L波段寬帶8路功率合成器設計

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【摘要】本文設計了一種L波段寬帶8路功率合成器，在傳統(tǒng)Wilkinson級聯(lián)的合成器的根基上，提出一種在其次級和第三級Wilkinson功分器之間參與匹配電路的新型功率合成器，從而工作在寬帶系統(tǒng)中。設計的功率合成器工作頻段為1.2-1.4GHz，合成器輸出端口S11<-24dB，幅度不一致性ΔA<0.15dB，相位不一致性Δφ<0.5o，插損︱S21︱9.4dB?？紤]功放的抗失配才能，每個輸入端口的電壓駐波系數(shù)VSWRin<1.2。

【關鍵詞】L波段;功率合成;Wilkinson功分器;匹配電路

1.引言

在雷達系統(tǒng)應用中，放射系統(tǒng)功率增大意味著具有更遠的作用距離。因此，提高放射系統(tǒng)的輸出功率對雷達系統(tǒng)性能的提高至關重要[1]。

隨著半導體材料和制造工藝的進步，人們在固態(tài)微波器件領域取得了突飛猛進的進展，單個功放器件輸出功率逐步增加，但是單個固態(tài)功放輸出的功率依舊難以得志系統(tǒng)的需要[3]。因此采用功率合成技術提高輸出功率以得志系統(tǒng)功率需求就成為一種分外有效的解決方法，在目前雷達系統(tǒng)中得到了廣泛使用。

在功率合成器設計中，功率合成器插損、通道間相位不一致性、幅度不一致性會影響合成效率。相對于電橋布局，Wilkinson功分器在幅度一致性，相位一致性的性能上具有明顯的優(yōu)勢[4]。

因此在本文中，采用三級Wilkinson并饋布局，設計了一款L波段功率合成器，工作頻段1.2GHz-1.4GHz，輸出端口反射系數(shù)S11<-24dB，插損︱S21︱9.4dB，幅度不一致性ΔA<0.15dB，相位不一致性Δφ<0.5o，并且保證每個輸入端口的電壓駐波系數(shù)VSWRin<1.2。

2.原理分析

2.1歸一化Wilkinson功分器奇偶模分析[5]

對于偶模鼓舞，沒有電流流過隔離電阻，因此不產(chǎn)生作用，可認為r/2阻值0Ω接開路。如圖1所示：

圖1歸一化的Wilkinson偶模電路

那么從端口2向里看阻抗為：

Zine=（1）

這樣，若Z=，那么對于偶模鼓舞端口2匹配。

對于奇模鼓舞，沿著Wilkinson功分器的中線是電壓零點，如圖2所示。

圖2歸一化的Wilkinson奇模電路

端口1短路經(jīng)過傳輸線為開路，因此，從端口2看向功分器，為r/2，這樣，選擇r=2，奇模端口2匹配。電阻將奇模的功率吸收，而沒有反射回端口2，從而使端口2匹配。

通過以上分析，Wilkinson功分器在單頻點上可以達成3個端口完全匹配。

2.2匹配電路加寬合成器工作帶寬

由于色散效應，造成了功率合成器有確定的帶寬。50Ω經(jīng)過特性阻抗50Ω電長度傳輸線后阻抗為：

Z=50×=50（3）

由于在中心頻率f0為，因此Wilkin-son功分器輸入端口阻抗可表示為：

Zin=Z/2=（4）

Wilkinson功分器輸出端口阻抗可表示100Ω經(jīng)過特性阻抗50Ω電長度傳輸線后的阻抗：

Zout=100×=（5）

由公式（4）可推導出理論上單個Wilkin-son功分器S11<-20dB的帶寬在20%左右，在內(nèi)部不加匹配電路時，通過傳輸線級聯(lián)帶寬變窄，8路合成器輸出端口S11<-20dB能達成的帶寬小于工作帶寬[6]。

圖3（a）Wilkinson功分器輸出端口阻抗

圖3（b）Wilkinson功分器輸入端口阻抗

圖3（c）Wilkinson功分器輸入端口經(jīng)過阻抗匹配后的輸入阻抗和Wilkinson功分器輸出端口阻抗

為了展寬帶寬，本文在其次級和第三級之間參與匹配電路，使其次級兩路合成器輸出阻抗（Wilkinson功分器輸入阻抗）和第三級2路合成器輸入阻抗（Wilkinson功分器輸出阻抗）接近共軛匹配如圖3（c）所示。以實現(xiàn)8合1功率合成總輸出端口駐波指標。

由圖3（a），圖3（b）功分器輸入阻抗和輸出阻抗經(jīng)過匹配電路得到圖3（c），匹配電路長度接近，并且需參與了確定的阻抗變換。

3.8路功率合成器的設計

通過上述理論得到的8路合成器如圖4所示，采用Taconic公司RF-35板材，物理尺寸為280mm×85mm?？諝馇桓叨葹?5mm。

圖48路合成HFSS模型

圖58路合成器輸出端口反射系數(shù)

圖68路合成器輸入端口反射系數(shù)

圖78路合成器插損

圖8通道間相位差

結果8路合成器輸出端口反射系數(shù)如圖5所示，在工作帶寬1.2GHz-1.4GHz，輸出端口反射系數(shù)S11-25dB。

由圖6可知，工作帶寬1.2GHz-1.4GHz內(nèi)，輸入端口反射系數(shù)小于-20dB，一般當輸出端口接的負載駐波小于2時，功放依舊能正常工作。此指標保證了當有功放損壞時，不會導致其他完好功放也損壞。

由圖7、圖8可知插損平均為-9.33dB，幅度不一致性<0.12，相位不一致性<0.4o。

4.總結

本文應用并饋布局和Wilkinson功分器實現(xiàn)8路合成，保證相位和幅度的一致性。由于不加