高功率低损耗六路功分器的设计与分析
张力平+周彭博+左秀权+王兵+孙安
摘 要： 针对高功率微波对功率放大器轻重量和小体积的要求，采用基于功率分配合成技术中的同相叠加原理，设计了一种C波段的结构紧凑型窄带6路功率分配器。该分配器通过射频同轴N型连接器输入射频信号，通过环形无氧铜窄带线等相均分为6路。利用CST软件对该器件进行了初步结构优化设计和S?parameter模拟仿真，理论传输系数为-7.78 dB。结果表明，该器件能承受5.0～5.3 GHz的工作频率，功率容量达到1 000 W，各端口的功率传输效率达到97.5%以上，插入损耗为0.2 dB以内，完全可以满足使用要求。
关键词： 高频高功率微波； C波段； 功分器； 同相叠加原理
中图分类号： TN626?34； TN811； TN813 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0120?04
Design and analysis of six?channel power divider with high power and low loss
ZHANG Liping1，2， ZHOU Pengbo1， ZUO Xiuquan1， WANG Bing1， SUN An2，3
（1. MOE Key Laboratory of Road Construction & Equipment， Changan University， Xian 710064， China；
2. ADS?SRF Inc.， Zhenjiang 212009， China； 3. Proton Linear Accelerator Institute， Nanjing University， Nanjing 210000， China）
Abstract： In the light of the high?power microwave′s requirements of light weight and small size for power amplifier， the in?phase superposition principle based on power allocation and synthesis technology is used to design a compact structure narrowband 6?channel power divider working in C?band. The RF signals are input into the divider through RF coaxial N?type connector， and divided into 6 in?phase channels equally through annular oxygen?free copper narrowband line. The CST software is adopted to carry out the preliminary structure optimization design and S?parameter simulation of the device， whose theoretical transmission coefficient is -7.78 dB. Simulation results show that the device can bear the working frequency of 5.0～5.3 GHz， its power capacity can reach up to 1 000 W， its power transmission efficiency of each port is higher than 97.5%， and its insertion loss is within 0.2 dB， which can meet the operating requirements completely.
Keywords： high?frequency and high?power microwave； C?band； power divider； in?phase superposition principle
0 引 言
功率分配器是将一个功率源的输入功率根据需要分成两路或多路的器件，广泛应用在微波功率放大器、卫星、广播电视以及带电粒子加速器等领域。
由于在无线通信设备中，要保证信号强、稳定而且距离足够远的条件，待传输的信号必须通过一系列的功率放大直至获得足够大的功率再发送至发射天线。单个功率放大器件能提供较大的传输效率，但其加工工艺困难、工作电压高、器件尺寸和重量大，限制了其在可移动发射设备中的应用。因此，采用功率分配合成技术将固态器件输出功率进行分配放大后再同相叠加[1?3]，是获得更高输出功率的有效途径之一，而功率分配器是放大系统中不可或缺的一环。由于传统波导功分器在高频情况下，波导尺寸较大，导致功率分配器的整体尺寸变大；而体积较小的微带线功分器无法满足高频要求；针对上述问题，本文提出并模擬设计和仿真了一种窄带线六路功率分配器，最后行进了实验测试以及分析。实现其在体积最小化的情况下，满足承受频率高、功率容量大，并且拥有良好传输性的要求，应用于C波段无线通信放大设备发射端中。
3 实验及结果分析
根据模拟仿真以及机械设计图，加工了相应的六路功率分配器。采用KEYSIGHT E5072A双端口矢量网络分析仪（模拟带宽为30 kHz～8.5 GHz）进行测试，由于功分器拥有6个输出端口，在实际测量时，测试时无法同时测量6个端口，因此要在其他5个非测量端口接上同轴负载，以消耗功率。采用矢量网络分析仪的Port1口接6路功分器的Port1输入端口，然后将矢量分析仪的Port2口分别接6路功分器的Port2～Port7输出端口，测量各个端口的参数得到如图7所示的数据。
由图7（a）可以看出，在5.0～5.3 GHz的频带范围内，当输出端Port2口匹配时，Port1输入端口到Port2输出端口的正向传输系数S21 Log Mag（magnitude in dB）为-7.95 dB（中心频段5.15 GHz），与理论值-7.78 dB的插损0.17 dB，说明分配系数较为平均，因此该功分器分配成六路的功率基本属于均匀分配；由图7（b）、图7（c）可以看出，在5.0～5.3 GHz频带范围内，Port1输入端口的反射系数S11 Log Mag均在-16 dB以下，Port2输出端口的反射系数S22 Log Mag均在-15 dB以下，说明输入和输出端口所反射回去的功率极低，从而不会出现功率在传输的同时存在大量功率返回去的情况；由图7（d）可以看出，输出分配口Port2端口的驻波比S22 VSWR（Voltage Standing Wave Ratio）在1.3以下，说明各输出端口有着优良的传输性能。由于该功分器输出端口较多，因此将各个输出端口中心频段5.15 GHz的各项数据以表格的形式记录在表1之中。
由于功分器功率的分配主要由腔体内窄带线来完成，因此，窄带线在腔内的位置对其参数有着至关重要的影响。但通过测试数据结果可以看出，该功分器的窄带线通过在结构上的位置固定，保证了其在腔体内的位置与仿真建模相符。所以良好地保证了该功分器的测试数据与仿真数据的一致性，满足最初设计要求。
4 结 论
本文设计并加工了一种小型高频的六路功分器，根据KEYSIGHT E5072A双端口矢量网络分析仪测试测试数据可知，在带宽为5.0～5.3 GHz情况下，该六路功分器是可行的，能够实现微波功率由1路同轴输入、6路同轴的近似等幅同相输出，具有频率高、反射系数低、插损小、驻波比小等优点。经过实践装配在C波段1 000 W无线放大设备发射端中，对高功率条件下的功率分配性能良好，与最初的设计目的达成一致，并希望在更多的移动无线放大设备中发挥巨大的空间，能得到更加广泛的使用。
参考文献
[1] 张嘉焱，舒挺，袁成卫.高功率微波空间功率合成的初步研究[J].强激光与粒子束，2007，19（6）：915?918.
[2] 李国林，舒挺，袁成卫.S波段高功率微波波导输出多工器研究[J].强激光与粒子束，2007，19（4）：667?670.
[3] 李相强，刘庆想，张键穹，等.S波段多路径向线功率分配器的设计与实验[J].强激光与粒子束，2010，22（7）：1591?1594.
[4] 何建平，刘永锋.一种C波段一分三功分器的优化设计[J].信息通信，2015（7）：41?42.
[5] 刘成帅，罗勇.一种Ka波段6路功率分配/合成模块的设计[J].太赫兹科学与電子信息学报，2014，12（3）：420?424.
[6] 黎安尧.微波技术基础[M].成都：电子科技大学出版社，1998.
[7] CHEN Shuguang. A radial waveguide power divider for Ka band phased array antennas [C]// Proceedings of the 3rd International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology. [S.l.]： IEEE， 2002： 948?951.
[8] 严少敏.Ku波段小型化超宽带一分四功分器设计[J].中国西部科技，2015，14（5）：40?41.
[9] 杨星华.X波段一分八带状线功分器设计实现[J].科学时代，2015（11）：35.
[10] 龚志.基于波导的毫米波空间功率合成放大器研究[D].广州：华南理工大学，2011.
[11] 刘汝媚.基于C波段无线网的模拟飞行视频遥测传输技术研究[J].现代电子技术，2016，39（9）：117?120.
摘 要： 针对高功率微波对功率放大器轻重量和小体积的要求，采用基于功率分配合成技术中的同相叠加原理，设计了一种C波段的结构紧凑型窄带6路功率分配器。该分配器通过射频同轴N型连接器输入射频信号，通过环形无氧铜窄带线等相均分为6路。利用CST软件对该器件进行了初步结构优化设计和S?parameter模拟仿真，理论传输系数为-7.78 dB。结果表明，该器件能承受5.0～5.3 GHz的工作频率，功率容量达到1 000 W，各端口的功率传输效率达到97.5%以上，插入损耗为0.2 dB以内，完全可以满足使用要求。
关键词： 高频高功率微波； C波段； 功分器； 同相叠加原理
中图分类号： TN626?34； TN811； TN813 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0120?04
Design and analysis of six?channel power divider with high power and low loss
ZHANG Liping1，2， ZHOU Pengbo1， ZUO Xiuquan1， WANG Bing1， SUN An2，3
（1. MOE Key Laboratory of Road Construction & Equipment， Changan University， Xian 710064， China；
2. ADS?SRF Inc.， Zhenjiang 212009， China； 3. Proton Linear Accelerator Institute， Nanjing University， Nanjing 210000， China）
Abstract： In the light of the high?power microwave′s requirements of light weight and small size for power amplifier， the in?phase superposition principle based on power allocation and synthesis technology is used to design a compact structure narrowband 6?channel power divider working in C?band. The RF signals are input into the divider through RF coaxial N?type connector， and divided into 6 in?phase channels equally through annular oxygen?free copper narrowband line. The CST software is adopted to carry out the preliminary structure optimization design and S?parameter simulation of the device， whose theoretical transmission coefficient is -7.78 dB. Simulation results show that the device can bear the working frequency of 5.0～5.3 GHz， its power capacity can reach up to 1 000 W， its power transmission efficiency of each port is higher than 97.5%， and its insertion loss is within 0.2 dB， which can meet the operating requirements completely.
Keywords： high?frequency and high?power microwave； C?band； power divider； in?phase superposition principle
0 引 言
功率分配器是将一个功率源的输入功率根据需要分成两路或多路的器件，广泛应用在微波功率放大器、卫星、广播电视以及带电粒子加速器等领域。
由于在无线通信设备中，要保证信号强、稳定而且距离足够远的条件，待传输的信号必须通过一系列的功率放大直至获得足够大的功率再发送至发射天线。单个功率放大器件能提供较大的传输效率，但其加工工艺困难、工作电压高、器件尺寸和重量大，限制了其在可移动发射设备中的应用。因此，采用功率分配合成技术将固态器件输出功率进行分配放大后再同相叠加[1?3]，是获得更高输出功率的有效途径之一，而功率分配器是放大系统中不可或缺的一环。由于传统波导功分器在高频情况下，波导尺寸较大，导致功率分配器的整体尺寸变大；而体积较小的微带线功分器无法满足高频要求；针对上述问题，本文提出并模擬设计和仿真了一种窄带线六路功率分配器，最后行进了实验测试以及分析。实现其在体积最小化的情况下，满足承受频率高、功率容量大，并且拥有良好传输性的要求，应用于C波段无线通信放大设备发射端中。
3 实验及结果分析
根据模拟仿真以及机械设计图，加工了相应的六路功率分配器。采用KEYSIGHT E5072A双端口矢量网络分析仪（模拟带宽为30 kHz～8.5 GHz）进行测试，由于功分器拥有6个输出端口，在实际测量时，测试时无法同时测量6个端口，因此要在其他5个非测量端口接上同轴负载，以消耗功率。采用矢量网络分析仪的Port1口接6路功分器的Port1输入端口，然后将矢量分析仪的Port2口分别接6路功分器的Port2～Port7输出端口，测量各个端口的参数得到如图7所示的数据。
由图7（a）可以看出，在5.0～5.3 GHz的频带范围内，当输出端Port2口匹配时，Port1输入端口到Port2输出端口的正向传输系数S21 Log Mag（magnitude in dB）为-7.95 dB（中心频段5.15 GHz），与理论值-7.78 dB的插损0.17 dB，说明分配系数较为平均，因此该功分器分配成六路的功率基本属于均匀分配；由图7（b）、图7（c）可以看出，在5.0～5.3 GHz频带范围内，Port1输入端口的反射系数S11 Log Mag均在-16 dB以下，Port2输出端口的反射系数S22 Log Mag均在-15 dB以下，说明输入和输出端口所反射回去的功率极低，从而不会出现功率在传输的同时存在大量功率返回去的情况；由图7（d）可以看出，输出分配口Port2端口的驻波比S22 VSWR（Voltage Standing Wave Ratio）在1.3以下，说明各输出端口有着优良的传输性能。由于该功分器输出端口较多，因此将各个输出端口中心频段5.15 GHz的各项数据以表格的形式记录在表1之中。
由于功分器功率的分配主要由腔体内窄带线来完成，因此，窄带线在腔内的位置对其参数有着至关重要的影响。但通过测试数据结果可以看出，该功分器的窄带线通过在结构上的位置固定，保证了其在腔体内的位置与仿真建模相符。所以良好地保证了该功分器的测试数据与仿真数据的一致性，满足最初设计要求。
4 结 论
本文设计并加工了一种小型高频的六路功分器，根据KEYSIGHT E5072A双端口矢量网络分析仪测试测试数据可知，在带宽为5.0～5.3 GHz情况下，该六路功分器是可行的，能够实现微波功率由1路同轴输入、6路同轴的近似等幅同相输出，具有频率高、反射系数低、插损小、驻波比小等优点。经过实践装配在C波段1 000 W无线放大设备发射端中，对高功率条件下的功率分配性能良好，与最初的设计目的达成一致，并希望在更多的移动无线放大设备中发挥巨大的空间，能得到更加广泛的使用。
参考文献
[1] 张嘉焱，舒挺，袁成卫.高功率微波空间功率合成的初步研究[J].强激光与粒子束，2007，19（6）：915?918.
[2] 李国林，舒挺，袁成卫.S波段高功率微波波导输出多工器研究[J].强激光与粒子束，2007，19（4）：667?670.
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[6] 黎安尧.微波技术基础[M].成都：电子科技大学出版社，1998.
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[10] 龚志.基于波导的毫米波空间功率合成放大器研究[D].广州：华南理工大学，2011.
[11] 刘汝媚.基于C波段无线网的模拟飞行视频遥测传输技术研究[J].现代电子技术，2016，39（9）：117?120.
