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(guò)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(guò)程是先應(yīng)用HFSS進(jìn)行三維電磁場(chǎng)模擬仿真，然后對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，模擬仿真結(jié)果與實(shí)物測(cè)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(lái)越受到重視[1]。現(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(lái)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(wú)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(méi)有完全統(tǒng)一的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。而目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(guò)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(chǎng)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(duì)功分器進(jìn)行建模仿真也是合理的[10],。

　　在設(shè)計(jì)過(guò)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(wèn)題的三維電磁仿真軟件HFSS建立三維模型，對(duì)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(duì)制成的實(shí)物進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。仿真結(jié)果與實(shí)際的測(cè)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(wú)損耗的，兩個(gè)支臂對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)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(chǎng)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(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)的變換器,，如圖2所示,。

　　對(duì)于單節(jié)的1/4波長(zhǎng)阻抗匹配。對(duì)于多節(jié)的1/4波長(zhǎng)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(méi)有隔離,，信號(hào)就會(huì)相互干擾,，因此也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)功分，下面將對(duì)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(guò)輸出路與路間的阻抗匹配（常稱為隔離電阻）來(lái)實(shí)現(xiàn),，下面采用奇、偶模法來(lái)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(méi)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(duì)隔離電阻進(jìn)行分析,。

　　當(dāng)1/4波長(zhǎng)變換器的節(jié)數(shù)m=1時(shí)，如圖5所示,，此時(shí)1/4波長(zhǎng)阻抗為70.7 Ω,，長(zhǎng)度為中心頻率波長(zhǎng)的1/4[14]。對(duì)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(guò)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(zhǎng)阻抗線的特性阻抗及物理長(zhǎng)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(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)的同軸空氣線加隔離接地電阻來(lái)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(guò)在兩個(gè)輸入口級(jí)聯(lián)單節(jié)電長(zhǎng)度1/4波長(zhǎng)的同軸空氣線加接地隔離電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)四功分,。通過(guò)優(yōu)化兩節(jié)級(jí)聯(lián)處過(guò)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(chǎng)仿真工具,，對(duì)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(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)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(cè)試

　　對(duì)于微波無(wú)源器件來(lái)說(shuō),，要使其具備大容量的功率,，需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)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(wèn)題[16],。

　　為解決普通Wilkinson功分器功率容量小的問(wèn)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(wèn)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??；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(wú)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(guò)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(lái)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(duì)于空氣腔不用鍍銀處理,，只需對(duì)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(guò)金屬的腔體進(jìn)行散熱。

　　對(duì)于大功率無(wú)源微波器件來(lái)說(shuō),，由于功率容量過(guò)大導(dǎo)致器件發(fā)熱過(guò)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(guò)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(guò)熱而導(dǎo)致電阻燒壞的現(xiàn)象,，從而很好地解決了散熱問(wèn)題，保證了產(chǎn)品的電氣技術(shù)性能,。

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

　　試制件的實(shí)測(cè)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(cè)試，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與常溫下的測(cè)試結(jié)果一致,。

　　通過(guò)分析仿真和實(shí)物測(cè)試結(jié)果,，兩者基本吻合,。通過(guò)對(duì)隔離電阻位置進(jìn)行微調(diào)，實(shí)測(cè)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(cè)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(guò)采用單節(jié)1/4波長(zhǎng)阻抗線加功分級(jí)聯(lián)的形式，直接對(duì)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(cè)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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