【摘 要】微波功率合成网络在微波功率放大器的设计中广泛采用，以提高整体输出功率。本文探讨了功率合成网络的基本形式以及影响因素，并给出仿真设计示例。
【关键词】功率合成；微波；仿真
1 功率合成网络简介
在进行高功率微波放大器时，如果单个功放芯片输出功率达不到要求，可以采用功率合成的方法对多路进行合成，使得最终输出功率满足指标要求。功率合成技术目前主要有管芯合成、电路合成以及空间合成三种。
管芯合成是把多个管芯聚集在长度比波长小的区域上，然后加上输入匹配电路和输出匹配电路，以获得较大的输出功率。管芯功率合成的概念最早是由Josenhans提出的，其最大的好处是耗费功率较小，但是随着频率的升高，芯片尺寸的限制和芯片之间的相互影响限制了能够合成的二极管的最大数量。
电路合成技术是通过功率合成器把两个和多个功率管放大器组合在一起，以获得较大的输出功率。它的优点是各功率单元间的相互影响较小，调整方便，匹配性能好。
空间功率合成是20世纪80年代提出的一种毫米波功率合成方法，但它被人们所重视并加以研究却是在80年代后期和90年代。空间功率合成技术主要分为四类，即：由W.Lothar等人提出的准光功率合成技术，由K.Chang、T.lton等人提出的自由空间波功率合成技术，由Amir Mortazawi等人提出的采用开槽波导的自由空间功率合成器以及由A. Alexanian和R.A.York提出的波导内空间功率合成技术。
在具体功率合成器的选择方面，考虑到功率容量、频带宽度、实现难度以及一致性等方面因素，在多数情况下，金属波导由于它的低损耗以及高功率容量而被优先采用，特别是在放大器工作频带较宽，输出功率大时。本设计尝试采用波导内空间功率合成方式。
末级功率放大器将信号分为两路进行分别放大，因此涉及的是一种两路波导功率分配/合成器。这里要求的放大器工作于24-31GHz频段，因此要求设计的功率分配/合成器在此频段上必须有良好的性能。同时，为了尽可能的减小空间，功率分配/合成器也要尽可能小型化、一体化。合成网络结构如下图1所示。
2 影响合成效率的因素
功率合成网络的合成效率是其型号好换的关键。合成效率一方面受功率分配/合成网络性能的影响；另一方面，合成效率又受到放大器幅度、相位离散的影响。
当采用二路合成器组合结构实现多路功率合成时，合成器单元的损耗限制了二路合成器组合结构的合成效率，合成的路数越多，实现的难度越大。当两路功率放大器进行并联合成时功率放大器输出功率幅度和插入相位的离散将影响合成效率。
功率分配/合成网络的幅度、相位不平衡也会影响合成效率，其原理与两路放大器幅度和相位离散影响合成效率的原理是相同的，都是两路信号合成时由于两路信号的幅度和相位不一致造成合成损耗。最大限度地提高合成效率是设计、研制功率合成放大器的重点和难点。利用微波电路计算机辅助设计软件对设计的功率分配/合成器进行优化设计，尽量减小由于功率分配/合成器幅度、相位不平衡引起的合成损耗。
3 功率分配/合成网络的仿真设计
设计的功率分配/合成器要求有标准的WR-28波导输入和输出接口，输入端口驻波比小于1.5，输出端口的驻波比小于1.3，两路的隔离度大于20dB。两路放大器是相同的，因此功分器的输入端和两个输出断口之间的传播系数应该有相同幅度和相位，也就是：
这种情况下，两路放大器信号的输入信号也就有相同的幅度和相位，因此同样的该波导器件也可以用于放大器输出端口的功率合成。
根据要求，对于该波导功率分配/合成器的几何尺寸，同时结合毫米波微带电路结构，我们首先设计了一种简单的对称接口形式，如图2（a）所示的一个输入和两个输出端口的波导结构。
图2 功率分配/合成器结构
因为我们采用的是一种对称结构，因此两路信号的相位基本可以做到一致。现在的任务就就是要对波导通道的边缘进行修正，使其满足指标的要求。其中一是，对输入输出端口的匹配，使端口的反射系数达到良好的性能要求；二是，输出端口的功率分配以及相位，它可以通过边缘的形状和波导的长度优化。
通过多次的仿真优化，我们得到如图2（b）所示的功率分配/合成器的结构示意图，图3是其在仿真时生成的三维波导结构图。
通过对该波导器件的仿真，我们得到如下的结果。从图中可以看出各个端口的的性能都已经达到了要求。
【参考文献】
[1]何钧.Ku波段高功率放大器设计[D].南京：南京理工大学，2006.
[责任编辑：周娜]