L波段宽带8路功率合成器设计

【摘要】本文设计了一种L波段宽带8路功率合成器，在传统Wilkinson级联的合成器的基础上，提出一种在第二级和第三级Wilkinson功分器之间加入匹配电路的新型功率合成器，从而工作在宽带系统中。设计的功率合成器工作频段为1.2-1.4GHz，合成器输出端口S11<-24dB，幅度不一致性ΔA<0.15dB，相位不一致性Δφ<0.5o，插损︱S21︱<9.4dB。考虑功放的抗失配能力，每个输入端口的电压驻波系数VSWRin<1.2。

【关键词】L波段;功率合成;Wilkinson功分器;匹配电路

1.引言

在雷达系统应用中，发射系统功率增大意味着具有更远的作用距离。因此，提高发射系统的输出功率对雷达系统性能的提高至关重要[1]。

随着半导体材料和制造工艺的进步，人们在固态微波器件领域取得了突飞猛进的进展，单个功放器件输出功率逐渐增加，但是单个固态功放输出的功率仍然难以满足系统的需要[3]。因此采用功率合成技术提高输出功率以满足系统功率需求就成为一种非常有效的解决方法，在目前雷达系统中得到了广泛使用。

在功率合成器设计中，功率合成器插损、通道间相位不一致性、幅度不一致性会影响合成效率。相对于电桥结构，Wilkinson功分器在幅度一致性，相位一致性的性能上具有明显的优势[4]。

因此在本文中，采用三级Wilkinson并馈结构，设计了一款L波段功率合成器，工作频段1.2GHz-1.4GHz，输出端口反射系数S11<-24dB，插损︱S21︱<9.4dB，幅度不一致性ΔA<0.15dB，相位不一致性Δφ<0.5o，并且保证每个输入端口的电压驻波系数VSWRin<1.2。

2.原理分析

2.1 归一化Wilkinson功分器奇偶模分析[5]

对于偶模激励，没有电流流过隔离电阻，因此不产生作用，可认为r/2阻值0Ω接开路。如图1所示：

图1 归一化的Wilkinson偶模电路

则从端口2向里看阻抗为：

Zine=                （1）

这样，若Z=，则对于偶模激励端口2匹配。

对于奇模激励，沿着Wilkinson功分器的中线是电压零点，如图2所示。

图2 归一化的Wilkinson奇模电路

端口1短路经过传输线为开路，因此，从端口2看向功分器，为r/2，这样，选择r=2，奇模端口2匹配。电阻将奇模的功率吸收，而没有反射回端口2，从而使端口2匹配。

通过以上分析，Wilkinson功分器在单频点上可以达到3个端口完全匹配。

2.2 匹配电路加宽合成器工作带宽

由于色散效应，造成了功率合成器有一定的带宽。50Ω经过特性阻抗50Ω电长度传输线后阻抗为：

Z=50×=50  （3）

由于在中心频率f0为，因此Wilkin-son功分器输入端口阻抗可表示为：

Zin=Z/2=             （4）

Wilkinson功分器输出端口阻抗可表示100Ω经过特性阻抗50Ω电长度传输线后的阻抗：

Zout=100×=   （5）

由公式（4）可推导出理论上单个Wilkin-son功分器S11<-20dB的带宽在20%左右，在内部不加匹配电路时，通过传输线级联带宽变窄，8路合成器输出端口S11<-20dB能达到的带宽小于工作带宽[6]。

图3（a） Wilkinson功分器输出端口阻抗

图3（b） Wilkinson功分器输入端口阻抗

图3（c） Wilkinson功分器输入端口经过阻抗匹配后的输入阻抗和Wilkinson功分器输出端口阻抗

为了展宽带宽，本文在第二级和第三级之间加入匹配电路，使第二级两路合成器输出阻抗（Wilkinson功分器输入阻抗）和第三级2路合成器输入阻抗（Wilkinson功分器输出阻抗）接近共轭匹配如图3（c）所示。以实现8合1功率合成总输出端口驻波指标。

由图3（a），图3（b）功分器输入阻抗和输出阻抗经过匹配电路得到图3（c），匹配电路长度接近，并且需加入了一定的阻抗变换。

3.8路功率合成器的设计

通过上述理论得到的8路合成器如图4所示，采用Taconic公司RF-35板材，物理尺寸为280mm×85mm。空气腔高度为15mm。

图4 8路合成HFSS模型

图5 8路合成器输出端口反射系数

图6 8路合成器输入端口反射系数

图7 8路合成器插损

图8 通道间相位差

最后8路合成器输出端口反射系数如图5所示，在工作带宽1.2GHz-1.4GHz，输出端口反射系数S11<-25dB。

由图6可知，工作带宽1.2GHz-1.4GHz内，输入端口反射系数小于-20dB，一般当输出端口接的负载驻波小于2时，功放仍然能正常工作。此指标保证了当有功放损坏时，不会导致其他完好功放也损坏。

由图7、图8可知插损平均为-9.33dB，幅度不一致性<0.12，相位不一致性<0.4o。

4.总结

本文应用并馈结构和Wilkinson功分器实现8路合成，保证相位和幅度的一致性。由于不加匹配时，8路合成器带宽窄，达不到指标要求，本文通过在第三级和第二级Wilkinson功分器之间加入匹配电路保证工作频带内输出端口反射系数较小，极大改善了因反射导致的插损，提高了合成效率，设计了一款性能良好的8路合成器。

参考文献

[1]刘辉，习远望，杨军，姚志健.W波段功率合成技术研究[J].火控雷达技术，2012，41（3）.

[2]党章，黄建，邹涌泉，邓力，文杰.Ku频段80W连续波空间功率合成放大器设计[J].微波学报，2010，26（2）.

[3]徐建华，蔡昱，汪珍胜，钱兴成.Ka波段100W固态功率合成器[J].电子与封装，2010，10（9）.

[4]范宁松.Ku波段固态功率放大器的研究[D].南京理工大学硕士学位论文，2008，4.

[5]David M.Pozar.微波工程[M].电子工业出版社，2006，3.

[6]清华大学《微带电路》编写组，微带电路[M].1976，9.

[7]袁孝康，王仕璠等.微波功率晶体管放大器[M].北京：人民邮电出版社，1982.

作者简介：

汪灏（1987—），男，浙江衢州人，硕士，助理工程师，现供职于西安电子工程研究所，研究方向：固态发射机技术。

杨斐（1978—），男，陕西蒲城人，高级工程师，现供职于西安电子工程研究所，研究方向：固态发射机技术。

张娟（1984—），女，山西河津人，硕士，工程师，现供职于西安电子工程研究所，研究方向：固态发射机技术。