大功率超宽带四合路器的设计

柳占伟

摘要：本文介绍了一种五百瓦超宽带四合路器，频带宽度四个倍频程。四合路器损耗小、承受功率大、隔离度高、路间一致性好。分析了隔离的形式和阻抗变换的原理，对四合路器进行设计、加工调试、功率测试，验证了所设计的四合路器性能优良、完全满足工程使用要求。

关键词：大功率；超宽带；合路器

中图分类号：TN73 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）01-0200-02

合路器主要用于功率发射机的功率合成。因为单个功率管的输出能力是有限的，要想发射机实现更大的功率输出，就需要进行功率合成。合路器的带宽和功率容量，限制了功率发射机的带宽和功率能力，所以设计大功率超宽带合路器对大功率超宽带功率发射机来说尤为重要。

1 原理分析

合路器隔離是为了减小各路之间相互影响，利用隔离电阻吸收路间不平衡功率，保护发射机中正常工作的功放模块不损坏。隔离电阻的选择比较重要，为了阻抗匹配阻值应为分路端阻抗的2倍，功率容量要适当，功率容量小于不平衡功率会烧毁，功率容量大随之寄生参数大会影响高频性能。常见的隔离形式如图1所示。

（a）中Wikinson隔离只加一个电阻，优点是实现简单，但是Wikinson使用四分之一波长进行阻抗变换，频率低时合路器的体积无法接受。

（b）中隔离使用传输线加载磁芯耦合与电阻并联的形式，磁芯可以大幅度增加磁耦合强度，缩短传输信号波长，从而可以极大的拓展带宽。此种形式的隔离大功率工作时频率可以用到几百兆赫兹。

（c）中隔离形式与（b）差不多，区别在于（b）处于T型结的分路段，而（C）处于T型结的合路端，阻抗为（b）的二分之一。阻抗低、损耗小、大功率器件寄生参数对电路的影响小，使其可以应用的频率更高、功率更大。此种形式的隔离大功率工作时频率可以用到千兆赫兹。

合路器只有保证阻抗匹配才能得到良好的技术指标，所以需要对其进行阻抗变换[1]。传输线变压器是常用的宽带阻抗变换器，可以构成4：1、1：4、9：1、1：9、16：1、1：16等标准阻抗变换，也可以构成一些非标准的阻抗变换。进入上部传输线内导体的驱动电流I，产生一个上部传输线外导体流过的电流I，结果流入负载RL的电流为2I。由于输入电压源2V在同轴线和负载部分等分成两部分，这样一个变换器提供的阻抗变换是从RS=2Z0到RL=Z0/2，Z0是每根传输线的特性阻抗[2]。

磁芯的种类很多，选择也很关键。高频、宽带、低损、大功率一般选用镍锌（NiZ）铁氧体材料构成的磁芯，外形设计为方形，便于大功率散热。磁芯损耗PM表达式为：PM== （1）

式中可以看出，磁芯损耗与损耗角正切值和并联电感量相关，或者可以说与传输线变压器的并联电感量、磁芯的Q值和频率的乘积相关[3]。

2 四合路器设计

四合路器技术指标：

（1）工作频率：30MHz～500MHz；（2）电压驻波比：≤1.5：1；（3）带内插损：≤0.8dB；（4）隔离度：≥15dB；（5）承受功率：≥500W（连续波）。

四合路器分为两级，第一级合路端使用两个4：1传输线加载磁芯阻抗变换器，将阻抗100欧姆变为25欧姆，两个阻抗变换器并联阻抗50欧姆构成四合路器合路端；第二级分路端使用两个传输线加载磁芯隔离器将四路阻抗50欧姆两两并联构成两个25欧姆，分别与第一级级联进行合路。之所以使用两个4：1阻抗变换器，一方面是因为阻抗变换的需要，另一方面是因为提高功率容量和扩展带宽的需要。

3 调试测试

测试结果如图2所示。

合路器设计、调试中需要注意的问题如下：

磁芯磁导率的选择比较重要，磁芯外形尺寸确定后，磁导率的大小直接影响射频信号的磁耦合强度。磁耦合强度过大，频率高端损耗会变大；磁耦合强度过小，频率低端驻波差，回波损耗大。

为了保证良好的幅度和相位一致性，电路印制板设计时要保证结构尺寸的对称性，传输线加载磁芯变压器、隔离器装配时的一致性。

散热设计是大功率部件设计的关键因素，合路器的主要散热部分是磁芯和电阻，五百瓦工作时热耗为80瓦左右，各路输入不平衡时热耗更大，需要进行重点关注。磁芯采用便于导热的方形结构，并使用导热硅胶粘接在底板上，提高散热能力。大功率电阻使用焊锡直接焊接在镀银底板上，保证良好的散热。

4 结语

本文所设计的四合路器功率容量大，频带特别宽，损耗小，隔离度高，一致性好，为研制大功率超宽带功率发射机创造了必要条件。经过功率试验、环境试验和工程使用验证，四合路器质量可靠，完全满足大功率超宽带功率发射机的使用要求。

参考文献

[1] Reinhold Luding ， Pavel Bretchko.王子宇，张肇仪，徐承和，等译.射频电路设计———理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2002.

[2] Andrei Grebennikov.张玉兴，赵宏飞，等译.射频与微波功率放大器设计[M].北京：电子工业出版社，2006.

[3] 张纪纲.射频铁氧体宽带器件[M].北京：科学出版社，1986.

Abstract：This paper presents a 500 w super broadband combiner circuit with four octaves of frequency band width. Quadrature circuit breaker has low loss， high power， high isolation and good consistency between paths. The form of isolation and the principle of impedance transformation are analyzed， and the design， processing and debugging and power test of the quadrature circuit breaker are carried out.

Key words：high power；super broadband；combiner