一种改进型Gysel功率分配/合成器的设计

　　摘 要:为了获得带宽更宽、隔离度更好的功率分配/合成器,通过对Gysel功分器拓扑结构的改进,提出一种新型的功率分配/合成器;给出它的拓扑结构和设计参数,用奇偶模分析法分析了其工作原理,并借助微波CAD软件对该结构和Gysel功分器进行了对比分析。结果表明,该功率分配/合成器比传统的Gysel功分器具有更宽的带宽、更高的隔离度、以及更小的回波损耗。最后,设计并制作了C波段四路功分器并进行验证,测试结果表明其性能指标符合预期要求。
　　关键词:固态发射机;功率分配/合成;宽频带;隔离度;Gysel
　　中图分类号:TM13 文献标识码:B
　　文章编号: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
　　
　　在微波电路中,功率分配/合成器是非常重要的器件,它广泛应用于馈线系统、混频及功率放大器中[1]。Gysel功率分配/合成器由Ulrich H.Gysel于1975年提出,其拓扑结构介于分支线耦合器结构和威尔金森结构之间,与分支线耦合器一样,其终端负载可以通过一段任意长度,且特性阻抗与负载阻抗相同的传输线引到电路上的任意位置,因而负载可以根据需要外接在电路上,便于大功率负载的使用;同时具有和威尔金森功率分配/合成器一样的相对带宽[2]。此外,Gysel功率分配/合成器可以采用同轴线、带状线、空气板线及微带线等多种形式实现。但是,Gysel功率分配/合成器也存在一些缺点:首先,Gysel形式在20%相对带宽情况下,其插入损耗、驻波等指标比威尔金森形式要好,显示出较好的宽带特性。但窄带情况下,当传输线损耗相同时,Gysel形式的损耗值约为0.12 dB,威尔金森则为01 dB,驻波也稍大一些[3]。其次,在输入输出端口回波损耗小于-20 dB的原则下,Gysel功率分配/合成器的相对带宽为20%左右[4],在一些宽频带应用的场合,Gysel功率分配/合成器的带宽仍需要提高。另外,在设计Gysel功率分配/合成器时,各个微带支节的阻抗值不是完全确定的,其中两个隔离电阻间的λ0/2微带线的阻值随带宽、隔离度等指标的要求变化,不利于设计和应用。
　　本文对Gysel功率分配/合成器进行了改进,目的是提高其隔离度、回波损耗等指标的宽带特性。通过对整个拓扑的改进,新功率分配/合成器的插入损耗、回波损耗、隔离度等指标明显优于Gysel功分器,而且各个微带支节的阻抗值是确定的,非常便于设计。
　　
　　1 结构及原理分析
　　
　　传统微带型Gysel功分器的结构如图1所示,由4个λ0/4微带线及1个λ0/2微带支节构成。对于Gysel功分器典型的分析方法是奇偶模分析法及单位元素(Unit Elements)分析方法[5]。一般来说,Gysel功率分配/合成器各个微带支节的阻抗值可以取:
　　Z1=Z2=2Z0
　　(1)
　　Z3=Z6=Z0
　　(2)
　　
　　Z4,Z5的取值与功分器的带宽指标相关,通常取Z0/2。其中,Z0指端口1处微带线的特性阻抗[6]。改进型Gysel功率分配/合成器的结构如图2所示,它给出各个微带支节的阻抗及长度,端口4和端口5分别接50 Ω的隔离电阻,信号由端口1输入,在端口2和端口3为等功率同相输出。
　　图1 Gysel功率分配器
　　图2 改进型Gysel功率分配/合成器
　　1.1 奇偶模分析[7,8]
　　为简单起见,用端口1的特性阻抗Z0归一化所有阻抗。归一化及对称形式下的改进型Gysel功率分配/合成器如图3所示,在输出端口接电压源,当Vg2与Vg3等幅同相时,为偶模激励。此时,中心对称平面相当于一个磁壁(开路)。当Vg2与Vg3等幅反相时,为奇模激励。此时,中心对称平面相当于一个电壁(短路)。
　　偶模状态下,取Vg2= Vg3=2V0,其等效电路如图4(a)所示。由λ0/4微带阻抗变换作用可知,在端口3处相当于短路,从而隔离网络在端口2处相当于开路。从端口2向端口1的阻抗为:
　　Zin=(2)2/2=1
　　(3)
　　故在端口2处匹配,且Ve2=V0,So22=0,So33=0,令端口1处在x=0处,端口2处在x=-λ0/4处,则传输线上的电压可表示为:
　　V(x)=V+(e-jβx+Γejβx)
　　(4)
　　式中:Γ为x=0处的电压反射系数,Γ=2-22+2。
　　在x=-λ0/4处:
　　Ve2=V(-λ0/4)=jV+(1-Γ)=V0
　　(5)
　　图3 归一化及对称形式下的Gysel功分器
　　所以:V+=V0j(1-Γ),从而在x=0处的电压为:
　　Ve1=V+(1+Γ)=-j2V0
　　(6)
　　奇模状态下,取Vg2= -Vg3=2V0,其等效电路如图4(b)所示。
　　
　　图4 改进型Gysel功率分配/合成器的奇偶模等效电路
　　
　　由λ0/4微带阻抗变换作用可知,在端口3处相当于开路,从而隔离网络在端口2处相当于开路。故端口2向隔离网络看去,阻抗为Z=1,端口1处短路,经λ0/4微带阻抗变换,在断开2处向分配网络看去相当于开路。故在端口2向整个网络看去,阻抗为Z2in=1=Z0,所以在端口2处匹配,且Vo2=V0,Vo1=0,所以So22=0,So33=0。
　　当端口1接输入信号,端口2接匹配负载时,端口1处的输入阻抗为Z1in=1=Z0,相匹配,故S11=0。综上可知:
　　
　　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,由微波网络的互易性和对称性可知:
　　S=0-j2-j2-j200-j200
　　(8)
　　1.2 带宽、隔离度及插入损耗的比较分析
　　奇偶模分析方法不能够解释传输线的结效应,而且采用何种类型的传输线结对整个功率分配/合成器的带宽性能有非常重要的影响[9]。本文利用Agilent ADS软件进行仿真优化,得到改进型Gysel功分器的性能曲线,并将其与传统Gysel功分器的性能进行了比较,结果如图5~图7所示[10]。因为功率分配/合成器的结构是对称的,S21与S31的曲线基本上完全一致,所以本文只给出了S21的仿真曲线。
　　图5 回波损耗S11与归一化频率的关系
　　图6 传输参数S21与归一化频率的关系
　　图7 隔离度S23与归一化频率的关系
　　由图5可知,在输入输出端口回波损耗小于-20 dB的原则下,改进型Gysel功率分配/合成器的带宽大约为30%,明显优于传统Gysel功分器(带宽大约为20%),显示出良好的宽带特性。而且,由图6可知,在10%的频带内,改进型Gysel功率分配/合成器的插入损耗要比传统Gysel功率分配/合成器小0015 dB左右。另外,由图7可知,改进型Gysel功率分配/合成器的隔离度在宽频带内明显优于传统的Gysel功率分配/合成器。
　　
　　2 实 例
　　
　　根据上述分析,采用微带电路多级级联的实现方式,设计了C波段带宽为600 MHz的四路功率分配/合成器(实物图见图8)。第一级电路隔离网络的环路数为3,主要是因为对合成阵最外层的功分器的要求最高,而对最内层功分器的要求却可以越来越低[11]。四路功分性能测试数据如表1、表2所示。由测试数据可以看出各端口损耗较小,幅度均衡性好(小于0.15 dB),工作频带内端口驻波均小于1.25,各分配端口之间的隔离度大于24 dB,与软件仿真结果一致。插入损耗较大主要是由于实际应用时要求的结构尺寸大,导致电路中的微带传输线较长,传输损耗较大。该分配器在实际应用时作为激励级的功率分配器,插入损耗满足使用要求。
　　图8 C波段四路改进型Gysel功分器实物图
　　表1 传输系数实测值(输入端口为1端口)
　　频率 /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 端口驻波实测值(中心频率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 结 语
　　
　　介绍了一种改进型Gysel功率分配/合成器工作原理及拓扑结构;通过与传统Gysel功率分配/合成器的性能进行对比可以看到,该功率分配/合成器具有宽频带、低损耗及高隔离度等优点。在此基础上设计制作了C波段四路功率分配/合成器,其性能指标符合预期要求。
　　
　　参考文献
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　　[11]袁效康,王仕蹯,朱俊达.微带功率晶体管放大器[M].北京:人民邮电出版社,1982.