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1 問題的提出 Gysel功分網(wǎng)絡的理論闡述早在20世紀70年代由Ulrich Gysel H提出，是Wilkinson功分網(wǎng)絡的一種變形，但是發(fā)展出平面型的微帶Gysel功分網(wǎng)絡的時間并不長，還是比較薪型的功分器。由于其在高功率性能方面的優(yōu)點，得到了廣泛的應用。通常用在傳輸功率較大而幅相一致性要求又很高的網(wǎng)絡里面，例如功率組件中最后一級的驅(qū)動功分或固態(tài)發(fā)射機的激勵功分網(wǎng)絡。這種功分網(wǎng)絡常用的1：2電路拓撲形式如圖1所示，也可根據(jù)實際電路布局對形狀做些變形。 1口為輸入口，2，3口為功率輸出口；隔離口的終端負載可以直接接地便于散熱，因此終端負載可以選擇大功率容量的電阻，這樣GyseI功分網(wǎng)絡兩功分口輸出的信號具有良好的幅相一致性，又具有很高的功率容量．而且輸出端口的不平衡度可同時監(jiān)測。 Gysel的傳統(tǒng)用法為： Z0=50 Ω(均相對中心頻率)； Z1=70.7 Ω，長度為1／4λ； Z2=50 Ω，長度為1／4λ； Z3=25 Ω，長度為1／2λ； 信號在實際的傳輸過程中，會不可避免地發(fā)生幅度和相位畸變(即不平坦)，特別在功率傳輸系統(tǒng)小，功率管的增益G(ω)是與一頻率有關(guān)的復數(shù)而非常數(shù)，幅度上必然存在較大的離散，多級級聯(lián)之后將進一步惡化，典型的功率管增益曲線如圖2的B曲線所示。如糶使已經(jīng)畸變的信號經(jīng)過幅度均衡網(wǎng)絡，而均衡網(wǎng)絡的衰減特性在有用頻帶內(nèi)與傳輸網(wǎng)絡的衰減特性相反，如圖2的A曲線所示，這樣相互補償?shù)慕Y(jié)果，使兩者總的幅度特性滿足了無畸變條件，即幅度平坦要求，理想狀態(tài)如圖2的C曲線所示。 功率均衡網(wǎng)絡按傳輸介質(zhì)分有波導式、同軸式和集成傳輸式3種，集成傳輸式均衡網(wǎng)絡在微帶或帶狀線上形成均衡電路，具有體積小、重量輕、方便與固態(tài)電路集成的優(yōu)點而得到廣泛應用。在如今的功率組件沒計中，用微帶幅度均衡網(wǎng)絡合理地控制每級功率管的激勵功率并對頻帶內(nèi)的增益進行均衡，已成為確保功率組件高電性能、可靠性的一種不可或缺的設計手段。 而在實際的功率組件設計中，往往由于空間尺寸的限制，功率放大鏈最后一級無法設置幅度均衡網(wǎng)絡。為了滿足幅度帶內(nèi)起伏0.8 dB的設計要求，是否可以將Gysel功分網(wǎng)絡做一些變形，兼顧幅度均衡功能，進行兩者的一體化設計? 2 設計思路 均衡網(wǎng)絡按均衡性質(zhì)分類有反射式和吸收式兩大類，無論反射式還是吸收式都有能量的衰減。反射式均衡網(wǎng)絡采用無耗均衡網(wǎng)絡加隔離器的電路形式，均衡網(wǎng)絡將部分功率反射到隔離器上消耗來達到帶內(nèi)均衡。一般而言，Gysel功分網(wǎng)絡的輸入端都裝有隔離器，同時隔離端口接終端負載可以吸收因為輸出端駐波比變差引起的反射功率。 這里可以恰當?shù)馗淖僄ysel功分網(wǎng)絡的T型頭結(jié)構(gòu)以及Z1，Z2和Z3的阻抗值，Z1，Z2和Z3不取傳統(tǒng)意義上的典型值，用微波軟件進行仿真，如果Gysel功分網(wǎng)絡的幅頻曲線能達到圖2的A曲線要求，理論上可以考慮將兩者進行一體化設計。 3 軟件仿真 用微波軟件Microwave Office進行仿真，第一步先建立傳統(tǒng)意義上的Gysel 1：2功分網(wǎng)絡的電路模型。如圖3所示。 除了關(guān)心其S21和S31幅頻特性外，各端口駐波特性對最終產(chǎn)品的工作穩(wěn)定性尤為重要。其散射參數(shù)如圖4和圖5所示。 可以看到，典型的1：2 Gysel各端口的反射系數(shù)優(yōu)于-20 dB，S21和S31一致性很好，插損在-3.11 dB和-3.17 dB之間，起伏非常小甚至可以忽略不計，這是Gysel的常規(guī)用法。 為了達到設計目的，Z1，Z2和Z3不取傳統(tǒng)意義上的阻抗值，把其長度L和寬度W均設為可調(diào)節(jié)的變量，并且采用分頻段設置優(yōu)化目標的方法來滿足特殊的幅度均衡要求。 優(yōu)化結(jié)果非常接近我們的設置目標。改進型1：2 Gysel散射參數(shù)見圖6和圖7。 除輸入端低頻端駐波略差外，其余均滿足設計要求，因為Gysel的輸入端外接有隔離器，對外圍電路的穩(wěn)定性不會有影響。而S21和S31的幅值在-3.3 dB和-4.2 dB之間，很好地滿足了帶內(nèi)起伏0.8 dB的設計要求。Z2優(yōu)化后非常接近于50 Ω，因此只需對Z1和Z3的優(yōu)化即可。 由此可見，改進的Gysel功分網(wǎng)絡具有幅度均衡功能，換言之，可以實現(xiàn)功分網(wǎng)絡和均衡網(wǎng)絡的一體化設計。 對稱微帶T型接頭在不同的應用場合可以等效為各種形式的三端口網(wǎng)絡，而不對稱T型接頭的分析則更為復雜，這里嘗試性地對Gysel功分網(wǎng)絡的T型接頭做些改動，結(jié)構(gòu)形式偏離其固化狀態(tài)，用HFSS微波軟件進行三維仿真，可以得到更加接近優(yōu)化目標的結(jié)果。 4 試驗結(jié)果 實際測試的改進型1：4 Gysel功分網(wǎng)絡數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果較為吻合，本電路已大量應用于多個產(chǎn)品中，收到了良好的預期效果。實物圖見圖8。 5 結(jié) 語 本文打破傳統(tǒng)用法，創(chuàng)新性地提出了一種Gysel微帶功分網(wǎng)絡與幅度均衡網(wǎng)絡的一體化設計思路。在大功率場合，可對多級功率放大鏈惡化后幅度特性進行一定的功率分配和幅度補償，完成對后一級功率管的近似等激勵驅(qū)動，并可實現(xiàn)電路的小型化。有較大的實用價值。 同時可以發(fā)現(xiàn)，S21和S31的幅頻特性為單調(diào)變化且?guī)挷怀^20％，這種一體化設計具有一定的局限性，對于帶寬較寬或有特殊要求的應用，有待于進一步深入研究。 |
