微波多路功率合成器的设计与仿真(4)
1.1.3 电路合成技术
目前，研究比较多也是较为成熟的一种功率合成技术是电路功率合成技术。电路功率合成技术可以分为好多种，比如，经常提到的谐振型功率合成技术与非谐振型功率合成技术是按照波导立体结构区分。通过场耦合的方式将多个单元器件的输出功率耦合谐振型功率合成是将多个单元固态器件的输出功率耦合到合成腔体内，从而实现各个单个单元功率在腔体内合成，获得较高的输出功率，这种合成方式称为谐振型功率合成。从谐振腔体结构特点电路合成技术又可分为以下两种主要方式：(1)直角波导腔体谐振合成；(2)柱形腔体谐振合成。
在二端口管器件功率合成上这两种合成方式应用比较普遍，特别是实现振荡器功率合成。在上个世纪吹冰十年代，有些学者利用一些如定向耦合器、双 T、魔 T 等多端口无源器件组成的分配/合成网络来进行功率合成，从而形成了非谐振型功率合成技术。其中，非谐振型合成技术中，最为典型，也是最具代表性的，应用最为广泛的是在1960年E.J.Wilkinson所提出的Wilkinson功率分配/合成电路。
Wilkinson电路是基于微带形式的合成，其中，要求两臂的特性阻抗与传输线特性阻抗成一定关系，为了保持相临路之间的良好隔离，需要在之间加隔离电阻，一般情况下采用的是薄膜电阻。Wilkinson电路不仅可以实现二路功率分配/合成，还可以将其扩展到N路功率分配/合成。
图1-1 叉状功分器和半平面散射状功分器
对于Wilkinson功率分配/合成技术，后来者进行很多有益的探索，比如Herman Kagan.对两臂之间的隔离电阻对整体电路的影响进行了研究，如果不考虑不考虑相邻路之间耦合效应，N路Wilkinson功分器在直接去掉隔离电阻的情况下，相邻路之间的隔离度为 20log(n)，回波损耗可以达到-10log(1-1/n)。
Z.Galani和S.J.Temple在1977年提出了一种如图1-1(a)所示的新型宽带“叉状”N 路功率合成器。在相对带宽为40％的条件下，通过计算机仿真优化“叉状”功分器，相邻路之间的隔离度可达到20dB，输入和输出驻波比可达到1.5。研究发现在相同特征阻抗的条件下，扇型结构传输线比常规微带传输线长度短，损耗小。根据这一特点，J.M.Schellenberg和M.Cohn在1978年通过在等分端口之间采用把扇型结构微带线，设计出了如图1-1(b)所示N路散射状的功率合成器。随后有多位学者也在此基础上进行改进，最典型的就是如图1-2 所示，其采用了多节阻抗变换实现宽带特性。利用阶梯阻抗变换原理，Chon首先提出设计其等效电路如图1-2(a)所示的宽带三端口功率合成电路方法。工作带宽可以随着阻抗节数M的增大而可进一步扩展。在综合 Wilkinson功率合成器和Chon电路两者优点的基础上，Hung Yuet Yee等人提出了等效电路如图1-2(b)所示的N路非平面宽带功率分配/合成器结构。在该结构中，可以允许信号源内阻和各路的负载阻抗不相等，设计时特征阻抗和各隔离电阻的值可以根据VSWR和隔离度确定。N.Nagai等人提出的一种使用了如图1-2(c)所示的M节长度相等的多路耦合传输线N路平面型功分结构。试验测得在2：1的带宽内，这类四端口功率合成网络端口VSWR小于1.4，输出端口隔离度优于20dB。2005年L.Wu等人提出了一种在频率f0和它的一次谐振频率2f0均可工作的功分器。2007年J.H.Joo等人采用Wilkinson功分/合成结构，6路200W高功放模块合成，实现1.61KW的输出峰值功率输出，合成效率PAE达到了26.2%。
(a)宽带功率合成器等效电路
（b）N路宽带非平面型功率合成等效电路
（c）N路平面型功率合成结构等效电路
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