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        一種短波寬帶七路同相功率合成器的設(shè)計(jì)

        2015-02-01 05:19:11羅良金任曉飛李文超
        艦船電子對(duì)抗 2015年3期

        羅良金,任曉飛,李文超

        (中國(guó)電波傳播研究所,青島 266107)

        一種短波寬帶七路同相功率合成器的設(shè)計(jì)

        羅良金,任曉飛,李文超

        (中國(guó)電波傳播研究所,青島 266107)

        摘要:分析了傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)特性,通過(guò)多級(jí)傳輸線網(wǎng)絡(luò)組合,實(shí)現(xiàn)了短波寬帶七路同相功率合成器。該合成器在工作頻帶1.5~30 MHz范圍內(nèi),具有阻抗平穩(wěn)、低插入損耗、高隔離度的特點(diǎn),實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明:合成器最大插損小于0.4 dB,各端口幅度不一致性小于0.2 dB,相位不一致性小于1°,能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)失真功率輸出。

        關(guān)鍵詞:功率合成器;傳輸線變壓器;混合網(wǎng)絡(luò)

        0引言

        當(dāng)前波束合成技術(shù)是雷達(dá)、通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一,在現(xiàn)有的體系架構(gòu)下有數(shù)字波束合成與模擬合成2種類型。模擬波束合成具有接收信號(hào)無(wú)失真、合成波束可共用的特點(diǎn),目前在一些場(chǎng)合具有重要的使用價(jià)值。在模擬波束合成中,同相功率合成器是構(gòu)成波束合成網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,其多為無(wú)源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一個(gè)理想的功率合成電路應(yīng)滿足功率相加條件和隔離條件。傳輸線變壓器構(gòu)成的混合網(wǎng)絡(luò)可以滿足這2個(gè)條件,并且傳輸線變壓器體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻帶寬、損耗小,因而傳輸線變壓器構(gòu)成的混合網(wǎng)絡(luò)是功率合成電路的重要形式之一[1]。

        同相功率合成器多為2路等功率合成或以其為基本組成單元的2n路等功率合成。目前很少有專門介紹七路同相功率合成器設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)資料。本文分析傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)特性,以傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)為基本單元,通過(guò)多級(jí)組合設(shè)計(jì)了一種短波寬帶七路同相功率合成器。

        1傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)

        傳輸線變壓器是把一對(duì)以上的互相絕緣的雙導(dǎo)線均勻地并繞或絞繞在一個(gè)鐵氧體磁環(huán)上,把線的兩端適當(dāng)連接而成[2]。圖1是其典型電路原理圖。

        圖1 傳輸線變壓器電路原理圖

        圖2 傳輸線變壓器D端激勵(lì)

        圖3 傳輸線變壓器B端激勵(lì)

        根據(jù)圖2列出如下方程:

        kU+U=IARA

        (1)

        (2)

        聯(lián)立式(1)、(2),解得:

        (3)

        D端輸入時(shí),平衡端口A無(wú)輸出, IA=0,由式(3)知,只有RB-kRC=0時(shí),IA=0,即:

        RB=kRC

        (4)

        把IA=0代入式(1)、(2)得:U=0,即B、D、C3點(diǎn)等電位,相當(dāng)于短路。由于RD是電源內(nèi)阻,對(duì)電源來(lái)說(shuō)負(fù)載電阻為RB、RC并聯(lián)。為獲得最大功率輸出,則:

        (5)

        式(4)代入式(5),得:

        (6)

        信號(hào)源輸出功率為:

        (7)

        (8)

        (9)

        PB+PC=PD

        (10)

        由式(10)知,D端輸入功率傳到了B、C端,而且B、C端的功率之和等于D端的功率。傳輸線變壓器利用這種特性可以構(gòu)成不等功率分配或合成。

        根據(jù)圖3列出如下方程:

        kU+U=IARA

        (11)

        (12)

        B端輸入時(shí),C端口無(wú)輸出, IA-I=0,即:

        IA=I

        (13)

        將式(6)、(11)、(13)代入式(12)解得:

        (14)

        通過(guò)對(duì)傳輸線變壓器的分析知傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)滿足功率相加條件和隔離條件,而且其4個(gè)端口中的3個(gè)端口同相,與輸入端隔離的端口必與其它3個(gè)端口反相。

        D端的輸入阻抗為:

        (15)

        (16)

        將式(16)代入式(15)得:

        (17)

        當(dāng) RB=Rc=50Ω時(shí),RD=25Ω。

        2合成器設(shè)計(jì)

        因?yàn)槔脗鬏斁€變壓器混合網(wǎng)絡(luò)的特性可以進(jìn)行不等功率的分配或合成,所以設(shè)計(jì)七路同相功率合成器可以采用傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)分級(jí)合成方式進(jìn)行??紤]對(duì)稱性,本文采用兩極合成的方式。第1級(jí)由2次二路等功率合成一路信號(hào)和1次三路等功率信號(hào)合成一路信號(hào)組成。第2級(jí)由1次三路不等功率合成一路信號(hào)組成。為了減少阻抗失配引起的損耗,在第1、2級(jí)之間,第2級(jí)與輸出級(jí)之間進(jìn)行阻抗變換。傳輸線變壓器的線圈間會(huì)有漏感,為了補(bǔ)償高頻特性,實(shí)際電路中還應(yīng)加入電容與漏感構(gòu)成諧振回路。為了滿足合路器工作頻率范圍1.5~30 MHz的要求,以及考慮合路器的對(duì)稱性,構(gòu)成傳輸線變壓器的磁芯選擇磁導(dǎo)率為1 000的雙孔磁芯[4-8]。

        圖4為七路同相功率合成原理圖,圖5為七路同相功率合成框圖。

        圖4 七路同相功率合成原理圖

        圖5 七路同相功率合成框圖

        2.1 變壓器匝數(shù)及隔離電阻設(shè)計(jì)

        七路同相功率合成器包含7種傳輸線變壓器。其中T1、T2、T4、T5變壓器實(shí)現(xiàn)功率合成,T3、T6、T7實(shí)現(xiàn)阻抗變換。具體而言,T2、T4實(shí)現(xiàn)等功率合成,所以線圈匝數(shù)比均為1∶1;T1、T5是不等功率合成,根據(jù)功率比可以推出T1的線圈匝數(shù)比為1∶2,T5的線圈匝數(shù)比為3∶4;根據(jù)阻抗比可以推出T3的線圈匝數(shù)比為7∶5,T6的線圈匝數(shù)比為2∶1,T7的線圈匝數(shù)比為7∶4。

        R=50 Ω,由公式(6)、(14)可以推出平衡電阻R1=100 Ω、R2=150 Ω、R3=67 Ω、R4=117 Ω、R5=58 Ω。

        2.2 印制板設(shè)計(jì)

        印制板長(zhǎng)28 cm,寬11.8 cm,板厚0.2 cm,板的介電常數(shù)4.6,圖6為七路等功率合成印制板圖。A面是元件和連線,B面是接地層和焊盤。為了保證幅度、相位的一致性,各輸入到輸出之間的路徑要盡量保證一致。

        圖6 七路等功率合成印制板圖

        3實(shí)測(cè)結(jié)果

        根據(jù)以上設(shè)計(jì)電路焊接好所需元器件后,用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行了駐波比、隔離度、插入損耗、幅度和相位一致性的調(diào)試測(cè)試,為了改善高頻特性,加了C1~C4電容,C1=27 PF,C2=22 PF,C3=47 PF,C4=56 PF,表1~表6為實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)。

        表1 七路同相功率合成器駐波比

        表2 七路同相功率合成器隔離度

        需要注意:表4、表5中頻率單位為MHz,1、2、3、4、5、6、7分別對(duì)應(yīng)為輸入1-輸出、輸入2-輸出、輸入3-輸出、輸入4-輸出、輸入5-輸出、輸入6-輸出、輸入7-輸出通道。

        表3 七路同相功率合成器插入損耗

        表4 七路同相功率合成器幅度

        表5 七路同相功率合成器相位

        表6 七路同相功率合成器幅度、相位不一致性

        本文設(shè)計(jì)的七路同相功率合成器通過(guò)實(shí)際測(cè)試,其工作頻帶在1.5~30 MHz范圍內(nèi),駐波比小于1.2,隔離度大于30 dB,插入損耗小于0.4 dB,幅度不一致性小于0.2 dB,相位不一致性小于1°。

        4結(jié)束語(yǔ)

        本文采用傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)方式設(shè)計(jì)出了一種短波寬帶七路同相功率合成器,其在整個(gè)短波波段內(nèi)具有較低的駐波比和插入損耗,較高的隔離度以及較好的幅相一致性,實(shí)現(xiàn)了七路等幅同相信號(hào)的功率合成,對(duì)短波波束合成技術(shù)應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

        參考文獻(xiàn)

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        Design of A Shortwave Wideband 7-channel In-phase Power Synthesizer

        LUO Liang-jin,REN Xiao-fei,LI Wen-chao

        (China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107,China)

        Abstract:This paper analyzes the characteristics of mixed network for transmission line transformer,realizes the shortwave wideband 7-channel in-phase power synthesizer by means of multiple transmission line net combination.The power synthesizer has the characteristics of steady impedance,smaller insert loss,higher isolation in operating frequency band of 1.5~30 MHz.The practical test results show:for the synthesizer,the max insert loss is less than 0.4 dB,amplitude uniformity of each port is less than 0.2 dB,phase uniformity is less than 1°,which can realize the distortionless of power output.

        Key words:power synthesizer;transmission line transformer;mixed network

        收稿日期:2015-01-13

        DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.025

        中圖分類號(hào):TN73

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):CN32-1413(2015)03-0090-05

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