CN109167141A - 多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法，设计的功分器包括一个输入端口、N个输出端口、N根第一级传输线、N根第二级传输线、N个接地的隔离电阻和N根第三级传输线。本发明设计的多路任意功分比Gysel型功分器能够实现任意功率分配比、任意输出路数、任意端口负载的功率分配与合成，克服了传统多路Gysel功分器只有等功率分配比、等端口负载的缺陷。

Description

多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法

技术领域

本发明涉及电子器件技术领域，具体涉及一种多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法。

背景技术

功分器是对输入信号进行幅相分配的器件，被广泛应用于天线馈电系统。Wilkinson型功分器是最典型的功分器之一，但是其使用的隔离电阻与地板之间的分布电容效应限制了它在高功率场合的应用。原始的Gysel型功分器是U.H.Gysel在1975年针对Wilkinson功分器的提出的改进型，其优势在于功率容量大，可用于高功率场合。

目前常见的Gysel型功分器多为两路输出；而多路输出的Gysel型功分器，大都是功率平均分配，且体积较大，电路结构复杂，不易集成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法。

实现本发明的技术解决方案为：一种多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法，包括负载阻值为R_x0的输入端口，负载阻值为R_xn的分口，负载阻值为R_zn的输出端口；该功分器共有N路，每一路均有三级传输线，分别是特性阻抗为Z_0n的第一级传输线，特性阻抗为Z_nC的第二级传输线，特性阻抗为Z_n的第三级传输线，其中，每一路的每一级传输线长度均为工作频率下波长的四分之一，每一路连接一个阻值为R_n的接地电阻；所述设计方法包括以下步骤：

步骤1，确定功分器的工作频率f、功率分配路数N以及每路输出端口的功率分配关系，确定输入端口Port 0所接负载的电阻值R_x0、分口所接负载的电阻值R_xn，确定输出端口所接负载阻值R_zn；

步骤2，确定第一路的第三级传输线的特性阻抗值Z₁，以及第m路的第三级传输线的特性阻抗值与第一路第三级传输线的特性阻抗值Z₁的比值p_m，进而得到第m路第三级传输线的特性阻抗值，m＝2，3，...，N；

步骤3，确定第一路的接地电阻值R₁；

步骤4，根据功分器的分配路数N以及每路的功率分配关系，输入端口、分口所接负载的电阻值R_xn，输出端口所接负载阻值R_zn，每一路的第三级传输线的特性阻抗值Z_n，第m路路的第三级传输线的特性阻抗值与第一路第三级传输线的特性阻抗值Z₁的比值p_m，以及第一路的接地电阻值R₁，计算每一路的各级传输线的特性阻抗、四分之一波长阻抗变换器的特性阻抗和第m路的接地电阻值。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明能够实现任意功分比、任意端口阻抗的功率分配与合成，为设计多路Gysel型功分器提供了简单又有效的设计方法，克服了传统的多路Gysel功分器只有等功率分配比、等端口负载的缺陷，可以使多路不等分的Gysel型功分器每个端口都有良好的匹配，每个输出端口有良好的隔离；(2)本发明使多路功分器结构紧凑，传输线的特性阻抗动态可调范围大；(3)本发明所涉及的多路任意功分比的Gysel功分器保留了传统Gysel型功分器适用于高功率场合的特点，适合微波多路的高功率分配合成应用。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明基于原始Gysel功分器的拓扑图。

图2是本发明多路任意功分比Gysel型功分器的电路结构剖面示意图。

图3是本发明顶层电路板及上层微带结构示意图。

图4是本发明底层电路板及下层微带结构示意图。

图5是本发明实施例六路不等分Gysel型功分器的端口反射系数幅值的仿真及测试结果图。

图6是本发明实施例六路不等分Gysel型功分器的端口传输系数幅值的仿真及测试结果图。

图7是本发明实施例六路不等分Gysel型功分器的端口隔离系数幅值的仿真及测试结果图。

具体实施方式

一种多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法，如图1所示，功分器包括负载阻值为R_x0的输入端口Port 0，负载阻值为R_xn的分口n，负载阻值为R_zn的输出端口Port n，其中n＝1,2，…，N；该功分器共有N路，每一路均有三级传输线，分别是特性阻抗为Z_0n的第一级传输线，特性阻抗为Z_nC的第二级传输线，特性阻抗为Z_n的第三级传输线，其中，每一路的每一级传输线长度均为工作频率下波长的四分之一，每一路连接一个阻值为R_n的接地电阻；所述设计方法包括以下步骤：

步骤1，确定功分器的工作频率f、功率分配路数N以及每路输出端口的功率分配关系，确定输入端口Port 0所接负载的电阻值R_x0、分口n所接负载的电阻值R_xn，确定输出端口Port n所接负载阻值R_zn；

步骤2，确定第一路的第三级传输线的特性阻抗值Z₁，以及第m路的第三级传输线的特性阻抗值与第一路第三级传输线的特性阻抗值Z₁的比值p_m，进而得到第m路第三级传输线的特性阻抗值，m＝2，3，...，N；

步骤3，确定第一路的接地电阻值R₁，其值为任意，本发明取50Ω；

步骤4，根据功分器的分配路数N以及每路的功率分配关系，输入端口Port 0、分口n所接负载的电阻值R_xn，输出端口Port n所接负载阻值R_zn，每一路的第三级传输线的特性阻抗值Z_n，第m路路的第三级传输线的特性阻抗值与第一路第三级传输线的特性阻抗值Z₁的比值p_m，以及第一路的接地电阻值R₁，计算每一路的各级传输线的特性阻抗、四分之一波长阻抗变换器的特性阻抗和第m路的接地电阻值。

所述步骤1中各输出端口的功率分配比为：

其中P₁,P₂,P₃,…,P_n为输出端口Port n功率大小。

所述步骤4包括：

步骤41：计算每一路第一级传输线的特性阻抗Z_0n，第一路的第二级传输线的特性阻抗Z_1C，四分之一波长阻抗变换器的特性阻抗Z_xn，其值分别为：

步骤42：计算第m路的第二级传输线的特性阻抗和接地电阻值，其值分别为：

所述多路任意功分比Gysel型功分器包括顶层电路板、中间层金属层、底层电路板、金属针、金属化过孔和介质柱；

顶层电路板包括第一介质基板和第一接地金属，底层电路板包括第二介质基板和第二接地金属，顶层电路板的上层微带结构附着在第一介质基板的上表面，第一接地金属附着在第一介质基板下表面；底层电路板的下层微带结构附着在第二介质基板下表面，第二接地金属附着在第二介质基板上表面；上层微带结构和下层微带结构通过金属针相连，介质柱置于中间金属层中用以隔开金属针和中间金属层；第一接地金属和第二接地金属在金属针四周挖孔，将接地金属和金属针隔开；

微带结构包括负载阻值为R_x0的输入端口Port 0，负载阻值为R_xn的分口n，负载阻值为R_zn的输出端口Port n，n＝1,2，…，N；分口n处接一段四分之一波长阻抗变换器n_1和一段特性阻抗为50Ω的传输线，再接输出端口Port n。

该功分器共有N路，每一路都有三级传输线，分别是特性阻抗为Z_0n的第一级传输线n_2，特性阻抗为Z_nC的第二级传输线n_3，特性阻抗为Z_n的第三级传输线n_4，其中，每一路的每一级传输线长度均为工作频率下波长的四分之一，且每一路连接一个阻值为R_n的接地电阻。

所述输入端口Port 0在顶层电路板的上层微带结构中心，N根四分之一波长的第一级传输线n_2由结构中心向四周呈放射状排布；第一级传输线的另一端连接分口n，分口n接一段四分之一波长的阻抗变换线n_1将阻抗变换到50Ω，再接一段R_zn＝50Ω的传输线分别与输出端口Port 1、Port 2…Port N连接，这N个输出端口依次均匀分布于第一介质基板的边缘。

所述每路第二级传输线的一半，即八分之一波长的第二级传输线n_3_1，与第一级传输线n_2垂直并且连接，第二级传输线的另一端通过金属针，与剩下的八分之一波长的第二级传输线n_3_2相连，该剩下的八分之一波长的第二级传输线位于底层电路版的下层微带结构；所述第三级传输线n_4长度为四分之一波长，位于底层电路板的下级微带结构，与八分之一波长的第二级传输线n_3_2垂直，并且N路的第三级传输线n_4汇聚到底层电路版的下层微带结构的中心。

下层微带结构每路均有一段50Ω传输线与八分之一波长第二级传输线n_3_2连接，再连接接地电阻R_n，最后与第二接地金属相连。

第二接地金属通过金属化过孔与中间金属层相连。

50Ω传输线与八分之一波长第二级传输线n_3_2垂直连接，放置方向与第三级传输线n_4相反。

以下结合附图和实施例对本发明进行描述。

实施例

图2是本发明的多路任意功分比Gysel型功分器的电路结构剖面示意图。所述多路任意功分比Gysel型功分器，包括顶层电路板、中间层金属层、底层电路板、金属针、金属化过孔和介质柱。顶层电路板的上层微带结构附着在第一介质基板的上表面，第一接地金属附着在第一介质基板下表面；底层电路板的下层微带结构附着在第二介质基板下表面，第二接地金属附着在第二介质基板上表面。上层微带结构和下层微带结构通过金属针相连，介质柱置于中间金属层中用以隔开金属针和中间金属层。第一接地金属和第二接地金属在金属针四周挖孔，将接地金属和金属针隔开。

图3是本发明提出的技术解决方案中，多路任意功分比Gysel型功分器的电路结构顶层电路板及上层微带结构示意图；图4是本发明提出的技术解决方案中，多路任意功分比Gysel型功分器的电路结构底层电路板及下层微带结构示意图。所述多路任意功分比Gysel型功分器包括负载阻值为R_x0的输入端口Port 0，负载阻值为R_xn的分口n，n＝1,2，…，N，负载阻值为R_zn的输出端口Port N。其中，分口n仅为理论概念，为了便于后面的计算，而不是真正的结构上的输出端口。该功分器一共有N路，每一路都有三级传输线，分别是：特性阻抗为Z_0n，编号为n_2的第一级传输线；特性阻抗为Z_nC，编号为n_3的第二级传输线；特性阻抗为Z_n，编号为n_4的第三级传输线；其中，每一路的每一级传输线长度均为工作频率下波长的四分之一。每一路还有一个阻值为R_n的接地电阻。为了与50Ω系统匹配，分口n后面还接一段编号为n_1的四分之一波长阻抗变换器，再接一段特性阻抗为50Ω的传输线。再接输出端口Port N。

该多路Gysel型功分器的输入端口Port 0在顶层电路板的上层微带结构中心，连接N根四分之一波长的第一级传输线n_2；这N根四分之一波长的第一级传输线n_2由结构中心向四周呈放射状排布，每根的另一端即为分口n处，后接一段四分之一波长的阻抗变换线n_1将阻抗变换到50Ω，再接一段50Ω的传输线分别与输出端口Port 1、Port 2…Port N连接，这N个输出端口依次均匀分布于介质基板1的边缘。每路第二级传输线的一半，即八分之一波长的第二级传输线n_3_1的一端，在分口n处与第一级传输线的一端垂直连接，编号为n_3_1的传输线的另一端通过金属针，与剩下的八分之一波长的第二级传输线n_3_2的一端相连，该剩下的八分之一波长的第二级传输线位于底层电路版的下层微带结构。第三级传输线n_4长度也为四分之一波长，在底层电路板的下级微带结构，与八分之一波长的第二级传输线的另一端垂直相接，并且N路的第三级传输线汇聚到底层电路版的下层微带结构的中心。下层微带结构每路都有一小段50Ω传输线与八分之一波长第二级传输线不与金属针相接的一端垂直并连接，并且放置方向与第三级传输线相反，再连接上电阻R_n，最后与接地金属片相连。接地金属片通过接地过孔与中间金属层相连。

设计多路任意功分比Gysel型功分器的具体执行步骤为：

步骤a1：确定功分器的工作频率f、功率分配路数N以及各输出端口的功率分配关系。

其中P₁,P₂,P₃,…,P_n为输出端口Port n功率大小。

步骤a2：确定输入端口Port 0、分口n所接负载的电阻值R_xn，确定输出端口Port n所接负载阻值R_zn；

步骤b1：确定第一路的第三级传输线的特性阻抗值Z₁，其值为任意，本实施方式中取50Ω。

步骤b2：确定第m路的第三级传输线的特性阻抗值与第一路第三级传输线的特性阻抗值Z₁的比值p_m，m＝2，3，...，N，进而确定第m路第三级传输线的特性阻抗值；

步骤c：确定第一路的接地电阻值R₁，其值为任意，本实施方式中取50Ω。

步骤d1：根据功分器的分配路数N以及每路的功率分配关系，输入端口Port 0、输出端口Port n所接负载的电阻值，每一路的第三级传输线的特性阻抗值Z_n，第m路的第三级传输线的特性阻抗值与第一路第三级传输线的特性阻抗值Z₁的比值p_m，以及第一路的接地电阻值R₁，计算每一路第一级传输线的特性阻抗Z_0n，其值为：

步骤d2：计算第一路的第二级传输线的特性阻抗Z_1C，其值为：

步骤d3：计算第n路的四分之一波长变换线的特性阻抗，其值为：

步骤d4：计算第m路的第二级传输线的特性阻抗，其值为：

步骤d5：计算第m路的接地电阻值，其值为：

步骤e：根据计算出的传输线阻抗值和所用板材特性综合出实际传输线线宽线长。

本发明提供的多路任意功分比Gysel型功分器的顶层电路板和底层电路版可直接印制在高频PCB印制板上。本发明的传输线线长及线宽等根据功分器的工作频率和PCB板材的不同而不同。

本发明实施例为六路不等分Gysel型功分器，所用的工作频点为3.45GHz，输入端口Port 0和输出端口Port n的负载阻抗均为50Ω，n＝1,2,…,6，分口n的负载阻抗均为35Ω，Port 1、Port 2、Port 3、Port 4、Port 5、Port 6的功率分配比为1：1.2:1.2:1.5:1.5:2，高频PCB板材是Rogers 5880，介电常数2.2，厚度0.787mm。设计具体执行步骤为：

步骤a1：确定功分器的工作频率f＝3.45GHz功率分配路数N＝6以及各输出端口的功率分配关系。

步骤a2：确定输入端口Port 0所接负载的电阻值R_x0＝50Ω，分口n所接负载的电阻值Rxn＝35Ω，确定输出端口Port n所接负载阻值Rzn＝50Ω；

步骤b1：确定第一路的第三级传输线的特性阻抗值Z₁＝50Ω。

步骤b2：确定第m路的第三级传输线的特性阻抗值与第一路第三级传输线的特性阻抗值Z1的比值p_m＝1，m＝2，3，...，6，进而确定第m路第三级传输线的特性阻抗值Z₂＝Z₃＝Z₄＝Z₅＝Z₆；

步骤c：确定第一路的接地电阻值R₁＝50Ω。

步骤d1：计算每一路第一级传输线的特性阻抗Z_0n，其值为：

步骤d2：计算第一路的第二级传输线的特性阻抗Z_1C，其值为：

步骤d3：计算第n路的四分之一波长变换线的特性阻抗，其值为：

步骤d4：计算第m路的第二级传输线的特性阻抗，其值为：

步骤d5：计算第m路的接地电阻值，其值为：

步骤e：根据计算出的传输线阻抗值和所用板材特性综合出实际传输线线宽线长。

如图5所示，端口Port n的反射系数为S00～S66，仿真结果用S-Snn表示，测试结果用M-Snn表示，从图中可以看出，在3.3-3.7GHz范围内，一个输入端口、六个输出端口的反射系数均小于-18dB，有良好的端口匹配性。

如图6所示，端口的传输系数为S0n，n＝1,2，…，6，仿真结果用S-S0n表示，测试结果用M-S0n表示，从图中可以看出，在3.3-3.7GHz范围内，6个输出端口的功率分配比为1:1.2:1.18:1.4:1.44:1.9，近似设计要求1:1.2:1.2:1.5:1.5:2，有良好的功率分配特性。

如图7所示，输出端口Port n的隔离系数为Sab，a＝1,2，…，6，b＝1,2，…，6，a≠b，仿真结果用S-Sab表示，测试结果用M-Sab表示，从图中可以看出，在3.3-3.7GHz范围内，六个输出端口之间的隔离系数均小于-20dB，有良好的端口隔离性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法，其特征在于，功分器包括负载阻值为R_x0的输入端口(Port 0)，负载阻值为R_xn的分口(n)，负载阻值为R_zn的输出端口(Port n)，n＝1,2，…，N；该功分器共有N路，每一路均有三级传输线，分别是特性阻抗为Z_0n的第一级传输线、特性阻抗为Z_nC的第二级传输线、特性阻抗为Z_n的第三级传输线，其中，每一路的每一级传输线长度均为工作频率下波长的四分之一，每一路连接一个阻值为R_n的接地电阻；所述设计方法包括以下步骤：

步骤1，确定功分器的工作频率f、功率分配路数N以及每路输出端口的功率分配关系，确定输入端口(Port 0)所接负载的电阻值R_x0、分口(n)所接负载的电阻值R_xn，确定输出端口(Port n)所接负载阻值R_zn；

步骤2，确定第一路的第三级传输线的特性阻抗值Z₁，以及第m路的第三级传输线的特性阻抗值与第一路第三级传输线的特性阻抗值Z₁的比值p_m，进而得到第m路第三级传输线的特性阻抗值，m＝2，3，...，N；

步骤3，确定第一路的接地电阻值R₁；

步骤4，根据功分器的分配路数N以及每路的功率分配关系，输入端口(Port 0)、分口(n)所接负载的电阻值R_xn，输出端口(Port n)所接负载阻值R_zn，每一路的第三级传输线的特性阻抗值Z_n，第m路的第三级传输线的特性阻抗值与第一路第三级传输线的特性阻抗值Z₁的比值p_m，以及第一路的接地电阻值R₁，计算每一路的各级传输线的特性阻抗、四分之一波长阻抗变换器的特性阻抗和第m路的接地电阻值。

2.根据权利要求1所述的多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法，其特征在于，所述步骤1中各输出端口的功率分配比为：

其中P₁,P₂,P₃,…,P_n为输出端口(Port n)功率大小。

3.根据权利要求1所述的多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法，其特征在于，步骤4具体为：

步骤41：计算每一路第一级传输线的特性阻抗Z_0n，第一路的第二级传输线的特性阻抗Z_1C，四分之一波长阻抗变换器的特性阻抗Z_xn，其值分别为：

步骤42：计算第m路的第二级传输线的特性阻抗和接地电阻值，其值分别为：

4.根据权利要求1所述的多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法，其特征在于，所述多路任意功分比Gysel型功分器包括顶层电路板、中间层金属层、底层电路板、金属针、金属化过孔和介质柱；

顶层电路板包括第一介质基板和第一接地金属，底层电路板包括第二介质基板和第二接地金属，顶层电路板的上层微带结构附着在第一介质基板的上表面，第一接地金属附着在第一介质基板下表面；底层电路板的下层微带结构附着在第二介质基板下表面，第二接地金属附着在第二介质基板上表面；上层微带结构和下层微带结构通过金属针相连，介质柱置于中间金属层中用以隔开金属针和中间金属层；第一接地金属和第二接地金属在金属针四周挖孔，将接地金属和金属针隔开；

微带结构包括负载阻值为R_x0的输入端口(Port 0)、负载阻值为R_xn的分口(n)、负载阻值为R_zn的输出端口(Port n)，n＝1,2，…，N；分口(n)处接一段四分之一波长阻抗变换器(n_1)和一段特性阻抗为R_zn的传输线，再接输出端口(Port n)；

该功分器共有N路，每一路都有三级传输线，分别是特性阻抗为Z_0n的第一级传输线(n_2)，特性阻抗为Z_nC的第二级传输线(n_3)，特性阻抗为Z_n的第三级传输线(n_4)，其中，每一路的每一级传输线长度均为工作频率下波长的四分之一，且每一路连接一个阻值为R_n的接地电阻。

5.根据权利要求4所述的多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法，其特征在于，所述输入端口(Port 0)在顶层电路板的上层微带结构中心，N根四分之一波长的第一级传输线(n_2)由结构中心向四周呈放射状排布；第一级传输线的另一端连接分口(n)，分口(n)接一段四分之一波长的阻抗变换线(n_1)将阻抗变换到50Ω，再接一段R_zn＝50Ω的传输线分别与输出端口Port 1、Port 2…Port N连接，这N个输出端口依次均匀分布于第一介质基板的边缘。

6.根据权利要求5所述的多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法，其特征在于，每路第二级传输线的一半，即八分之一波长的第二级传输线(n_3_1)，与第一级传输线(n_2)垂直并且连接，第二级传输线的另一端通过金属针，与剩下的八分之一波长的第二级传输线(n_3_2)相连，该剩下的八分之一波长的第二级传输线(n_3_2)位于底层电路版的下层微带结构；第三级传输线(n_4)长度为四分之一波长，位于底层电路板的下级微带结构，与八分之一波长的第二级传输线(n_3_2)垂直，并且N路的第三级传输线(n_4)汇聚到底层电路版的下层微带结构的中心。

7.根据权利要求6所述的多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法，其特征在于，下层微带结构每路均有一段50Ω传输线与八分之一波长第二级传输线(n_3_2)连接，再连接接地电阻R_n，最后与第二接地金属相连。

8.根据权利要求7所述的多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法，其特征在于，第二接地金属通过金属化过孔与中间金属层相连。

9.根据权利要求7所述的多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法，其特征在于，50Ω传输线与八分之一波长第二级传输线(n_3_2)垂直连接，50Ω传输线放置方向与第三级传输线(n_4)相反。