CN106856254B - 基于分级设计的宽带多路功分器损耗优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于分级设计的宽带多路功分器损耗优化方法，包括偶模电路设计和奇模电路设计步骤，奇模电路设计时首先将靠近分口的基本功分单元隔离电阻个数进行设置；然后逐级去除剩余各级基本功分单元靠近其合口的隔离电阻；再将无隔离电阻的阻抗变换段合并至合路；最后按照奇模分析法计算所有隔离电阻的阻值。本发明的方法简化了大部分基本功分单元的设计，在复杂的功分网络设计中大大节约了人力资源，采用的组网方式简便易行，可方便地应用于基于各种不同的传输线类型和采用不同类型的基本功分单元组成的隔离式并馈功分网络中。

Description

基于分级设计的宽带多路功分器损耗优化方法

技术领域

本发明属于微波、天线领域，具体涉及一种基于分级设计的宽带多路功分器损耗优化方法。

背景技术

功分器是微波接收、发射及频率合成系统中不可缺少的部件，无论是微波通信、雷达、遥控遥感、电子侦察、电子对抗还是微波测量系统中，都有将信号按一定功率比分配的需求，这种将信号分配为多路、再分别进行处理的方式，是非常普遍的应用。随着我国军事装备发展的突飞猛进，在现代雷达、微波测量和电子对抗等系统中，为提高装备的适应性和多信号捕捉能力，往往选用宽带体制来作为系统方案，因此对功分器提出了全频段带宽覆盖的要求。

在多路功分器设计中，并馈型组网方式由于其带宽宽、设计简便而得到了广泛应用，特别是多路隔离式功分网络更是研究中的重点，其最普遍的基本功率分配单元有Wilkinson功分器和Gysel功分器。传统宽带功分网络设计思路是拓展单个基本功率分配单元的带宽，从而达到其组网后形成宽带功分网络的目的。其实现方式有基于Wilkinson功分器的多节变换设计、枝节/电容加载、端口延伸技术、宽带隔离网络技术，以及基于Gysel功分器的多节变换技术、枝节加载与阻抗匹配技术、180°反相隔离网络技术等等。然而以上方式设计较为复杂，特别是在多路功分网络中，由于不同功分比基本功分单元数量巨大，大大增加了设计难度。最近，将阶梯阻抗变换应用于整个网络的偶模等效电路，提高了合口驻波的有效带宽，然而其分口驻波有效带宽未得到明显改善，同时其变换节数随着路数的增加迅速增大，增加了设计复杂度。

发明内容

本发明涉及一种基于分级设计的宽带多路功分器损耗优化方法，可以不通过提高所有基本功分单元的宽带性能，而是分级设计各级基本功分单元，来实现整个网络在宽带下各端口的低驻波性能；减小整个网络的损耗，同时保证各分口之间的高隔离度；降低多路功分网络中不同功分比的基本功率分配单元设计复杂度，同时实现其紧凑布局。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

基于分级设计的宽带多路功分器损耗优化方法，其步骤包括：

1)优化方法采用的网络拓扑结构为并馈型网络结构，首先进行偶模电路设计，其偶模电路采用多节阻抗变换方式，变换节数与各节线宽根据带宽指标而定；

2)进行奇模电路设计：

2.1)首先，对于Wilkinson型功分器，将靠近分口的第一级和第二级的基本功分单元隔离电阻个数设置为阻抗变换段个数；对于Gysel型功分器，将靠近分口的第一级和第二级的基本功分单元隔离电阻个数设置为阻抗变换段个数的两倍；

2.2)逐级去除剩余各级基本功分单元靠近其合口的隔离电阻，每级去除的个数根据驻波和损耗指标要求而定，同时为保证网络稳定性与可靠性，对于Wilkinson型功分器，当隔离电阻减少至1个时，不再减少电阻个数；对于Gysel型功分器，当隔离电阻减少至2个时，不再减少电阻个数；

2.3)将无隔离电阻的阻抗变换段合并至合路，减少了基本功分单元的参数数目；

2.4)按照奇模分析法计算所有隔离电阻的阻值。

其特征在于，所述步骤2.3)中合路上的阻抗变换段还可以根据宽带多路功分器布局进行弯折，缩减宽带多路功分器的占用空间。

本发明涉及一种基于分级设计的宽带多路功分器损耗优化方法，具有以下优点和用途：

(1)本发明所述的优化设计方法使功分网络在宽带性能下具有驻波低、损耗小、布局紧凑的优势，可方便的用于微波/天线系统中。

(2)本发明有效地降低了设计复杂度。本发明通过对各级基本功分单元电性能的分级控制，简化了大部分基本功分单元的设计，在复杂的功分网络设计中大大节约了人力资源。

(3)本发明设计简单、易于移植。本发明采用的组网方式简便易行，可方便地应用于基于各种不同的传输线类型和采用不同类型的基本功分单元组成的隔离式并馈功分网络中。

附图说明

图1a 并馈型路数n＝2^m的多路功分器拓扑结构；

图1b 并馈型路数n≠2^m的多路功分器拓扑结构；

图2a 4个隔离电阻单元模型形式的基本功分单元；

图2b 2个隔离电阻单元模型形式的基本功分单元；

图2c 1个隔离电阻单元模型形式的基本功分单元；

图2d 1个隔离电阻单元模型(走线弯折)形式的基本功分单元；

图3a 传统宽带64路功分器与本发明的合口驻波仿真结果对比；

图3b 传统宽带64路功分器与本发明的分口驻波仿真结果对比；

图3c 传统宽带64路功分器的隔离度仿真结果；

图3d 本发明的隔离度仿真结果；

图3e 传统宽带64路功分器与本发明的损耗仿真结果对比。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1-3，利用本发明设计了一种相对带宽为120％的64路功分器。本例基于带状线形式的Wilkinson功分器，采用图1(a)所示的并馈型网络拓扑结构。根据带宽指标，偶模电路设计中将阻抗变换节数设为4。在奇模电路设计中，为了保证分口驻波尽可能低，将靠近分口的第一级stage_1和靠近分口的第二级stage_2中的基本功分单元隔离电阻数目均设置为4个；靠近分口的第三级stage_3中的基本功分单元隔离电阻数目可设置为3个或2个，当设置为3个时能获得更低的分口驻波，而当设置为2各时能获得更低的网络损耗，本例中将其设为2；为提高网络的稳定性与可靠性，剩余基本功分单元的电阻数均设为1，具体配置表格如表1。

表1 64路多路功分器各级隔离电阻配置

由于隔离电阻数目的缩减，基本功分单元两支路变换节数减少，大大降低了基本功分单元特别是不等分功分比单元的设计难度空间利用率增大，同时阻抗变换段可弯折(如图2(d))，从而实现紧凑布局。由此方案设计了3种基本功率分配单元，其隔离电阻分别为4个、2个、1个，阻抗变换节数均为4，具体结构见图2(a)、(b)、(c)，其中白色部分为介质，灰色部分为金属走线，黑色部分为隔离电阻。

传统的宽带多路功分器设计方法简单地将图2(a)中采用了4个隔离电阻的基本功分单元进行级联组网，而本设计逐级减少隔离电阻的个数。本设计仿真结果与传统宽带64路功分器仿真结果对比如图3，其中delta_Loss＝Loss_proposed-Loss_general。在4.8GHz至19.2GHz的频带内，合口驻波本发明低于1.43、传统设计低于1.65，分口驻波本发明低于1.27、传统设计低于1.18，各分口间的隔离度两者均大于19dB。与传统设计方法中19.2GHz处-3.58dB的损耗相比，本发明中的损耗仅仅为-1.97dB，损耗减小1.61dB。显然，与复杂的传统设计方法相比，本发明不仅实现了与其相同的低驻波、高隔离度性能，而且降低了损耗，并减小了设计复杂度、实现了紧凑布局。

Claims (2)

1.基于分级设计的宽带多路功分器损耗优化方法，其步骤包括：

1)优化方法采用的网络拓扑结构为并馈型网络结构，首先进行偶模电路设计，其偶模电路采用多节阻抗变换方式，变换节数与各节线宽根据带宽指标而定；

2)进行奇模电路设计：

2.1)首先，对于Wilkinson型功分器，将靠近输出端口的第一级和第二级的基本功分单元隔离电阻个数设置为阻抗变换段个数；对于Gysel型功分器，将靠近输出端口的第一级和第二级的基本功分单元隔离电阻个数设置为阻抗变换段个数的两倍；

2.2)逐级去除剩余各级基本功分单元靠近其输入端口的隔离电阻，每级去除的个数根据驻波和损耗指标要求而定，同时为保证网络稳定性与可靠性，对于Wilkinson型功分器，当隔离电阻减少至1个时，不再减少电阻个数；对于Gysel型功分器，当隔离电阻减少至2个时，不再减少电阻个数；

2.3)将无隔离电阻的阻抗变换段合并至合路，减少了基本功分单元的参数数目；

2.4)按照奇模分析法计算所有隔离电阻的阻值。

2.如权利要求1所述的基于分级设计的宽带多路功分器损耗优化方法，其特征在于：所述步骤2.3)还包括：合路上的阻抗变换段根据宽带多路功分器布局进行弯折，缩减宽带多路功分器的占用空间。