一种波导功分器的研制

　　张志鸿，卫 明（中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 100048）

　　摘 要：功率分配器是决定功率放大器合成效率最关键的器件之一。本文设计的功率分配器采用3 dB多枝节耦合器形式实现, 该器件结构简单，在14 GHz~16 GHz频段范围内具有低插损、高隔离等优点。通过仿真软件HFSS对该器件进行了建模仿真，并加工出实物，实际测得该功分器输入端的回波损耗小于-19 dB，两输出端口间隔离度大于15 dB。实测数据和仿真数据吻合度较高，性能良好。

　　关键词：功分器；定向耦合器；Ku波段

　　0 引言

　　功率分配器是一个重要的微波无源器件，广泛应用于通信、雷达以及电子战等电子系统中。近年来，在系统需要的牵引下，功率分配器正朝着宽频带、低插损以及高功率方向发展。传统的微带传输线功分器(如威尔金森、分支线电桥、环形电桥等)，Q值低，易实现宽带，但具有损耗大、功率容量小等缺点。基于波导传输结构的功率分配器(如H面T分支、E面T分支、魔T等)损耗小于普通的平面传输线，具有功率容量大等特点，因而广泛应用于高功率场合 ^[1] 。它们都是通过在波导内加上额外的匹配元件来抵消波导不连续性所带来的影响，从而实现匹配的。但HT和ET由于是三端口器件，无法做到完全匹配，实现较高的端口隔离度较难 ^[2] ，魔T则由于空间限制，对于某些有空间要求的电路并不适用。本文介绍了一种结构简单容易实现的多枝节波导耦合器结构用作功分器，并给出了其在HFSS中的仿真结果和实物测试结果。

　　1 工作原理

　　本设计中的3 dB多枝节波导定向耦合器模型如图1所示，其中，1端口是输入端；2端口是输出端口；3端口是耦合端口；4端口是隔离端口。由于耦合度为3dB，因此当信号从1端口输入时，2端口和3端口的输出信号幅度是一样的，4端口没有信号输出，从而实现了功分器的功能。

　　本设计中采用五孔耦合的模型，如图1所示。由于多分支波导定向耦合器的结构对称，因此可以以对称面为界,利用奇偶模理论对如图1所示的五孔3dB定向耦合器进行分析，忽略节效应，当波导吸收负载端口和波导输入端口为偶模激励时,对称面上为电压波腹点,此时该耦合器可被分成为以对称面为界的两个相互独立并且相同的二端口网络。在此不妨假设这5个分支线的长度均为λ/4,各个分支线之间两两相隔λ/4，中间3个分支线相对于主波导的等效特性阻抗均为а,最外面两侧分支线相对于主波导的等效特性阻抗均为c。则该二端口网络偶模等效电路如图2所示,奇模等效电路如图3所示。

　　二端口网络的偶模等效电路的总归一化为：

　　为了简化，用A、B、C指代上述方程式。同理，二端口网络的奇模等效电路的总归一化为：

　　将参量转换成S参量，即可得到奇偶模的反射系数和传输系数分别为：

　　理想情况下，4端口作为隔离端口输出为0，输入端口1端口没有反射。即：

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

　　作为功分器，则有，即：。通过式（3）（4）可得：

　　即：，再结合式（8）可得出a和c的一个关系。在此基础上运用仿真软件对该功分器进行建模和仿真。

　　2 仿真设计与实现

　　根据前文的分析，本设计中采用的也是五孔耦合方式。采用HFSS仿真软件建模仿真，仿真模型如图4(a)所示，然后对模型进行仿真优化。通过改变5个孔的尺寸以及孔与孔之间的孔距来改变耦合器的各项性能。

　　在仿真和优化过程中，5个孔的尺寸以及孔与孔之间的孔距涉及到较多的变量，使得仿真优化的计算量过大，耗时较长。因此将模型简化，将5个孔的尺寸设为一致，各孔间的孔距也设为一致，这样提高了仿真优化的效率，大大压缩了仿真的时间。

　　通过仿真优化出一组最符合指标要求的尺寸后，我们按照该尺寸对模型进行加工。耦合器采用铝实现，为增加加工精度，以波导宽边的中心点为剖面，将耦合器分为两个部分进行加工。耦合器的示意图如图4（b）所示。为了减少耦合器的插损，并综合成本考虑，将铝的表面镀银。

　　随后对耦合器进行指标测试，并将测试结果与仿真结果进行对比，结果如图3所示。

　　图5（a）为多枝节波导定向耦合功分器S ₂₁ 和S ₃₁ 的仿真和测试数据对比。从图中可以看到，仿真数据和测试数据比较吻合度较高。S ₂₁ 测试数据在2.4 dB~3.4 dB之间，不平坦度约为1 dB。S ₃₁ 测试数据在-2.9 dB~-3.9 dB之间，不平坦度约为1 dB。从图3(a)的数据可以看出，该多枝节波导定向耦合功分器并不能单独作为功分器或者合成器在电路中使用，需要配对的分配合成网络中使用。

　　图5（b）为多枝节波导定向耦合功分器S ₁₁ 和S ₂₃ 的仿真和测试数据对比。S ₁₁ 的仿真数据和测试结果吻合度高，测试结果显示S ₁₁ 基本上在-20 dB以下，性能良好。而S ₂₃ 仿真数据在-20 dB以下，但实测结果在-15 dB~-20dB之间，有一定的差距。

　　3 结果分析

　　从前面的实物测试数据和仿真数据的对比可以看出，S ₁₁ 、S ₂₁ 、S ₃₁ 等指标，仿真数据和实测数据吻合，但是S ₂₃ 实测和仿真数据有一定差距。S ₂₁ 、S ₃₁ 仿真和实测数据趋势相同，吻合度相当高，这也保证了S ₁₁ 的仿真和实测数据基本吻合。S ₂₃ 即2、3端口隔离度仿真数据比实测数据高5 dB~6 dB，有一定的差距。分析造成这一结果的原因有以下几点。①加工原因，加工存在的误差、腔体的光洁度不够，都能使得仿真和实测不相符；②仿真设计因素，由于仿真软件的原因或者参数设置问题，导致仿真结果和实测本来就存在一定的误差。

　　本设计对仿真和加工精度要求较高，当实物完成加工后，缺少有效的调试手段，对耦合器进行适当的微调，优化性能。在后续的设计中，考虑在开孔处加入调谐螺钉，加强性能的可调性。

　　参考文献

　　[1]党章,邹涌泉,张玉兴,等.一种新颖的Ku频段宽带波导功分器[J].电讯技术,2007,47(6):106-108.

　　[2]崔白彬,罗永伦.Ka波段E面3dB分支波导耦合器[C].2007年全国微波毫米波会议论文集,2007:1010-1013.

　　[3]Ho T Q,Shih Y.Spectral-domain analysis of E-planewaveguide to microstrip transitions[J].IEEE Trans. MicrowaveTheory Tech,1989,37(2):388-392.

　　[4]王文祥.微波工程技术[M].北京:国防工业出版社,2009:1-677.

　　[5]李宗谦,佘京兆,高葆新.微波工程基础[M].北京:清华大学出版社,2004.

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第10期第47页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。