　1 工作原理

　　本設(shè)計中的3 dB多枝節(jié)波導(dǎo)定向耦合器模型如圖1所示，其中，1端口是輸入端；2端口是輸出端口；3端口是耦合端口；4端口是隔離端口。由于耦合度為3dB，因此當信號從1端口輸入時，2端口和3端口的輸出信號幅度是一樣的，4端口沒有信號輸出，從而實現(xiàn)了功分器的功能。

　　本設(shè)計中采用五孔耦合的模型，如圖1所示。由于多分支波導(dǎo)定向耦合器的結(jié)構(gòu)對稱，因此可以以對稱面為界,利用奇偶模理論對如圖1所示的五孔3dB定向耦合器進行分析，忽略節(jié)效應(yīng)，當波導(dǎo)吸收負載端口和波導(dǎo)輸入端口為偶模激勵時,對稱面上為電壓波腹點,此時該耦合器可被分成為以對稱面為界的兩個相互獨立并且相同的二端口網(wǎng)絡(luò)。在此不妨假設(shè)這5個分支線的長度均為λ/4,各個分支線之間兩兩相隔λ/4，中間3個分支線相對于主波導(dǎo)的等效特性阻抗均為а,最外面兩側(cè)分支線相對于主波導(dǎo)的等效特性阻抗均為c。則該二端口網(wǎng)絡(luò)偶模等效電路如圖2所示,奇模等效電路如圖3所示。

　　二端口網(wǎng)絡(luò)的偶模等效電路的總歸一化為：

　　為了簡化，用A、B、C指代上述方程式。同理，二端口網(wǎng)絡(luò)的奇模等效電路的總歸一化為：

　　將參量轉(zhuǎn)換成S參量，即可得到奇偶模的反射系數(shù)和傳輸系數(shù)分別為：

　　理想情況下，4端口作為隔離端口輸出為0，輸入端口1端口沒有反射。即：

　　由 式 （ 7 ） 可 得 ？ 由 式 （ 3 ） （ 4 ） 可 得 ，B=C。即：

　　作為功分器，則有，即：。通過式（3）（4）可得：

　　即：，再結(jié)合式（8）可得出a和c的一個關(guān)系。在此基礎(chǔ)上運用仿真軟件對該功分器進行建模和仿真。

　　2 仿真設(shè)計與實現(xiàn)

　　根據(jù)前文的分析，本設(shè)計中采用的也是五孔耦合方式。采用HFSS仿真軟件建模仿真，仿真模型如圖4(a)所示，然后對模型進行仿真優(yōu)化。通過改變5個孔的尺寸以及孔與孔之間的孔距來改變耦合器的各項性能。

　　在仿真和優(yōu)化過程中，5個孔的尺寸以及孔與孔之間的孔距涉及到較多的變量，使得仿真優(yōu)化的計算量過大，耗時較長。因此將模型簡化，將5個孔的尺寸設(shè)為一致，各孔間的孔距也設(shè)為一致，這樣提高了仿真優(yōu)化的效率，大大壓縮了仿真的時間。

　　通過仿真優(yōu)化出一組最符合指標要求的尺寸后，我們按照該尺寸對模型進行加工。耦合器采用鋁實現(xiàn)，為增加加工精度，以波導(dǎo)寬邊的中心點為剖面，將耦合器分為兩個部分進行加工。耦合器的示意圖如圖4（b）所示。為了減少耦合器的插損，并綜合成本考慮，將鋁的表面鍍銀。

　　隨后對耦合器進行指標測試，并將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖3所示。

　　圖5（a）為多枝節(jié)波導(dǎo)定向耦合功分器S ₂₁ 和S ₃₁ 的仿真和測試數(shù)據(jù)對比。從圖中可以看到，仿真數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)比較吻合度較高。S ₂₁ 測試數(shù)據(jù)在2.4 dB~3.4 dB之間，不平坦度約為1 dB。S ₃₁ 測試數(shù)據(jù)在-2.9 dB~-3.9 dB之間，不平坦度約為1 dB。從圖3(a)的數(shù)據(jù)可以看出，該多枝節(jié)波導(dǎo)定向耦合功分器并不能單獨作為功分器或者合成器在電路中使用，需要配對的分配合成網(wǎng)絡(luò)中使用。

　　圖5（b）為多枝節(jié)波導(dǎo)定向耦合功分器S ₁₁ 和S ₂₃ 的仿真和測試數(shù)據(jù)對比。S ₁₁ 的仿真數(shù)據(jù)和測試結(jié)果吻合度高，測試結(jié)果顯示S ₁₁ 基本上在-20 dB以下，性能良好。而S ₂₃ 仿真數(shù)據(jù)在-20 dB以下，但實測結(jié)果在-15 dB~-20dB之間，有一定的差距。

　　3 結(jié)果分析

　　從前面的實物測試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的對比可以看出，S ₁₁ 、S ₂₁ 、S ₃₁ 等指標，仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)吻合，但是S ₂₃ 實測和仿真數(shù)據(jù)有一定差距。S ₂₁ 、S ₃₁ 仿真和實測數(shù)據(jù)趨勢相同，吻合度相當高，這也保證了S ₁₁ 的仿真和實測數(shù)據(jù)基本吻合。S ₂₃ 即2、3端口隔離度仿真數(shù)據(jù)比實測數(shù)據(jù)高5 dB~6 dB，有一定的差距。分析造成這一結(jié)果的原因有以下幾點。①加工原因，加工存在的誤差、腔體的光潔度不夠，都能使得仿真和實測不相符；②仿真設(shè)計因素，由于仿真軟件的原因或者參數(shù)設(shè)置問題，導(dǎo)致仿真結(jié)果和實測本來就存在一定的誤差。

　　本設(shè)計對仿真和加工精度要求較高，當實物完成加工后，缺少有效的調(diào)試手段，對耦合器進行適當?shù)奈⒄{(diào)，優(yōu)化性能。在后續(xù)的設(shè)計中，考慮在開孔處加入調(diào)諧螺釘，加強性能的可調(diào)性。

　　參考文獻

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　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第47頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。