一種改進(jìn)型Gysel功率分配／合成器的設(shè)計
[導(dǎo)讀]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，而且各個微帶支節(jié)的阻抗值是確定的，非常便于設(shè)計。
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。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；同時具有和威爾金森功率分配／合成器一樣的相對帶寬。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，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。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，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Gysel功率分配／合成器時，各個微帶支節(jié)的阻抗值不是完全確定的，其中兩個隔離電阻間的λ0／2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，而且各個微帶支節(jié)的阻抗值是確定的，非常便于設(shè)計。
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λ0／4微帶線及1個λ0／2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。一般來說，Gysel功率分配／合成器各個微帶支節(jié)的阻抗值可以?。?br />
1.1 奇偶模分析
為簡單起見，用端口1的特性阻抗Z0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)Vg2與Vg3等幅同相時，為偶模激勵。此時，中心對稱平面相當(dāng)于一個磁壁(開路)。當(dāng)Vg2與Vg3等幅反相時，為奇模激勵。此時，中心對稱平面相當(dāng)于一個電壁(短路)。
偶模狀態(tài)下，取Vg2=Vg3=2V0，其等效電路如圖4(a)所示。由λ0／4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：
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)對整個功率分配／合成器的帶寬性能有非常重要的影響。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。因?yàn)楣β史峙洌铣善鞯慕Y(jié)構(gòu)是對稱的，S21與S31的曲線基本上完全一致，所以本文只給出了S21的仿真曲線。
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，采用微帶電路多級級聯(lián)的實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計了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。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)用時作為激勵級的功率分配器，插入損耗滿足使用要求。
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。
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。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；同時具有和威爾金森功率分配／合成器一樣的相對帶寬。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，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。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，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Gysel功率分配／合成器時，各個微帶支節(jié)的阻抗值不是完全確定的，其中兩個隔離電阻間的λ0／2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，而且各個微帶支節(jié)的阻抗值是確定的，非常便于設(shè)計。
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λ0／4微帶線及1個λ0／2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。一般來說，Gysel功率分配／合成器各個微帶支節(jié)的阻抗值可以?。?br />
1.1 奇偶模分析
為簡單起見，用端口1的特性阻抗Z0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)Vg2與Vg3等幅同相時，為偶模激勵。此時，中心對稱平面相當(dāng)于一個磁壁(開路)。當(dāng)Vg2與Vg3等幅反相時，為奇模激勵。此時，中心對稱平面相當(dāng)于一個電壁(短路)。
偶模狀態(tài)下，取Vg2=Vg3=2V0，其等效電路如圖4(a)所示。由λ0／4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：
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)對整個功率分配／合成器的帶寬性能有非常重要的影響。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。因?yàn)楣β史峙洌铣善鞯慕Y(jié)構(gòu)是對稱的，S21與S31的曲線基本上完全一致，所以本文只給出了S21的仿真曲線。
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，采用微帶電路多級級聯(lián)的實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計了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。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)用時作為激勵級的功率分配器，插入損耗滿足使用要求。
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。
下載文檔
