空间行波管功率放大器作为传统真空功率放大器，目前广泛应用于通信卫星、遥感系统以及航天飞行器等空间应用通信系统［1-5］。其输出功率的大小决定了通信系统的作用距离和抗干扰能力，随着技术的不断发展，空间通信系统除了要面对长距离传输对电磁波的衰减，还要有能力抵御越来越严重的太空电磁干扰的能力，因此，对发射机输出功率要求越来越高，然而单只管子输出功率有限，而提高单管输出功率不仅增加成本，且随着输出功率的增加，电源电压会增高，导致管子性能不稳定使其可靠性降低。为了解决上述问题，功率合成技术［6-7］是个不错的选择，将两只或者多只功率低的管子进行合成，即降低成本又提高了管子的可靠性。典型的二进制合成电路就是以一分二功分器为单元进行N级级联，最终形成一分2N路的功分网络。在空间行波管功率合成电路中，由于单个管子输出功率较大，为了保证管子间不相互影响，要求合成支路隔离度高，因此高隔离度功率合成器设计尤为关键。波导魔T［8-9］以其特点可作为高隔离度、低插损、幅度相位均衡的大功率合成器。
1功率合成原理
功率合成本质是多个矢量信号的叠加，目的是实现信号的最大输出。下面以两路信号合成为例进行详细的介绍，一般情况下，行波管放大器的输出信号有着不同的幅度和相位。
2波导魔T原理及设计
波导魔T是四端口无源器件，又称为双T电桥，即由E面T型结与H面T型结组合而成。魔T的结构如图2所示，具有以下特性：（1）对应臂隔离性：Ｅ臂和Ｈ臂相互隔离，两侧臂相互隔离；（2）完全匹配性：4个端口可以完全匹配；（3）等分性：由E臂输入的功率，反相等幅从两个侧臂输出；由H臂输入的功率，同相等幅从两个侧臂输出；（4）和差特性：侧臂同相输入，H臂求和输出，E臂求差输出；侧臂反向输入，H臂求差输出，Ｅ臂求和输出。由于匹配波导魔Ｔ具有以上的独特性质，所以可以作为宽带、低插损、高隔离度、大功率合成器。依据微波网络理论，四端口无源网络可以做到各个端口匹配，因此，首要任务是要对波导魔T进行匹配电路设计［10-13］。本文中以锥形台配合圆柱体为匹配电路如图2所示，抵消由波导不连续引入的电抗分量，从物理角度对匹配电路结构定性分析，锥形台可以看作是容性电抗器件以抵消由磁场不连续引入的感抗分量；圆柱体可以看作感性电抗器件以抵消由电场不连续性引入的容抗分量。仿真可得圆柱体高度H_cyl对S11影响较大，圆柱越短端口1反射系数高频特性越好；锥形台高度H_cone对S44影响较大，锥形台越高特性端口4反射特性越好。为兼顾各端口匹配特性，对匹配电路主要结构参数进行优化设计，优化后的匹配结构尺寸如表1所示，波导采用标准波导BJ84。图3给出了优化仿真后得到各端口的匹配、隔离、功分特性，在整个工作频带内，传输特性S21基本为-3dB；各端口反射系数均小于-20dB；端口2与端口3隔离度S23小于-35dB。可以看出该波导魔T具有低插损、等功分特性、对应端口良好的隔离特性、各个端口良好的匹配特性，可用于空间行波管功率放大器大功率合成。
3合成方案及验证
本文以上述设计的宽带、低插损、高隔离度的波导魔T作为空间行波管功率放大器大功率合成器，以H面T型结两对称端口作为输入端，对两只空间行波管放大器进行功率合成验证。在空间行波管功率放大器输入端引入可变衰减器和移相器，均衡两路行波管放大器输出幅度、相位特性，使其在整个工作频带内，输出功率信号幅度一致，相位偏差保持在30°以内，从而实现对两只空间行波管功率放大器高效率、大功率合成。在空间行波管功率放大器输出端接入环形器，避免因输出失配导致大功率反射，从而保护空间行波管放大器不被损毁。以下给出功率合成实验测试的步骤和主要注意事项。实验步骤：（1）各个微波器件测量标定为了实现整个实验验证的准确性和可操作性，要对Wilkinson功分器、波导魔T、可变衰减器、移相器、定向耦合器、环形隔离器等无源功率器件进行测试及标定。在工作频带内，确定各个微波无源器件的插入损耗；确定波导魔T的隔离度、环形器反向隔离度；确定可变衰减器、移相器的调节范围及调节步进幅度；确定定向耦合器耦合度。只有排除各个器件引入的计算误差，最终才能准确地计算出两只空间行波管功率放大器合成效率。（2）两只空间行波管功率放大器输入输出幅度、相位特性测量在工作频带内，逐点测试第１个空间行波管放大器饱和工作时的增益和相位特性；将第１个行波管放大器饱和状态时的输入功率/频率曲线作为基准输入功率/频率曲线；按基准输入功率/频率曲线激励第２个行波管放大器，测试其对应的增益和相位特性；比较２个行波管放大器的增益/频率曲线和相位/频率曲线，找出满足增益失配度的偏移值和相位失配偏移值。（3）两只空间行波管功率放大器功率合成测试已知上一步测量得到两只管子的幅度、相位差异，通过在输入端引入可变衰减器和移相器均衡两只管子的幅度和相位特性，以实现高效率的功率合成［13］。合成方案如图4所示，输入信号经Wilkinson功分器等分为两路，在上下两路行波管功率放大器输入端引入可变衰减器和移相器均衡两只管子幅相特性，微波信号经过TWTA功率放大后，通过定向耦合器测量单只TWTA输出功率poA和poB，通过定向耦合器测量波导魔T合成输出功率po。为了保护行波管功率放大器，在行波管功率放大器输出端均加入环形隔离器。图5给出了基于波导魔T的两只空间行波管功率合成的实物图，图6给出了X波段某频带两只空间行波管饱和输出的功率、经波导魔T功率合成后输出功率、计算得到的合成效率。在整个工作频带内，两只空间行波管功率放大器饱和输出功率约45W，经波导魔T合成后功率大于85W，合成效率大于90%，在某些频点上合成效率大于95%。验证了波导魔T作为二进制功率合成单元的高效性。
4结论
本文分析功率合成原理，给出幅度、相位差异对功率合成效率的影响，确定了实现高效率功率合成幅度、相位关系；分析波导魔T的散射特性，采用锥形台与圆柱体配合的匹配电路，优化设计后，给出了的匹配波导魔T；利用波导魔T作为高效率、高隔离度、大功率合成器，实现了两只45W空间行波管功率放大器进行功率合成，在整个工作频带内，合成效率大于90%，输出功率大于85W。波导魔T功率合成器具有低插损、高隔离度、大功率等特性，可作为二进制大功率合成单元实现微波发射机大功率输出，具有一定的实用价值。
作者：刘亚威 苏小保 单位：中国科院电子学研究所 中国科学院大学
