一种功分网络与均衡网络的一体化实践研究

2007-06-21 10:45:42来源: 电子元器件应用
1 问题的提出

Gysel功分网络的理论阐述早在20世纪70年代由Ulrich Gysel H提出,是Wilkinson功分网络的一种变形,但是发展出平面型的微带Gysel功分网络的时间并不长,还是比较新型的功分器。由于其在高功率性能方面的优点,得到了广泛的应用。通常用在传输功率较大而幅相一致性要求又很高的网络里面,例如功率组件中最后一级的驱动功分或固态发射机的激励功分网络。这种功分网络常用的1:2电路拓扑形式如图1所示,也可根据实际电路布局对形状做些变形。

 

1口为输入口,2,3口为功率输出口;隔离口的终端负载可以直接接地便于散热,因此终端负载可以选择大功率容量的电阻,这样GyseI功分网络两功分口输出的信号具有良好的幅相一致性,又具有很高的功率容量.而且输出端口的不平衡度可同时监测。

Gysel的传统用法为:

Z0=50 Ω(均相对中心频率);

Z1=70.7 Ω,长度为1/4λ;

Z2=50 Ω,长度为1/4λ;

Z3=25 Ω,长度为1/2λ;

信号在实际的传输过程中,会不可避免地发生幅度和相位畸变(即不平坦),特别在功率传输系统小,功率管的增益G(ω)是与一频率有关的复数而非常数,幅度上必然存在较大的离散,多级级联之后将进一步恶化,典型的功率管增益曲线如图2的B曲线所示。如粜使已经畸变的信号经过幅度均衡网络,而均衡网络的衰减特性在有用频带内与传输网络的衰减特性相反,如图2的A曲线所示,这样相互补偿的结果,使两者总的幅度特性满足了无畸变条件,即幅度平坦要求,理想状态如图2的C曲线所示。

 

功率均衡网络按传输介质分有波导式、同轴式和集成传输式3种,集成传输式均衡网络在微带或带状线上形成均衡电路,具有体积小、重量轻、方便与固态电路集成的优点而得到广泛应用。在如今的功率组件没计中,用微带幅度均衡网络合理地控制每级功率管的激励功率并对频带内的增益进行均衡,已成为确保功率组件高电性能、可靠性的一种不可或缺的设计手段。

而在实际的功率组件设计中,往往由于空间尺寸的限制,功率放大链最后一级无法设置幅度均衡网络。为了满足幅度带内起伏0.8 dB的设计要求,是否可以将Gysel功分网络做一些变形,兼顾幅度均衡功能,进行两者的一体化设计?

2 设计思路

均衡网络按均衡性质分类有反射式和吸收式两大类,无论反射式还是吸收式都有能量的衰减。反射式均衡网络采用无耗均衡网络加隔离器的电路形式,均衡网络将部分功率反射到隔离器上消耗来达到带内均衡。一般而言,Gysel功分网络的输入端都装有隔离器,同时隔离端口接终端负载可以吸收因为输出端驻波比变差引起的反射功率。

这里可以恰当地改变Gysel功分网络的T型头结构以及Z1,Z2和Z3的阻抗值,Z1,Z2和Z3不取传统意义上的典型值,用微波软件进行仿真,如果Gysel功分网络的幅频曲线能达到图2的A曲线要求,理论上可以考虑将两者进行一体化设计。

3 软件仿真

用微波软件Microwave Office进行仿真,第一步先建立传统意义上的Gysel 1:2功分网络的电路模型。如图3所示。

 

除了关心其S21和S31幅频特性外,各端口驻波特性对最终产品的工作稳定性尤为重要。其散射参数如图4和图5所示。

 

可以看到,典型的1:2 Gysel各端口的反射系数优于-20 dB,S21和S31一致性很好,插损在-3.11 dB和-3.17 dB之间,起伏非常小甚至可以忽略不计,这是Gysel的常规用法。

为了达到设计目的,Z1,Z2和Z3不取传统意义上的阻抗值,把其长度L和宽度W均设为可调节的变量,并且采用分频段设置优化目标的方法来满足特殊的幅度均衡要求。

优化结果非常接近我们的设置目标。改进型1:2 Gysel散射参数见图6和图7。

 

 

除输入端低频端驻波略差外,其余均满足设计要求,因为Gysel的输入端外接有隔离器,对外围电路的稳定性不会有影响。而S21和S31的幅值在-3.3 dB和-4.2 dB之间,很好地满足了带内起伏0.8 dB的设计要求。Z2优化后非常接近于50 Ω,因此只需对Z1和Z3的优化即可。

由此可见,改进的Gysel功分网络具有幅度均衡功能,换言之,可以实现功分网络和均衡网络的一体化设计。

对称微带T型接头在不同的应用场合可以等效为各种形式的三端口网络,而不对称T型接头的分析则更为复杂,这里尝试性地对Gysel功分网络的T型接头做些改动,结构形式偏离其固化状态,用HFSS微波软件进行三维仿真,可以得到更加接近优化目标的结果。

4 试验结果

实际测试的改进型1:4 Gysel功分网络数据与仿真结果较为吻合,本电路已大量应用于多个产品中,收到了良好的预期效果。实物图见图8。

5 结 语

本文打破传统用法,创新性地提出了一种Gysel微带功分网络与幅度均衡网络的一体化设计思路。在大功率场合,可对多级功率放大链恶化后幅度特性进行一定的功率分配和幅度补偿,完成对后一级功率管的近似等激励驱动,并可实现电路的小型化。有较大的实用价值。

同时可以发现,S21和S31的幅频特性为单调变化且带宽不超过20%,这种一体化设计具有一定的局限性,对于带宽较宽或有特殊要求的应用,有待于进一步深入研究。

关键字:功率  发射  拓扑  终端

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