摘 要： 論述了一種新的以Wilkinson功分器為原理，采用同軸空氣線結構形式，并在相鄰端口間采用接地電阻實現隔離的大功率、高隔離度的同軸型寬帶信道合成器的設計。通過改進結構形式和輸入端口間的阻抗匹配性，使得該信道合成器連續波功率可達到200 W，頻帶在310 MHz~410 MHz。實驗過程是先應用HFSS進行三維電磁場模擬仿真，然后對實物進行測試。實驗結果表明，模擬仿真結果與實物測試結果相吻合，滿足設計指標要求。
關鍵詞： 大功率；同軸；合成器
由于集群移動通信技術的快速發展，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]。現有的集群通信信道合成器主要有同軸窄帶點頻和寬帶微帶線結構兩種[2]。同軸點頻信道合成器雖然插損小，但是帶寬窄、信道容量小，實現起來寬帶體積較大，運輸也很困難[3]。微帶線結構插損大、功率容量小，要實現寬帶，需采用多級級聯的形式，這樣體積較大，且插損會更加惡化，影響系統的安裝。傳統的同軸功分器也可以實現信道合成的功能，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，都是按照系統的實際需求進行研制生產的，并沒有完全統一的規格標準[6-7]。而目前國內市場上同類產品的指標基本保證在：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構的高隔離、大功率、寬帶信道合成器具有很大的實際意義。
在最近幾年出現了大量的微波電路仿真軟件，其中，高頻結構仿真器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構成的Ansoft高頻解決方案，是以物理原型為基礎的高頻設計解決方案，提供了從系統到電路直至部件級的快速而精確的設計手段，幾乎覆蓋了高頻設計的所有環節。因此，本文使用HFSS對功分器進行建模仿真也是合理的[10]。
在設計過程中，首先選擇合理的同軸線結構尺寸，使其功率承受能達到200 W，從原理出發計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，對本方案進行仿真計算，在仿真結果達標之后，再對制成的實物進行實際測試。仿真結果與實際的測試結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指標如表1所示。
1 Wilkinson功分器的原理分析
1.1 分配原理
傳輸線結構Wilkinson功分器[11]原理示意如圖1所示。
設主臂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，它們的終端負載分別為R2和R3，電壓的復振幅分別為U2和U3，功率分別為P2和P3。假設微帶線本身是無損耗的，兩個支臂對應點對地（零電位）的電壓是相等的，那么，就可以得到如下的關系式：
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，應使用多節階梯阻抗變換器或各種漸變線變換器。在多節階梯阻抗變換器中，各阻抗階梯所產生的反射波彼此抵消，展寬了匹配的頻帶。在多節階梯阻抗變換器中最常用的是每節長度為1/4波長的變換器，如圖2所示。
對于單節的1/4波長阻抗匹配。對于多節的1/4波長阻抗匹配，計算原理同單節，每一節的阻抗都等于前后阻抗的幾何平均值，
一個功分器各輸出路之間如果沒有隔離，信號就會相互干擾，因此也就無法實現功分，下面將對如何實現隔離進行分析。
1.3 隔離原理
為了實現隔離可通過輸出路與路間的阻抗匹配（常稱為隔離電阻）來實現，下面采用奇、偶模法來進行分析。
偶模電壓激勵等效圖如圖3所示[12]，當偶模電壓激勵時，兩路的相位是一樣的，信號沿階梯阻抗變換器傳輸，理論上隔離電阻上是沒有信號的，該電路是完全匹配的。
奇模電壓激勵等效圖如圖4所示[13]，當奇模電壓激勵時，兩路的相位相差為180°，信號沿隔離電阻傳輸，要達到匹配，就需要對隔離電阻進行分析。
當1/4波長變換器的節數m=1時，如圖5所示，此時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功分器的設計示意圖。
2 Wilkinson功分器的設計與仿真
本文設計的是一種以Wilkinson功分器為原理，應用其逆過程，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。根據各項指標（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，由寬帶功分器設計理論確定功分器的具體結構，并計算出同軸腔體內導體與外導體的尺寸，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。具體實現是采用單節電長度為1/4波長的同軸空氣線加隔離接地電阻來實現一分二功分，優化接地電阻位置及公共端口與分之處的阻抗匹配，使性能滿足指標要求。為了實現寬帶，通過在兩個輸入口級聯單節電長度1/4波長的同軸空氣線加接地隔離電阻來實現四功分。通過優化兩節級聯處過度同軸空氣線的阻抗匹配，使得最終仿真優化的結果滿足了技術指標要求。
HFSS是作為微波通信行業標準的三維全波電磁場仿真工具，對于高頻器件的快速設計必不可少。圖6為應用三維電磁場仿真軟件HFSS對功分器進行建模仿真的仿真模型，圖7為仿真結果，圖8為實物照片。
由仿真結果可知，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，與指標要求相吻合。
3 Wilkinson功分器的加工實現與測試
對于微波無源器件來說，要使其具備大容量的功率，需要考慮以下幾個問題：（1）內外導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構形式，而改用同軸空氣線結構，利用同軸空氣線結構的特性解決了功率容量小的問題。由于同軸空氣線結構的功分器的優點是功率容量大，插損小；而缺點是輸出端反射損耗比大，同時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，在本方案設計過程中，不是采用現有器件搭建的方式，而是采用模塊化與機械加工相結合的方式來實現。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，只需對內導體進行電鍍處理，這樣既節約了加工時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熱硅脂，使接地隔離電阻直接通過金屬的腔體進行散熱。
對于大功率無源微波器件來說，由于功率容量過大導致器件發熱過高，使得器件本身的性能受到影響甚至降低[17]。本文所設計的Wilkinson功分器是采用模塊化與機械加工相結合的方式，器件腔體是由整塊的金屬經過切削加工而成的，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熱硅脂，不會出現接地隔離電阻局部過熱而導致電阻燒壞的現象，從而很好地解決了散熱問題，保證了產品的電氣技術性能。
圖9是利用依愛37629矢量網絡分析儀對試制樣品的各功能指標實施測試的結果。
試制件的實測值為：端口回波損耗均小于-20 dB以下，插損值維持在6 dB以內，中心頻率363.25 MHz處小于-21 dB，端口處的實際隔離度均達到25 dB以上。將信道合成器輸入200 W連續波功率，30 min后測試，其各項技術指標與常溫下的測試結果一致。
通過分析仿真和實物測試結果，兩者基本吻合。通過對隔離電阻位置進行微調，實測各信道間的隔離度指標與仿真結果基本一致，在整個頻帶內均大于25 dB，工作頻帶在310 MHz~410 MHz也滿足了設計要求。4信道的插入損耗在6 dB左右，接近插入損耗的理論值。由于同軸腔體的內導體在折彎時不能同心，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果較仿真結果有微小的差距，但端口反射損耗均在-21 dB以下，滿足技術指標要求。
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1/4波長阻抗線加功分級聯的形式，直接對金屬材料進行機械加工成同軸腔體，并且采用二級級聯形式，適當優化同軸結構尺寸使得工作頻帶可達310 MHz~410 MHz功率。仿真和實際測試結果表明，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，能滿足寬頻帶高頻信號合成傳輸，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中。由于其能夠承受200 W的連續波功率，所以在安集群通信以及井下通信系統中具有良好的前景。
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