摘  要： 论述了一种新的以Wilkinson功分器为原理，采用同轴空气线结构形式，并在相邻端口间采用接地电阻实现隔离的大功率、高隔离度的同轴型宽带信道合成器的设计。通过改进结构形式和输入端口间的阻抗匹配性，使得该信道合成器连续波功率可达到200 W，频带在310 MHz~410 MHz。实验过程是先应用HFSS进行三维电磁场模拟仿真，然后对实物进行测试。实验结果表明，模拟仿真结果与实物测试结果相吻合，满足设计指标要求。

　　关键词： 大功率；同轴；合成器

　　由于集群移动通信技术的快速发展，频谱资源显得极其匮乏，低损耗、大功率、高隔离的集群通信信道合成器越来越受到重视[1]。现有的集群通信信道合成器主要有同轴窄带点频和宽带微带线结构两种[2]。同轴点频信道合成器虽然插损小，但是带宽窄、信道容量小，实现起来宽带体积较大，运输也很困难[3]。微带线结构插损大、功率容量小，要实现宽带，需采用多级级联的形式，这样体积较大，且插损会更加恶化，影响系统的安装。传统的同轴功分器也可以实现信道合成的功能，但是隔离度比较差，不适合信道功率合成[4-5]。微波高频无源器件与其他电子元器件不同，都是按照系统的实际需求进行研制生产的，并没有完全统一的规格标准[6-7]。而目前国内市场上同类产品的指标基本保证在：回波损耗小于-15 dB，隔离度在15 dB~20 dB之间，功率不超过50 W[8-9]。因此，研制一款基于同轴结构的高隔离、大功率、宽带信道合成器具有很大的实际意义。

　　在最近几年出现了大量的微波电路仿真软件，其中，高频结构仿真器HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一种电磁场三维仿真软件。而且由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案，是以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，几乎覆盖了高频设计的所有环节。因此，本文使用HFSS对功分器进行建模仿真也是合理的[10]。

　　在设计过程中，首先选择合理的同轴线结构尺寸，使其功率承受能达到200 W，从原理出发计算各分支的阻抗及隔离接地电阻的大小，并且利用Ansoft公司推出的基于有限元方法分析微波工程问题的三维电磁仿真软件HFSS建立三维模型，对本方案进行仿真计算，在仿真结果达标之后，再对制成的实物进行实际测试。仿真结果与实际的测试结果都证明了本方案的可行性。本文研制的信道合成器的技术指标如表1所示。

　　1 Wilkinson功分器的原理分析

　　1.1 分配原理

　　传输线结构Wilkinson功分器[11]原理示意如图1所示。

　　设主臂①（功率输入端）的特性阻抗为Z0，支臂①~②与①~③的特性阻抗分别为Z02和Z03，它们的终端负载分别为R2和R3，电压的复振幅分别为U2和U3，功率分别为P2和P3。假设微带线本身是无损耗的，两个支臂对应点对地（零电位）的电压是相等的，那么，就可以得到如下的关系式：

　　若k=1，则R2=R3，P2=P3。

　　1.2 阶梯阻抗变换原理

　　在需要宽带匹配的场合，应使用多节阶梯阻抗变换器或各种渐变线变换器。在多节阶梯阻抗变换器中，各阻抗阶梯所产生的反射波彼此抵消，展宽了匹配的频带。在多节阶梯阻抗变换器中最常用的是每节长度为1/4波长的变换器，如图2所示。

　　对于单节的1/4波长阻抗匹配。对于多节的1/4波长阻抗匹配，计算原理同单节，每一节的阻抗都等于前后阻抗的几何平均值，

　　一个功分器各输出路之间如果没有隔离，信号就会相互干扰，因此也就无法实现功分，下面将对如何实现隔离进行分析。

　　1.3 隔离原理

　　为了实现隔离可通过输出路与路间的阻抗匹配（常称为隔离电阻）来实现，下面采用奇、偶模法来进行分析。

　　偶模电压激励等效图如图3所示[12]，当偶模电压激励时，两路的相位是一样的，信号沿阶梯阻抗变换器传输，理论上隔离电阻上是没有信号的，该电路是完全匹配的。

　　奇模电压激励等效图如图4所示[13]，当奇模电压激励时，两路的相位相差为180°，信号沿隔离电阻传输，要达到匹配，就需要对隔离电阻进行分析。

　　当1/4波长变换器的节数m=1时，如图5所示，此时1/4波长阻抗为70.7 Ω，长度为中心频率波长的1/4[14]。对于等功率分配器，有P2=P3，k=1，于是隔离电阻R=2×Z=100 Ω。图5为1/4 Wilkinson功分器的设计示意图。

　　2 Wilkinson功分器的设计与仿真

　　本文设计的是一种以Wilkinson功分器为原理，应用其逆过程，研制中心频率为363.5 MHz、带宽为100 MHz、功率容量200 W的同轴腔体四合一信道合成器。根据各项指标（工作频段、输入输出端口的反射损耗和信道间的隔离度）要求，由宽带功分器设计理论确定功分器的具体结构，并计算出同轴腔体内导体与外导体的尺寸，各段1/4波长阻抗线的特性阻抗及物理长度[15]，以及隔离电阻的阻值。具体实现是采用单节电长度为1/4波长的同轴空气线加隔离接地电阻来实现一分二功分，优化接地电阻位置及公共端口与分之处的阻抗匹配，使性能满足指标要求。为了实现宽带，通过在两个输入口级联单节电长度1/4波长的同轴空气线加接地隔离电阻来实现四功分。通过优化两节级联处过度同轴空气线的阻抗匹配，使得最终仿真优化的结果满足了技术指标要求。

　　HFSS是作为微波通信行业标准的三维全波电磁场仿真工具，对于高频器件的快速设计必不可少。图6为应用三维电磁场仿真软件HFSS对功分器进行建模仿真的仿真模型，图7为仿真结果，图8为实物照片。

　　由仿真结果可知，S12插损为6 dB，接近一分四功分器的理论值。S11反射损耗在100 MHz带宽内都低于-21 dB以下。端口之间的隔离度S23总体保持在25 dB以上，与指标要求相吻合。

　　3 Wilkinson功分器的加工实现与测试

　　对于微波无源器件来说，要使其具备大容量的功率，需要考虑以下几个问题：（1）内外导体的尺寸比例如何选择才能解决器件本身耐受的大功率；（2）配件的耐受功率容量；（3）器件的散热问题[16]。

　　为解决普通Wilkinson功分器功率容量小的问题，本文舍弃了普通Wilkinson功分器常用的微带线结构形式，而改用同轴空气线结构，利用同轴空气线结构的特性解决了功率容量小的问题。由于同轴空气线结构的功分器的优点是功率容量大，插损小；而缺点是输出端反射损耗比大，同时又存在输出端口间无任何隔离，同轴腔体加工难度大、精度要求高。所以，在本方案设计过程中，不是采用现有器件搭建的方式，而是采用模块化与机械加工相结合的方式来实现。直接一次加工成腔体，这样既增加了腔体的可靠性，减小了加工难度，又对于空气腔不用镀银处理，只需对内导体进行电镀处理，这样既节约了加工时间又减少了加工成本。

　　本方案用高功率容量接地电阻，这样既提高了端口的阻抗匹配性，又改善了端口的隔离度。并且在接地隔离电阻与腔体接触面涂覆导热硅脂，使接地隔离电阻直接通过金属的腔体进行散热。

　　对于大功率无源微波器件来说，由于功率容量过大导致器件发热过高，使得器件本身的性能受到影响甚至降低[17]。本文所设计的Wilkinson功分器是采用模块化与机械加工相结合的方式，器件腔体是由整块的金属经过切削加工而成的，因此具有良好的散热性。接地隔离电阻与腔体紧密配合并且涂覆有导热硅脂，不会出现接地隔离电阻局部过热而导致电阻烧坏的现象，从而很好地解决了散热问题，保证了产品的电气技术性能。

　　图9是利用依爱37629矢量网络分析仪对试制样品的各功能指标实施测试的结果。

　　试制件的实测值为：端口回波损耗均小于-20 dB以下，插损值维持在6 dB以内，中心频率363.25 MHz处小于-21 dB，端口处的实际隔离度均达到25 dB以上。将信道合成器输入200 W连续波功率，30 min后测试，其各项技术指标与常温下的测试结果一致。

　　通过分析仿真和实物测试结果，两者基本吻合。通过对隔离电阻位置进行微调，实测各信道间的隔离度指标与仿真结果基本一致，在整个频带内均大于25 dB，工作频带在310 MHz~410 MHz也满足了设计要求。4信道的插入损耗在6 dB左右，接近插入损耗的理论值。由于同轴腔体的内导体在折弯时不能同心，使天线端口的阻抗匹配性能受到影响，输入输出端口反射损耗的测试结果较仿真结果有微小的差距，但端口反射损耗均在-21 dB以下，满足技术指标要求。

　　本文论述了一种新型大功率同轴信道合成器。该合成器通过采用单节1/4波长阻抗线加功分级联的形式，直接对金属材料进行机械加工成同轴腔体，并且采用二级级联形式，适当优化同轴结构尺寸使得工作频带可达310 MHz~410 MHz功率。仿真和实际测试结果表明，该信道合成器具有功率容量大、隔离度高、工作带宽宽及插损小等特点，能满足宽频带高频信号合成传输，因此广泛用于公安集群通信、井下通信、森林以及消防通信系统中。由于其能够承受200 W的连续波功率，所以在安集群通信以及井下通信系统中具有良好的前景。

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