同轴高功率超宽带功分器研究

　第18卷　第7期

强激光与粒子束Vol.18,No.7 2006年7月H IGH POWER L ASER AND PAR TICL E B EAMS J ul.,2006　文章编号:　100124322(2006)0721126203

同轴高功率超宽带功分器研究

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吴锋涛,　张光甫,　梁步阁,　袁乃昌

(国防科学技术大学电子科学与工程学院微波中心,长沙410073) 摘　要:　运用同轴结构,研制出高功率超宽带功分器,采取先阻抗变换,再功分的形式,以简化机械加工

难度。运用高频仿真软件进行仿真分析,研制出一分为二和一分为四的功分器,再组合成为一分为八的功分

器,高压实验表明该功分器能耐高压,驻波测试表明阻抗匹配较好,从测量的传输参数可以看出输出各端口幅

度一致性较好。证明了该高功率超宽带功分器可以用作实际的高功率天线阵列。

关键词:　高功率;　超宽带;　功分器;　阻抗匹配

中图分类号:　TN788 文献标识码:　A

在超宽带短脉冲电磁场的应用中,如要提高雷达的距离分辨能力,须用短的时域脉冲,分辨率提高了,与之相矛盾的是能量减小,探测距离减小。为提高脉冲体制雷达的探测距离可以加大源的脉冲功率,在现有的工程技术条件下,源的功率的提高有一定的限度,而且在高功率条件下会出现许多技术难题。所以采用阵列天线的技术来提高探测距离是较为理想的选择,阵列天线的关键技术功分器的研制就显得尤为重要。

普通低功率功分器的制作比较简单,设计方法比较成熟[124],但是超宽带高功率功分器因为要防止高压击穿,所以研制就比较困难,至今尚未见到有公开的文献报道,已经有的只能算是分压器,并没有阻抗变换部分,直接分支,这样的后果是反射很大。

1　功分器设计

1.1　功分器结构

Fig.1　Structure of power divider 图1　同轴功分器结构示意图

低功率功分器大多采用微带或带线结构,这样做

的好处是结构简单,易于制作,易于和电路相连,其缺

点是耐压低,只适合于低功率电路。在高功率条件下,

微带或带线结构就显得无能为力。本文采用同轴结

构,如图1所示,其优点是:同轴结构中密封变压器油

后耐高压击穿能力大大提高;易于控制阻抗(TEM 传

输线,特性阻抗具有解析公式);同轴线的特性阻抗随

机械加工公差的变化小,对同轴线内外径的尺寸要求

不是很严格,只需表面光滑,防止高压击穿即可;可以

采用现成的管料,机械加工容易;可以直接与高功率天

线相连。

1.2　阻抗变换的设计 普通低功率功分器的设计一般是先功分,再阻抗变换,在阻抗变换时引入隔离电阻,以提高输出端口之间的隔离度。对于高功率同轴形式的功分器,这样做就很复杂,为了简化结构,便于加工,本文首次采用先阻抗变换,再功分的形式。由于功分器直接和天线相连,输出端的相互耦合对于发射影响不是很大,为了简化设计,这里没有采用隔离电阻来提高输出端的隔离度,实践证明这种方案是可行的。

四分之一波长阶梯阻抗变换的电压驻波比(VSWR )响应特性采用切比雪夫响应[5]

ε(θ)=(R -1)24R T n 2(co s θ/μ0)

T n 2(1/μ0)(1)

3收稿日期:2005210221; 修订日期:2006204210基金项目:国家863计划项目资助课题

作者简介:吴锋涛(1977—),男,博士生,主要从事天线、超宽带方向的研究;wftao21@ 。

式中:μ0=sin (πωq /4),ωq =2(λg1-λg2)/(λg1-λg2),λg1,λg2分别是工作频率为f 1,f 2时的波长;R 是阻抗变换

比;T n 是切比雪夫多项式。

要设计的一分为二功分器的阻抗变换比为R =2,ωq =1.2,最大电压驻波比为1.2,由(1)式求得n =3。采用比较系数法可以求得变换段的电阻分别为29.7,35.3和42.1Ω。根据同轴线的阻抗公式可以求得内外半径之比,因此,选择合适的同轴外径,就可以确定相应的内径。要设计的一分为四功分器的阻抗变换比为R =4,ωq =1.2,最大电压驻波比为1.5,由(1)式求得n =4。

采用比较系数法可以求得变换段的电阻分别为14.9,20.9,29.9和42.1Ω。

2　仿真和测量结果

随着计算机技术的发展,计算机仿真软件在微波工程设计中发挥着越来越重要的作用。采用软件仿真,设计思路可以直接在计算机上得到印证、修改和优化,从而减少了设计前期的硬件制作和测试,大大提高了电子工程设计的效率。

设计的一分为四等功分高功率同轴功分器,采用时域方法分析,一次运算通过傅里叶变换,可以得到丰富的频域结果,图2(a )是仿真时域波形,可以看出反射很小,同时传输到输出端口的脉冲波形幅值接近四分器的理论值,即为入射脉冲幅值的一半。图2(b )是仿真的S 参数,输入端口为1,输出端口分别为2,3,4和5。图中未示出S 31,S 41和S 51的值,是因为该功分器的四壁是对称的,输出波形相同,S 参数的值也一样,在工作频带范围内,

传输参数的值接近理论值-6dB 。

Fig.2　Simulation waveform (a )and S parameter (b )of 1∶4power divider

图2　四分功分器时域仿真波形(a )和仿真S 参数(b )

根据以上的设计和分析,研制出两个一分为四的功分器和一个一分为二的功分器,组合起来就是一个一分为八的功分器。驻波测试时,把二分功分器的一个输出端口接匹配负载,另外一个输出端口接四分功分器,该四分功分器的输出端口接匹配负载,测得的驻波值如图3(a )所示。可以看出,阻抗变换的效果很好,驻波比在0.18～0.85GHz 之间均小于1.5,在该频段内驻波比平均值小于1.2。图3(b )是测得的传输参数值,

为了便于看清楚,图中只给出四个端口的值,各端口之间具有较好的幅度一致。

Fig.3　Measurement VSWR (a )and transmission parameter (b )of 1∶8power divider

图3　八分功分器驻波测量值(a )和传输参数测量值(b )

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211第7期吴锋涛等:同轴高功率超宽带功分器研究