CN108417957B - 一种负群时延Gysel功分器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负群时延Gysel功分器及其设计方法，其中该具有负群时延特性的Gysel功分器包括五段分支线、两个负群时延单元、两个隔离电阻、一个匹配电阻、一个信号输入端口和两个信号输出端口。因此该功分器能够通过预先定义所需的插入损耗和群时延值完成设计。所述的负群时延Gysel功分器具有低插入损耗，输入输出端口良好匹配的特点，能够应用于补偿微波系统中的群时延特性。

Description

一种负群时延Gysel功分器及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种微波功分器，具体涉及一种具有负群时延特性的Gysel功分器及其设计方法。

背景技术

功率分配器简称功分器，有着分离和组合信号的功能，它被广泛应用于天线馈电网络和功率放大器中。在过去的几十年，对功分器的研究集中在功分器的不等功率分配、频带拓宽、小型化、双频响应以及谐波抑制等特性，而缺少对功分器群时延特性的研究。

相比于Wilkinson功分器，Gysel功分器引入了两个接地隔离电阻，克服了Wilkinson功分器因为输出端口之间的隔离电阻没有接地而导致其在高功率情况下散热不好的问题，这使得Gysel功分器具有较大功率容量，因此受到了更多的关注。

为提高数据传输速率，现代无线通信系统常采用复杂的高阶调制技术，这使得系统必须采用高线性的高功率放大器。模拟预失真技术是一种有效的线性化技术，具有功耗低、电路结构简单等优点。使用该技术的关键问题是解决不同路径信号之间的群时延、幅度和相位匹配问题。为解决该问题，目前必须采用延迟线、衰减器和移相器。如果将具有负群时延特性的功分器应用于模拟预失真放大器，可补偿放大器中的正群时延，进而消除延迟线和衰减器电路，将简单有效地解决不同路径信号之间的群时延与幅度匹配问题，进而提高放大器的线性度和效率。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种负群时延Gysel功分器包括：五段分支线、两个负群时延单元、两个隔离电阻、一个匹配电阻、一个信号输入端口和两个信号输出端口；

所述五段分支线分别为特性阻抗为Z₀₁且长度为λ/4的第一分支线、特性阻抗为Z₀₂且长度为λ/4的第二分支线、特性阻抗为Z₀₃且长度为λ/2的第三分支线、特性阻抗为Z₀₂且长度为λ/4的第四分支线和特性阻抗为Z₀₁且长度为λ/4的第五分支线；

所述第一分支线、第二分支线、第三分支线、第四分支线和第五分支线依次首尾相连呈闭合的回路；

所述两个负群时延单元分别为第一负群时延单元和第二负群时延单元；所述第一负群时延单元连接于第一分支线与第二分支线的连接处；所述第二负群时延单元连接于第四分支线与第五分支线的连接处；

所述两个隔离电阻分别为第一隔离电阻和第二隔离电阻；所述第一隔离电阻的一端连接于第二分支线与第三分支线的连接处、另一端接地；所述第二隔离电阻的一端连接于第三分支线与第四分支线的连接处、另一端接地；

所述匹配电阻的一端连接于第一分支线与第五分支线的连接处，且另一端接地；

所述信号输入端口连接于第一分支线与第五分支线的连接处；

所述两个信号输出端口分别为第一输出端口和第二输出端口；所述第一输出端口连接于第一分支线与第二分支线的连接处；所述第二输出端口连接于第四分支线与第五分支线的连接处。

进一步的，所述每个负群时延单元包含一段长度为λ/4的平行耦合线和一个吸收电阻；所述平行耦合线包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一端口和第二端口接地；所述平行耦合线的第三端口为开路端；所述吸收电阻的一端连接于平行耦合线的第四端口，所述吸收电阻的另一端连接于第四分支线与第五分支线的连接处。

进一步的，所述匹配电阻和吸收电阻的阻值相等时实现理想的输入输出匹配特性。

一种负群时延Gysel功分器的设计方法，包括如下步骤：

步骤1、确定负群时延Gysel功分器在中心工作频率f₀处所需的负群时延τ₀、允许的最大插入损耗L_max和输入输出端口阻抗Z₀；

步骤2、选择匹配电阻和吸收电阻的电阻值R，并计算所述负群时延Gysel功分器的插入损耗L；

步骤3、判断插入损耗L是否小于L_max，是则进入步骤4，否则返回步骤2，重新选择电阻值R得到相应的插入损耗L；

步骤4、计算第一分支线和第五分支线的特性阻抗Z₀₁；

步骤5、在物理尺寸能实现的情况下为第二分支线和第四分支线选取较大的特性阻抗Z₀₂，为第三分支线也选取较大的特性阻抗Z₀₃；

步骤6、计算隔离电阻的电阻值R_iso；

步骤7、选取平行耦合线的等效阻抗Z_c和平行耦合线的耦合系数、并计算负群时延τ的值；

步骤8、判断负群时延τ是否达到所需的负群时延τ₀，是则进入步骤9，否则返回步骤7，重新选择等效阻抗Z_c和耦合系数k得到相应的负群时延τ；

步骤9、计算平行耦合线的偶模阻抗Z_0e和平行耦合线的奇模阻抗Z_0o；

步骤10、将所述平行耦合线和分支线的特性参量转化为所述负群时延Gysel功分器对应传输线的物理尺寸；

步骤11、基于所述物理尺寸，在电磁数值仿真软件中对所述负群时延Gysel功分器进行建模与优化直至满足所述负群时延Gysel功分器的设计技术指标要求。

进一步的，计算插入损耗L对应的公式为：

进一步的，计算第一分支线和第五分支线特性阻抗Z₀₁的公式为：

进一步的，计算隔离电阻的电阻值R_iso对应的公式为：

R_iso＝(R-Z₀)Z₀₂ ²/(Z₀R) 。(3)

进一步的，计算负群时延τ对应的公式为：

进一步的，计算平行耦合线的偶模和奇模阻抗对应的公式为：

Z_0e＝Z_ck/(1-k)，Z_0o＝Z_ck/(1+k)。 (5)

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种具有负群时延特性的Gysel功分器及其设计方法，其中本功分器在各个端口能够实现良好的匹配，两个输出端口间实现良好的隔离，并且具有预先定义插入损耗和负群时延的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是负群时延Gysel功分器的结构图；

图2是负群时延Gysel功分器的群时延特性曲线；

图3是负群时延Gysel功分器的S参数曲线。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的一种具有负群时延特性的Gysel功分器包括五段分支线、两个负群时延单元、两个隔离电阻、一个匹配电阻、一个信号输入端口和两个信号输出端口；

所述五段分支线分别为特性阻抗为Z₀₁且长度为λ/4的第一分支线1、特性阻抗为Z₀₂且长度为λ/4的第二分支线2、特性阻抗为Z₀₃且长度为λ/2的第三分支线3、特性阻抗为Z₀₂且长度为λ/4的第四分支线4和特性阻抗为Z₀₁且长度为λ/4的第五分支线5；

所述第一分支线1、第二分支线2、第三分支线3、第四分支线4和第五分支线5依次首尾相连呈闭合的回路；

所述两个负群时延单元分别为第一负群时延单元6和第二负群时延单元7；所述第一负群时延单元6连接于第一分支线1与第二分支线2的连接处；所述第二负群时延单元7连接于第四分支线4与第五分支线5的连接处；

所述隔离电阻分别为第一隔离电阻8和第二隔离电阻9；所述第一隔离电阻8的一端连接于第二分支线2与第三分支线3的连接处，且另一端接地；所述第二隔离电阻9的一端连接于第三分支线3与第四分支线4的连接处，且另一端接地；

所述匹配电阻10的一端连接于第一分支线1与第五分支线5的连接处，且另一端接地；

所述信号输入端口11连接于第一分支线1与第五分支线5的连接处；

所述信号输出端口分别为第一输出端口12和第二输出端口13；所述第一输出端口12连接于第一分支线1与第二分支线2的连接处；所述第二输出端口13连接于第四分支线4与第五分支线5的连接处。

所述的负群时延Gysel功分器，所述每个负群时延单元包含一段长度为λ/4的平行耦合线14和一个吸收电阻15；所述平行耦合线的第一端口141和第二端口142都接地；所述平行耦合线的第三端口143为开路端；所述吸收电阻15的一端连接于平行耦合线的第四端口144，所述吸收电阻15的另一端连接于第四分支线4与第五分支线5的连接处。

所述的负群时延Gysel功分器，所述匹配电阻10和吸收电阻15的阻值相等时，可实现理想的输入输出匹配特性。

所述负群时延Gysel功分器的设计方法，包括如下步骤：

步骤1、确定所述负群时延Gysel功分器在中心工作频率f₀处所需的负群时延τ₀、可允许的最大插入损耗L_max和输入输出端口阻抗Z₀；

具体地，确定负群时延Gysel功分器的中心工作频率f₀为1.0千兆赫，f₀处所需的负群时延τ₀为-1.5纳秒，最大插入损耗L_max为9分贝，输入输出端口阻抗Z₀为50欧姆

步骤2、选择匹配电阻和吸收电阻的电阻值R，并根据下述公式(1)计算所述负群时延Gysel功分器的插入损耗L，所述公式(1)为：

具体地，匹配电阻和吸收电阻的电阻值R选择为91欧姆，将匹配电阻和吸收电阻的电阻值R(91欧姆)和输入输出端口阻抗Z₀(50欧姆)，代入公式(1)中计算得到所述负群时延Gysel功分器的插入损耗L为8.375分贝；

步骤3、判断L是否小于L_max，是则进入步骤4，否则返回步骤2，重新选择R得到相应的L；

具体地，插入损耗L(8.375分贝)满足小于最大插入损耗L_max(9分贝)的要求，进入步骤4；

步骤4、根据下述公式(2)计算第一分支线和第五分支线的特性阻抗Z₀₁,所述公式(2)为：

具体地，将匹配电阻和吸收电阻的电阻值R(91欧姆)和输入输出端口阻抗Z₀(50欧姆)，代入公式(2)中计算得到第一分支线和第五分支线的特性阻抗Z₀₁为84.63欧姆；

步骤5、在可实现的微带线尺寸中为第二分支线、第四分支线选取较大的特性阻抗Z₀₂；为第三分支线也选取较大的特性阻抗Z₀₃；

具体地，第二分支线、第四分支线的特性阻抗Z₀₂选择为100欧姆，第三分支线的特性阻抗Z₀₃也选择为100欧姆；

步骤6、根据下述公式(3)计算隔离电阻的电阻值R_iso，所述公式(3)为：

R_iso＝(R-Z₀)Z₀₂ ²/(Z₀R)；

具体地，将步骤1中输入输出端口阻抗Z₀(50欧姆)，步骤2中选择的匹配电阻和吸收电阻的电阻值R(91欧姆)和步骤5中选择的第二分支线、第四分支线的特性阻抗Z₀₂(100欧姆)，代入公式(3)中计算隔离电阻的电阻值为90.1欧姆；

步骤7、选取平行耦合线的等效阻抗Z_c，平行耦合线的耦合系数k，利用下述公式(4)计算负群时延τ的值，所述公式(4)为：

具体地，选取平行耦合线的等效阻抗Z_c为300欧姆，平行耦合线的耦合系数k为0.123，并将步骤1中输入输出端口阻抗Z₀(50欧姆)、步骤2中选择的匹配电阻和吸收电阻的电阻值R(91欧姆)、步骤4中计算所得的第一分支线和第五分支线的特性阻抗Z₀₁(84.63欧姆)，步骤5中选择的第二分支线、第四分支线的特性阻抗Z₀₂(100欧姆)、第三分支线的特性阻抗Z₀₃(100欧姆)，代入公式(4)计算得到负群时延Gysel功分器的负群时延τ为-1.5纳秒；

步骤8、判断τ是否达到所需的群时延值τ₀，是则进入步骤9，否则返回步骤7，重新选择Z_c和k得到相应的τ；

具体地，计算所得群时延τ(-1.5纳秒)达到了所需群时延τ₀(-1.5纳秒)要求，进入步骤9；

步骤9、利用下述公式(5)计算平行耦合线的偶模阻抗Z_0e和平行耦合线的奇模阻抗Z_0o，所述公式(5)为：

Z_0e＝Z_ck/(1-k)，Z_0o＝Z_ck/(1+k)；

具体地，计算的平行耦合线的偶模阻抗Z_0e为42.075欧姆，平行耦合线的奇模阻抗Z_0o为32.858欧姆；

步骤10、将所述传输线特性参量转化为所述负群时延Gysel功分器对应传输线的物理尺寸；

步骤11、基于所述物理尺寸，在电磁数值仿真软件中对所述负群时延Gysel功分器进行建模与优化直至满足所述负群时延Gysel功分器的设计技术指标要求。

具体地，图2示出了本发明所述负群时延Gysel功分器的群时延特性曲线，图3示出了本发明所述负群时延Gysel功分器S参数曲线。从图2可以看出在中心频率1.0千兆赫处的群时延为-1.5纳秒，从图3可以看到，各端口的回波损耗均大于40分贝，插入损耗为8.375分贝，满足负群时延Gysel功分器的设计技术指标要求。

综上所述，本发明所述的负群时延Gysel功分器能够通过预先定义所需的插入损耗和群时延值完成功分器的设计。所述的负群时延Gysel功分器具有低插入损耗，输入输出端口良好匹配的特点，能够应用于补偿微波系统中的群时延特性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种负群时延Gysel功分器，其特征在于包括：五段分支线、两个负群时延单元、两个隔离电阻、一个匹配电阻、一个信号输入端口和两个信号输出端口；

所述一个匹配电阻的电阻值为R；所述一个信号输入端口和两个信号输出端口的端口阻抗都为Z₀；

所述五段分支线分别为特性阻抗为Z₀₁且长度为λ/4的第一分支线(1)、特性阻抗为Z₀₂且长度为λ/4的第二分支线(2)、特性阻抗为Z₀₃且长度为λ/2的第三分支线(3)、特性阻抗为Z₀₂且长度为λ/4的第四分支线(4)和特性阻抗为Z₀₁且长度为λ/4的第五分支线(5)；

所述第一分支线(1)和第五分支线(5)的特性阻抗Z₀₁等于

所述第一分支线(1)、第二分支线(2)、第三分支线(3)、第四分支线(4)和第五分支线(5)依次首尾相连呈闭合的回路；

所述两个负群时延单元分别为第一负群时延单元(6)和第二负群时延单元(7)；所述第一负群时延单元(6)连接于第一分支线(1)与第二分支线(2)的连接处；所述第二负群时延单元(7)连接于第四分支线(4)与第五分支线(5)的连接处；

所述两个隔离电阻分别为第一隔离电阻(8)和第二隔离电阻(9)；所述第一隔离电阻(8)的一端连接于第二分支线(2)与第三分支线(3)的连接处、另一端接地；所述第二隔离电阻(9)的一端连接于第三分支线(3)与第四分支线(4)的连接处、另一端接地；

所述第一隔离电阻(8)和第二隔离电阻(9)的电阻值都为R_iso，且等于(R-Z₀)Z₀₂ ²/(Z₀R)；

所述匹配电阻(10)的一端连接于第一分支线(1)与第五分支线(5)的连接处，且另一端接地；

所述信号输入端口(11)连接于第一分支线(1)与第五分支线(5)的连接处；

所述两个信号输出端口分别为第一输出端口(12)和第二输出端口(13)；所述第一输出端口(12)连接于第一分支线(1)与第二分支线(2)的连接处；所述第二输出端口(13)连接于第四分支线(4)与第五分支线(5)的连接处；

所述每个负群时延单元包含一段长度为λ/4的平行耦合线(14)和一个吸收电阻(15)；所述平行耦合线(14)包括第一端口(141)、第二端口(142)、第三端口(143)和第四端口(144)，所述第一端口(141)和第二端口(142)接地；所述平行耦合线(14)的第三端口(143)为开路端；所述吸收电阻(15)的一端连接于平行耦合线(14)的第四端口(144)，所述吸收电阻(15)的另一端连接于第四分支线(4)与第五分支线(5)的连接处；

所述匹配电阻(10)和吸收电阻(15)的阻值相等时实现理想的输入输出匹配特性。

2.一种如权利要求1所述的负群时延Gysel功分器的设计方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、确定负群时延Gysel功分器在中心工作频率f₀处所需的负群时延τ₀、允许的最大插入损耗L_max和输入输出端口阻抗Z₀；

步骤2、选择匹配电阻和吸收电阻的电阻值R，并计算所述负群时延Gysel功分器的插入损耗L；

步骤3、判断插入损耗L是否小于L_max，是则进入步骤4，否则返回步骤2，重新选择电阻值R得到相应的插入损耗L；

步骤4、计算第一分支线(1)和第五分支线(5)的特性阻抗Z₀₁；

步骤5、在物理尺寸能实现的情况下为第二分支线(2)和第四分支线(4)选取较大的特性阻抗Z₀₂，为第三分支线(3)也选取较大的特性阻抗Z₀₃；

步骤6、计算隔离电阻的电阻值R_iso；

步骤7、选取平行耦合线(14)的等效阻抗Z_c和平行耦合线(14)的耦合系数、并计算负群时延τ的值；

步骤8、判断负群时延τ是否达到所需的负群时延τ₀，是则进入步骤9，否则返回步骤7，重新选择等效阻抗Z_c和耦合系数k得到相应的负群时延τ；

步骤9、计算平行耦合线(14)的偶模阻抗Z_0e和平行耦合线(14)的奇模阻抗Z_0o；

步骤10、将所述平行耦合线(14)和分支线的特性参量转化为所述负群时延Gysel功分器对应传输线的物理尺寸；

步骤11、基于所述物理尺寸，在电磁数值仿真软件中对所述负群时延Gysel功分器进行建模与优化直至满足所述负群时延Gysel功分器的设计技术指标要求。

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于：

计算插入损耗L对应的公式为：

4.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于：

计算第一分支线和第五分支线特性阻抗Z₀₁的公式为：

5.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于：

计算隔离电阻的电阻值R_iso对应的公式为：

R_iso＝(R-Z₀)Z₀₂ ²/(Z₀R)。

6.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于：

计算负群时延τ对应的公式为：

7.根据权利要求2所述的设计方法，其特性在于：

计算平行耦合线(14)的偶模和奇模阻抗对应的公式为：

Z_0e＝Z_ck/(1-k)，Z_0o＝Z_ck/(1+k)。

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