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一种改进型Gysel功率分配／合成器的设计
时间：2010-05-08 11:50:12
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[导读]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。
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。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。
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。
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。
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。
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