摘 要:為了獲得帶寬更寬、隔離度更好的功率分配/合成器，通過對Gysel功分器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提出一種新型的功率分配/合成器;給出它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)，用奇偶模分析法分析了其工作原理，并借助微波CAD軟件對該結(jié)構(gòu)和Gysel功分器進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，該功率分配/合成器比傳統(tǒng)的Gysel功分器具有更寬的帶寬、更高的隔離度、以及更小的回波損耗。最后，設(shè)計(jì)并制作了C波段四路功分器并進(jìn)行驗(yàn)證，測試結(jié)果表明其性能指標(biāo)符合預(yù)期要求。

關(guān)鍵詞:固態(tài)發(fā)射機(jī);功率分配/合成;寬頻帶;隔離度;Gysel

中圖分類號(hào):TM13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)03-105-04

Design of Improved Gysel Power Divider/Combiner

ZHANG Zhaohua，ZHENG Xin

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing，210013，China)

Abstract:In order to design a power divider/combiner with wider band and superior isolation，a novel power divider/combiner based on the improvement of traditional Gysel power divider/ combiner is introduced.The topological structure and design parameters of this novel power divider/combiner have been presented and the operating principle has been analyzed by the odd-even model analysis.Simultaneously，detail comparisons between the two structures have been performed using microwave CAD.The results show that the novel divider/combiner has wider band，better isolation and lower insert loss than Gysel power divider.A C-and power divider/combiner has been designed and the test results show that experiment and expectation are in good agreement.

Keywords:solid-state transmitter;power divider/combiner;wide-bandwidth;isolation;Gysel

0 引 言

在微波電路中，功率分配/合成器是非常重要的器件，它廣泛應(yīng)用于饋線系統(tǒng)、混頻及功率放大器中[1]。Gysel功率分配/合成器由Ulrich H.Gysel于1975年提出，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介于分支線耦合器結(jié)構(gòu)和威爾金森結(jié)構(gòu)之間，與分支線耦合器一樣，其終端負(fù)載可以通過一段任意長度，且特性阻抗與負(fù)載阻抗相同的傳輸線引到電路上的任意位置，因而負(fù)載可以根據(jù)需要外接在電路上，便于大功率負(fù)載的使用;同時(shí)具有和威爾金森功率分配/合成器一樣的相對帶寬[2]。此外，Gysel功率分配/合成器可以采用同軸線、帶狀線、空氣板線及微帶線等多種形式實(shí)現(xiàn)。但是，Gysel功率分配/合成器也存在一些缺點(diǎn):首先，Gysel形式在20%相對帶寬情況下，其插入損耗、駐波等指標(biāo)比威爾金森形式要好，顯示出較好的寬帶特性。但窄帶情況下，當(dāng)傳輸線損耗相同時(shí)，Gysel形式的損耗值約為0.12 dB，威爾金森則為01 dB，駐波也稍大一些[3]。其次，在輸入輸出端口回波損耗小于-20 dB的原則下，Gysel功率分配/合成器的相對帶寬為20%左右[4]，在一些寬頻帶應(yīng)用的場合，Gysel功率分配/合成器的帶寬仍需要提高。另外，在設(shè)計(jì)Gysel功率分配/合成器時(shí)，各個(gè)微帶支節(jié)的阻抗值不是完全確定的，其中兩個(gè)隔離電阻間的λ0/2微帶線的阻值隨帶寬、隔離度等指標(biāo)的要求變化，不利于設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

本文對Gysel功率分配/合成器進(jìn)行了改進(jìn)，目的是提高其隔離度、回波損耗等指標(biāo)的寬帶特性。通過對整個(gè)拓?fù)涞母倪M(jìn)，新功率分配/合成器的插入損耗、回波損耗、隔離度等指標(biāo)明顯優(yōu)于Gysel功分器，而且各個(gè)微帶支節(jié)的阻抗值是確定的，非常便于設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)及原理分析

傳統(tǒng)微帶型Gysel功分器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由4個(gè)λ0/4微帶線及1個(gè)λ0/2微帶支節(jié)構(gòu)成。對于Gysel功分器典型的分析方法是奇偶模分析法及單位元素(Unit Elements)分析方法[5]。一般來說，Gysel功率分配/合成器各個(gè)微帶支節(jié)的阻抗值可以取:

Z1=Z2=2Z0

(1)

Z3=Z6=Z0

(2)



Z4，Z5的取值與功分器的帶寬指標(biāo)相關(guān)，通常取Z0/2。其中，Z0指端口1處微帶線的特性阻抗[6]。改進(jìn)型Gysel功率分配/合成器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它給出各個(gè)微帶支節(jié)的阻抗及長度，端口4和端口5分別接50 Ω的隔離電阻，信號(hào)由端口1輸入，在端口2和端口3為等功率同相輸出。

圖1 Gysel功率分配器

圖2 改進(jìn)型Gysel功率分配/合成器

1.1 奇偶模分析[7，8]

為簡單起見，用端口1的特性阻抗Z0歸一化所有阻抗。歸一化及對稱形式下的改進(jìn)型Gysel功率分配/合成器如圖3所示，在輸出端口接電壓源，當(dāng)Vg2與Vg3等幅同相時(shí)，為偶模激勵(lì)。此時(shí)，中心對稱平面相當(dāng)于一個(gè)磁壁(開路)。當(dāng)Vg2與Vg3等幅反相時(shí)，為奇模激勵(lì)。此時(shí)，中心對稱平面相當(dāng)于一個(gè)電壁(短路)。

偶模狀態(tài)下，取Vg2= Vg3=2V0，其等效電路如圖4(a)所示。由λ0/4微帶阻抗變換作用可知，在端口3處相當(dāng)于短路，從而隔離網(wǎng)絡(luò)在端口2處相當(dāng)于開路。從端口2向端口1的阻抗為:

Zin=(2)2/2=1

(3)

故在端口2處匹配，且Ve2=V0，So22=0，So33=0，令端口1處在x=0處，端口2處在x=-λ0/4處，則傳輸線上的電壓可表示為:

V(x)=V+(e-jβx+Γejβx)

(4)

式中:Γ為x=0處的電壓反射系數(shù)，Γ=2-22+2。

在x=-λ0/4處:

Ve2=V(-λ0/4)=jV+(1-Γ)=V0

(5)

圖3 歸一化及對稱形式下的Gysel功分器

所以:V+=V0j(1-Γ)，從而在x=0處的電壓為:

Ve1=V+(1+Γ)=-j2V0

(6)

奇模狀態(tài)下，取Vg2= -Vg3=2V0，其等效電路如圖4(b)所示。

圖4 改進(jìn)型Gysel功率分配/合成器的奇偶模等效電路



由λ0/4微帶阻抗變換作用可知，在端口3處相當(dāng)于開路，從而隔離網(wǎng)絡(luò)在端口2處相當(dāng)于開路。故端口2向隔離網(wǎng)絡(luò)看去，阻抗為Z=1，端口1處短路，經(jīng)λ0/4微帶阻抗變換，在斷開2處向分配網(wǎng)絡(luò)看去相當(dāng)于開路。故在端口2向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)看去，阻抗為Z2in=1=Z0，所以在端口2處匹配，且Vo2=V0，Vo1=0，所以So22=0，So33=0。

當(dāng)端口1接輸入信號(hào)，端口2接匹配負(fù)載時(shí)，端口1處的輸入阻抗為Z1in=1=Z0，相匹配，故S11=0。綜上可知:



S12=V1V2=Ve1+Vo1Ve2+Vo2=-j2V0+0V0+V0=-j12

(7)

最后，由微波網(wǎng)絡(luò)的互易性和對稱性可知:

S=0-j2-j2-j200-j200

(8)

1.2 帶寬、隔離度及插入損耗的比較分析

奇偶模分析方法不能夠解釋傳輸線的結(jié)效應(yīng)，而且采用何種類型的傳輸線結(jié)對整個(gè)功率分配/合成器的帶寬性能有非常重要的影響[9]。本文利用Agilent ADS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，得到改進(jìn)型Gysel功分器的性能曲線，并將其與傳統(tǒng)Gysel功分器的性能進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖5~圖7所示[10]。因?yàn)楣β史峙?合成器的結(jié)構(gòu)是對稱的，S21與S31的曲線基本上完全一致，所以本文只給出了S21的仿真曲線。

圖5 回波損耗S11與歸一化頻率的關(guān)系

圖6 傳輸參數(shù)S21與歸一化頻率的關(guān)系

圖7 隔離度S23與歸一化頻率的關(guān)系

由圖5可知，在輸入輸出端口回波損耗小于-20 dB的原則下，改進(jìn)型Gysel功率分配/合成器的帶寬大約為30%，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)Gysel功分器(帶寬大約為20%)，顯示出良好的寬帶特性。而且，由圖6可知，在10%的頻帶內(nèi)，改進(jìn)型Gysel功率分配/合成器的插入損耗要比傳統(tǒng)Gysel功率分配/合成器小0015 dB左右。另外，由圖7可知，改進(jìn)型Gysel功率分配/合成器的隔離度在寬頻帶內(nèi)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的Gysel功率分配/合成器。

2 實(shí) 例

根據(jù)上述分析，采用微帶電路多級(jí)級(jí)聯(lián)的實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)了C波段帶寬為600 MHz的四路功率分配/合成器(實(shí)物圖見圖8)。第一級(jí)電路隔離網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路數(shù)為3，主要是因?yàn)閷铣申囎钔鈱拥墓Ψ制鞯囊笞罡?，而對最?nèi)層功分器的要求卻可以越來越低[11]。四路功分性能測試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。由測試數(shù)據(jù)可以看出各端口損耗較小，幅度均衡性好(小于0.15 dB)，工作頻帶內(nèi)端口駐波均小于1.25，各分配端口之間的隔離度大于24 dB，與軟件仿真結(jié)果一致。插入損耗較大主要是由于實(shí)際應(yīng)用時(shí)要求的結(jié)構(gòu)尺寸大，導(dǎo)致電路中的微帶傳輸線較長，傳輸損耗較大。該分配器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)作為激勵(lì)級(jí)的功率分配器，插入損耗滿足使用要求。

圖8 C波段四路改進(jìn)型Gysel功分器實(shí)物圖

表1 傳輸系數(shù)實(shí)測值(輸入端口為1端口)

頻率 /MHzS21 /dBS31 /dBS41 /dBS51 /dB

f0-3006.516.436.466.49

f0-2006.486.436.446.48

f0-1006.446.396.386.47

f06.416.386.376.47

f0+1006.396.376.426.49

f0+2006.426.396.436.51

f0+3006.466.396.456.51

表2 端口駐波實(shí)測值(中心頻率f0)

端口端口1端口2端口3端口4端口5

VSWR1.181.121.091.141.23

3 結(jié) 語

介紹了一種改進(jìn)型Gysel功率分配/合成器工作原理及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);通過與傳統(tǒng)Gysel功率分配/合成器的性能進(jìn)行對比可以看到，該功率分配/合成器具有寬頻帶、低損耗及高隔離度等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制作了C波段四路功率分配/合成器，其性能指標(biāo)符合預(yù)期要求。

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