摘  要： 論述了一種新的以Wilkinson功分器為原理，采用同軸空氣線結(jié)構(gòu)形式，并在相鄰端口間采用接地電阻實(shí)現(xiàn)隔離的大功率、高隔離度的同軸型寬帶信道合成器的設(shè)計(jì)。通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式和輸入端口間的阻抗匹配性，使得該信道合成器連續(xù)波功率可達(dá)到200 W，頻帶在310 MHz~410 MHz。實(shí)驗(yàn)過程是先應(yīng)用HFSS進(jìn)行三維電磁場模擬仿真，然后對實(shí)物進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模擬仿真結(jié)果與實(shí)物測試結(jié)果相吻合，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

　　關(guān)鍵詞： 大功率；同軸；合成器

　　由于集群移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，頻譜資源顯得極其匱乏，低損耗、大功率、高隔離的集群通信信道合成器越來越受到重視[1]?，F(xiàn)有的集群通信信道合成器主要有同軸窄帶點(diǎn)頻和寬帶微帶線結(jié)構(gòu)兩種[2]。同軸點(diǎn)頻信道合成器雖然插損小，但是帶寬窄、信道容量小，實(shí)現(xiàn)起來寬帶體積較大，運(yùn)輸也很困難[3]。微帶線結(jié)構(gòu)插損大、功率容量小，要實(shí)現(xiàn)寬帶，需采用多級(jí)級(jí)聯(lián)的形式，這樣體積較大，且插損會(huì)更加惡化，影響系統(tǒng)的安裝。傳統(tǒng)的同軸功分器也可以實(shí)現(xiàn)信道合成的功能，但是隔離度比較差，不適合信道功率合成[4-5]。微波高頻無源器件與其他電子元器件不同，都是按照系統(tǒng)的實(shí)際需求進(jìn)行研制生產(chǎn)的，并沒有完全統(tǒng)一的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。而目前國內(nèi)市場上同類產(chǎn)品的指標(biāo)基本保證在：回波損耗小于-15 dB，隔離度在15 dB~20 dB之間，功率不超過50 W[8-9]。因此，研制一款基于同軸結(jié)構(gòu)的高隔離、大功率、寬帶信道合成器具有很大的實(shí)際意義。

　　在最近幾年出現(xiàn)了大量的微波電路仿真軟件，其中，高頻結(jié)構(gòu)仿真器HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一種電磁場三維仿真軟件。而且由Ansoft HFSS和Ansoft Designer構(gòu)成的Ansoft高頻解決方案，是以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級(jí)的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，幾乎覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。因此，本文使用HFSS對功分器進(jìn)行建模仿真也是合理的[10]。

　　在設(shè)計(jì)過程中，首先選擇合理的同軸線結(jié)構(gòu)尺寸，使其功率承受能達(dá)到200 W，從原理出發(fā)計(jì)算各分支的阻抗及隔離接地電阻的大小，并且利用Ansoft公司推出的基于有限元方法分析微波工程問題的三維電磁仿真軟件HFSS建立三維模型，對本方案進(jìn)行仿真計(jì)算，在仿真結(jié)果達(dá)標(biāo)之后，再對制成的實(shí)物進(jìn)行實(shí)際測試。仿真結(jié)果與實(shí)際的測試結(jié)果都證明了本方案的可行性。本文研制的信道合成器的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

　　1 Wilkinson功分器的原理分析

　　1.1 分配原理

　　傳輸線結(jié)構(gòu)Wilkinson功分器[11]原理示意如圖1所示。

　　設(shè)主臂①（功率輸入端）的特性阻抗為Z0，支臂①~②與①~③的特性阻抗分別為Z02和Z03，它們的終端負(fù)載分別為R2和R3，電壓的復(fù)振幅分別為U2和U3，功率分別為P2和P3。假設(shè)微帶線本身是無損耗的，兩個(gè)支臂對應(yīng)點(diǎn)對地（零電位）的電壓是相等的，那么，就可以得到如下的關(guān)系式：

　　若k=1，則R2=R3，P2=P3。

　　1.2 階梯阻抗變換原理

　　在需要寬帶匹配的場合，應(yīng)使用多節(jié)階梯阻抗變換器或各種漸變線變換器。在多節(jié)階梯阻抗變換器中，各阻抗階梯所產(chǎn)生的反射波彼此抵消，展寬了匹配的頻帶。在多節(jié)階梯阻抗變換器中最常用的是每節(jié)長度為1/4波長的變換器，如圖2所示。

　　對于單節(jié)的1/4波長阻抗匹配。對于多節(jié)的1/4波長阻抗匹配，計(jì)算原理同單節(jié)，每一節(jié)的阻抗都等于前后阻抗的幾何平均值，

　　一個(gè)功分器各輸出路之間如果沒有隔離，信號(hào)就會(huì)相互干擾，因此也就無法實(shí)現(xiàn)功分，下面將對如何實(shí)現(xiàn)隔離進(jìn)行分析。

　　1.3 隔離原理

　　為了實(shí)現(xiàn)隔離可通過輸出路與路間的阻抗匹配（常稱為隔離電阻）來實(shí)現(xiàn)，下面采用奇、偶模法來進(jìn)行分析。

　　偶模電壓激勵(lì)等效圖如圖3所示[12]，當(dāng)偶模電壓激勵(lì)時(shí)，兩路的相位是一樣的，信號(hào)沿階梯阻抗變換器傳輸，理論上隔離電阻上是沒有信號(hào)的，該電路是完全匹配的。

　　奇模電壓激勵(lì)等效圖如圖4所示[13]，當(dāng)奇模電壓激勵(lì)時(shí)，兩路的相位相差為180°，信號(hào)沿隔離電阻傳輸，要達(dá)到匹配，就需要對隔離電阻進(jìn)行分析。

　　當(dāng)1/4波長變換器的節(jié)數(shù)m=1時(shí)，如圖5所示，此時(shí)1/4波長阻抗為70.7 Ω，長度為中心頻率波長的1/4[14]。對于等功率分配器，有P2=P3，k=1，于是隔離電阻R=2×Z=100 Ω。圖5為1/4 Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)示意圖。

　　2 Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)與仿真

　　本文設(shè)計(jì)的是一種以Wilkinson功分器為原理，應(yīng)用其逆過程，研制中心頻率為363.5 MHz、帶寬為100 MHz、功率容量200 W的同軸腔體四合一信道合成器。根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)（工作頻段、輸入輸出端口的反射損耗和信道間的隔離度）要求，由寬帶功分器設(shè)計(jì)理論確定功分器的具體結(jié)構(gòu)，并計(jì)算出同軸腔體內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體的尺寸，各段1/4波長阻抗線的特性阻抗及物理長度[15]，以及隔離電阻的阻值。具體實(shí)現(xiàn)是采用單節(jié)電長度為1/4波長的同軸空氣線加隔離接地電阻來實(shí)現(xiàn)一分二功分，優(yōu)化接地電阻位置及公共端口與分之處的阻抗匹配，使性能滿足指標(biāo)要求。為了實(shí)現(xiàn)寬帶，通過在兩個(gè)輸入口級(jí)聯(lián)單節(jié)電長度1/4波長的同軸空氣線加接地隔離電阻來實(shí)現(xiàn)四功分。通過優(yōu)化兩節(jié)級(jí)聯(lián)處過度同軸空氣線的阻抗匹配，使得最終仿真優(yōu)化的結(jié)果滿足了技術(shù)指標(biāo)要求。

　　HFSS是作為微波通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的三維全波電磁場仿真工具，對于高頻器件的快速設(shè)計(jì)必不可少。圖6為應(yīng)用三維電磁場仿真軟件HFSS對功分器進(jìn)行建模仿真的仿真模型，圖7為仿真結(jié)果，圖8為實(shí)物照片。

　　由仿真結(jié)果可知，S12插損為6 dB，接近一分四功分器的理論值。S11反射損耗在100 MHz帶寬內(nèi)都低于-21 dB以下。端口之間的隔離度S23總體保持在25 dB以上，與指標(biāo)要求相吻合。

　　3 Wilkinson功分器的加工實(shí)現(xiàn)與測試

　　對于微波無源器件來說，要使其具備大容量的功率，需要考慮以下幾個(gè)問題：（1）內(nèi)外導(dǎo)體的尺寸比例如何選擇才能解決器件本身耐受的大功率；（2）配件的耐受功率容量；（3）器件的散熱問題[16]。

　　為解決普通Wilkinson功分器功率容量小的問題，本文舍棄了普通Wilkinson功分器常用的微帶線結(jié)構(gòu)形式，而改用同軸空氣線結(jié)構(gòu)，利用同軸空氣線結(jié)構(gòu)的特性解決了功率容量小的問題。由于同軸空氣線結(jié)構(gòu)的功分器的優(yōu)點(diǎn)是功率容量大，插損小；而缺點(diǎn)是輸出端反射損耗比大，同時(shí)又存在輸出端口間無任何隔離，同軸腔體加工難度大、精度要求高。所以，在本方案設(shè)計(jì)過程中，不是采用現(xiàn)有器件搭建的方式，而是采用模塊化與機(jī)械加工相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)。直接一次加工成腔體，這樣既增加了腔體的可靠性，減小了加工難度，又對于空氣腔不用鍍銀處理，只需對內(nèi)導(dǎo)體進(jìn)行電鍍處理，這樣既節(jié)約了加工時(shí)間又減少了加工成本。

　　本方案用高功率容量接地電阻，這樣既提高了端口的阻抗匹配性，又改善了端口的隔離度。并且在接地隔離電阻與腔體接觸面涂覆導(dǎo)熱硅脂，使接地隔離電阻直接通過金屬的腔體進(jìn)行散熱。

　　對于大功率無源微波器件來說，由于功率容量過大導(dǎo)致器件發(fā)熱過高，使得器件本身的性能受到影響甚至降低[17]。本文所設(shè)計(jì)的Wilkinson功分器是采用模塊化與機(jī)械加工相結(jié)合的方式，器件腔體是由整塊的金屬經(jīng)過切削加工而成的，因此具有良好的散熱性。接地隔離電阻與腔體緊密配合并且涂覆有導(dǎo)熱硅脂，不會(huì)出現(xiàn)接地隔離電阻局部過熱而導(dǎo)致電阻燒壞的現(xiàn)象，從而很好地解決了散熱問題，保證了產(chǎn)品的電氣技術(shù)性能。

　　圖9是利用依愛37629矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對試制樣品的各功能指標(biāo)實(shí)施測試的結(jié)果。

　　試制件的實(shí)測值為：端口回波損耗均小于-20 dB以下，插損值維持在6 dB以內(nèi)，中心頻率363.25 MHz處小于-21 dB，端口處的實(shí)際隔離度均達(dá)到25 dB以上。將信道合成器輸入200 W連續(xù)波功率，30 min后測試，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與常溫下的測試結(jié)果一致。

　　通過分析仿真和實(shí)物測試結(jié)果，兩者基本吻合。通過對隔離電阻位置進(jìn)行微調(diào)，實(shí)測各信道間的隔離度指標(biāo)與仿真結(jié)果基本一致，在整個(gè)頻帶內(nèi)均大于25 dB，工作頻帶在310 MHz~410 MHz也滿足了設(shè)計(jì)要求。4信道的插入損耗在6 dB左右，接近插入損耗的理論值。由于同軸腔體的內(nèi)導(dǎo)體在折彎時(shí)不能同心，使天線端口的阻抗匹配性能受到影響，輸入輸出端口反射損耗的測試結(jié)果較仿真結(jié)果有微小的差距，但端口反射損耗均在-21 dB以下，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

　　本文論述了一種新型大功率同軸信道合成器。該合成器通過采用單節(jié)1/4波長阻抗線加功分級(jí)聯(lián)的形式，直接對金屬材料進(jìn)行機(jī)械加工成同軸腔體，并且采用二級(jí)級(jí)聯(lián)形式，適當(dāng)優(yōu)化同軸結(jié)構(gòu)尺寸使得工作頻帶可達(dá)310 MHz~410 MHz功率。仿真和實(shí)際測試結(jié)果表明，該信道合成器具有功率容量大、隔離度高、工作帶寬寬及插損小等特點(diǎn)，能滿足寬頻帶高頻信號(hào)合成傳輸，因此廣泛用于公安集群通信、井下通信、森林以及消防通信系統(tǒng)中。由于其能夠承受200 W的連續(xù)波功率，所以在安集群通信以及井下通信系統(tǒng)中具有良好的前景。

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