改进型Gysel功率分配/合成器原理设计

2011-04-18 09:23:50来源: 互联网

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。

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。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。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。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,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λ0/2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。

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λ0/4微带线及1个λ0/2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。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:


1.1  奇偶模分析

为简单起见,用端口1的特性阻抗Z0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Vg2与Vg3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Vg2与Vg3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Vg2=Vg3=2V0,其等效电路如图4(a)所示。由λ0/4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:




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。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。因为功率分配/合成器的结构是对称的,S21与S31的曲线基本上完全一致,所以本文只给出了S21的仿真曲线。

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。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。



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。

关键字:改进  功率  分配  原理

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0418/article_7144.html
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