CN111600108B

CN111600108B - 一种多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法

Info

Publication number: CN111600108B
Application number: CN202010531895.7A
Authority: CN
Inventors: 陈海东; 李虹萍; 车文荃; 薛泉
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2020-06-11
Publication date: 2022-04-22
Anticipated expiration: 2040-06-11
Also published as: CN111600108A

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，包括以下步骤：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，确定输入端口所接负载的电阻R_x0、分口所接负载的电阻R_xn；2、确定第m路与第n路之间的隔离网络中的第m_n级传输线的特征阻抗值Z_mn，以及第n_m级传输线的特征阻抗值Z_nm,3、确定第m路与第n路之间的隔离网络中两个接地电阻R_mn和R_nm的电阻值；4、计算每一路的其他各级传输线的特性阻抗。本发明的多路任意功分比Gysel型功率分配器能够实现任意输出路数、任意功率分配比、任意端口负载的功率分配与合成，克服传统的Gysel功分器只有等功率分配比、等端口负载的缺陷。

Description

一种多路任意功分比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

功分器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，或将多路信号能量合成一路输出，此时称为合路器。功分器被广泛应用于天线馈电系统、相控阵列雷达系统等。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，Gysel型功分器的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，大多通过一分二功分器级联形成多路，体积较大，电路结构复杂。国内外关于可以实现任意功率分配比的多路Gysel功分器的研究还比较少，已公开的专利CN109167141A提出了一种多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法，该方法设计的多路任意功分比Gysel型功分器具有公共的节点，使得所设计的电路必须要使用两层电路实现，本发明提出的多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法，当输出路数小于四时电路可在一个平面上实现，且每两个输出端口之间均有一个隔离网络，提高了功分器的功率容量。

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。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种多路任意功分比Gysel型功分器的设计方法，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(按需确定)、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R_x0、分口(Port n)所接负载的电阻R_xn，其中R_x0和R_xn为自由变量，可取任意正实数，此处实现了任意终端负载，可按照实际需要选取终端负载阻值；

步骤2、确定第m路与第n路之间的隔离网络中的第m_n级传输线的特征阻抗值Z_mn，以及第n_m级传输线的特征阻抗值Z_nm,m＝1，2，3，4，…，N，n＝1，2，3，4，…，N，m<n，其中Z_mn和Z_nm为自由变量，可取任意正实数，一般考虑选取适当的值以满足带宽需求；

步骤3、确定第m路与第n路之间的隔离网络中两个接地电阻R_mn和R_nm的电阻值，其中R_mn和R_nm为自由变量，可取任意正实数，通常采用常用阻值；

步骤4、根据功分器的分配路数N以及每路的功率分配比关系，输入端口(Port 0)所接负载R_x0、输出端口(Port n)所接负载值R_xn，每一路的与其他端口相连的隔离网络中的Z_mn和Z_nm，以及每一路与其他端口相连的隔离网络中的接地电阻R_mn和R_nm，确定每一路的其他各级传输线的特性阻抗；

步骤5、将步骤1～步骤4确定的输入端口(Port 0)、分口(Port n)、隔离网络中的各级传输线以及接地电阻连接起来，形成Gysel型功分器。

进一步地，所述步骤1中各端口的功率分配比为：

k² ₁:k² ₂:k² ₃…＝P₁:P₂:…:P_n

其中，P₁，P₂，P₃，…，P_n为输出端口(Port n)功率大小。其中，用k² ₁:k² ₂:k² ₃表示功率分配比。

进一步地，步骤2的特征阻抗值取30Ω-40Ω能够实现较宽带宽。

进一步地，步骤3的两个接地电阻R_mn和R_nm的电阻值通常采用常用阻值50Ω、60Ω或者100Ω等。

进一步地，步骤4具体为：每一路第一级传输线的特性阻抗Z_0n，第m路与第n路的隔离网络中的第m_n_m级传输线的特性阻抗Z_mnm，以及第m_n_n级传输线的特性阻抗Z_mnn，其值为：

m＝(1,2,3...,N)

n＝(1,2,3...,N)

m<n。

进一步地，步骤5所述的功分器包括输入端口(Port 0)、分口(Port n)、隔离网络中的各级传输线以及接地电阻，功分器共有N路，其中N≥2，每一路均有一根特性阻抗为Z_0n的第一级传输线和负载阻值为R_xn的输出端口(Port n)，n＝(1，2，…，N)，以及N-1个与其他各端口相连接的隔离网络；第m路与第n路之间的隔离网络由特性阻抗为Z_mnm和Z_mnn的第m_n_m级传输线和第m_n_n级传输线，以及特性阻抗为Z_mn和Z_nm的第m_n级传输线和第n_m级传输线组成，其中，每一路的每一级传输线长度均为工作频率谐波长的四分之一，每一路的隔离网络连接一个阻值为R_mn和R_nm的接地电阻。

与现有技术相比，本发明的优点为：

(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。

附图说明

图1是本实施例基于原始Gysel功分器的拓扑图；

图2是本实施例第m路与第n路端口之间隔离网络的拓补图；

图3是本发明实施例1的实际加工电路图；

图4是本发明实施1三路不等分Gysel型功分器的端口反射系数幅值的仿真及测试结果图；

图5是本发明实施例1三路不等分Gysel型功分器的端口传输系数幅值的仿真及测试结果图；

图6是本发明实施例1三路不等分Gysel型功分器的端口隔离系数幅值的仿真及测试结果图；

图7是本发明实施例2的实际加工电路上层电路平面图；

图8是本发明实施例2的实际加工电路下层电路平面图；

图9是本发明实施例2四路不等分Gysel型功分器的端口反射系数幅值的仿真及测试结果图；

图10是本发明实施例2四路不等分Gysel型功分器的端口传输系数幅值的仿真及测试结果图；

图11是本发明实施例2四路不等分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

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图3所示，本实例1为三路不等分Gysel型功分器，包括负载阻值为R_x0的端口Port0、三个负载阻值为R_xn的端口Port n，n＝1、2、3、三根第一级传输线d、六根第一分支传输线(第1_2_1级、第1_2_2级、第1_3_1级、第1_3_3级、第2_3_2级和第2_3_3级传输线)、六根第二分支传输线(第1_2级、第2_1级、第1_3级、第3_1级、第2_3级和第3_2级传输线)、六根连接电阻传输线1、三根连接端口传输线2、六个接地电阻a和六个第一接地板b；所述三根第一级传输线d一端同时连接于位于中心的端口Port 0，另一端分别通过三根50欧姆连接端口传输线2与三个端口Port n连接；同时每两根第一分支传输线与每根第一级传输线d的一端连接，每根第一分支传输线的另一端与每根第二分支传输线的一端连接，每根第二分支传输线的另一端与相邻的第二分支传输线连接；同时每根第一分支传输线通过连接电阻传输线1与接地电阻a的一端连接，接地电阻a另一端与第一接地板b连接。

所用工作频点为f＝3.5GHz、输入端口Port 0和输出端口Port n的负载阻抗均为50Ω，n＝1，2，3。Port1、Port2、Port3的功率分配比为k² ₁:k² ₂:k² ₃＝1:2:3，高频PCB板材是Rogers 5880，介电常数2.2.厚度0.787mm。设计方法包括以下步骤：

步骤a1、确定功分器的工作频率f＝3.5GHz功率分配路数N＝3以及各端口的功率分配关系。

k² ₁:k² ₂:k² ₃＝1:2:3；

步骤a2、确定输入端口Port0所接负载的电阻值R_x0＝50Ω。输出端口Port n所接负载的电阻值R_xn＝50Ω，n＝1，2，3；

步骤b、确定第一路与第二路之间的隔离网络中的第1_2级传输线的特性阻抗值Z₁₂＝35Ω，和第2_1级传输线的特性阻抗值Z₂₁＝35Ω；确定第一路与第三路之间的隔离网络中的第1_3级传输线的特性阻抗值Z₁₃＝35Ω，和第3_1级传输线的特性阻抗值Z₃₁＝35Ω；确定第二路与第三路之间的隔离网络中的第2_3级传输线的特性阻抗值Z₂₃＝35Ω，和第3_2级传输线的特性阻抗值Z₃₂＝35Ω；

步骤c、确定第一路与第二路之间的隔离网络中接地电阻a的阻值R₁₂＝50Ω，R₂₁＝50Ω；确定第一路与第三路之间的隔离网络中接地电阻a的阻值R₁₃＝50Ω,R₃₁＝50Ω；确定第二路与第三路之间的隔离网络中接地电阻a的阻值R₂₃＝50Ω,R₃₂＝50Ω；

步骤d1、计算第一路至第三路的第一级传输线d的特征阻抗Z_0n：

步骤d2、计算第一路与第二路之间隔离网络中的第1_2_1级传输线的特性阻抗Z₁₂₁和第1_2_2级传输线的特性阻抗Z₁₂₂：

计算第一路与第三路之间隔离网络中的第1_3_1级传输线的特性阻抗Z₁₃₁和第1_3_3级传输线的特性阻抗：

计算第二路与第三路之间隔离网络中的第2_3_2级传输线的特性阻抗Z₂₃₂和第2_3_3级传输线的特性阻抗Z₂₃₃：

步骤e、根据计算出的传输线阻抗值和所用的板材特性综合出实际传输线线宽线长，具体为，结合前面所述的所用板材的介电常数和厚度等特性，以及计算出的传输线阻抗值，使用ADS(Advanced Design System)软件中的LineCale工具可计算出中心频率时各传输线对应的微带线长和宽；

步骤f、将以上步骤确定的输入端口(Port 0)、分口(Port n)、隔离网络中的各级传输线以及接地电阻a连接起来，形成Gysel型功分器。三路不等分Gysel型功分器的电路的物理结构，其电路结构如图3所示。

如图4所示，端口Port n的反射系数为S(0,0)～S(3，3)，仿真结果用S-S(n,n)表示,测试结果M-S(n,n)表示，从图中可以看出，在3.3-3.7GHz范围内,一个输入端口、三个输出端口的反射系数均小于-20dB,有良好的端口匹配性。

如图5所示,端口的传输系数为S(0,n)，n＝1，2，3，仿真结果用S-S(0,n)表示,测试结果用M-S(0,n)表示,从图中可以看出,在3.3-3.7GHz范围内,三个输出端口的功率分配比大致为1：1.94：3，近似于1：2：3，有良好的功率分配特性。

如图6所示,输出端口Port n的隔离系数为S(m,n)，m＝1，2，3；n＝1，2，3，且m<n)，仿真结果用S-S(m,n)表示，测试结果用M-S(m,n)表示，从图中可以看出,在Port n，在3.3-3.7GHz范围内,三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。

实施例2

如图7所示，本发明实例2为四路不等分Gysel型功分器，包括负载阻值为R_x0的端口Port0，四个负载阻值为R_xn的端口Port n(n＝1，2，3，4)、四根第一级传输线d以及四个隔离网络。所述每个隔离网络主要由两根特性阻抗分别为Z_mnm(第m_n_m级传输线)和Z_mnn(第m_n_n级传输线)的第一分支传输线、两根特性阻抗分别为Z_mn(第m_n级传输线)和Z_nm(第n_m级传输线)的第二分支传输线，以及两个阻值分别为R_mn和R_nm的接地电阻a组成，其中,m＝(1,2，3，4)，n＝(1,2,3,4)，且m<n，所述第一级传输线d、每个隔离网络的第二分支传输线和第三分支传输线均为工作频率下波长的四分之一。图1Gysel功分器的拓扑图；图2是本实施例第m路与第n路端口之间隔离网络的拓补图。

端口Port 0位于中心，四根第一级传输线d与端口Port 0连接，由结构中心向四周呈放射状排布；每根第一级传输线d的另一端通过连接端口传输线与端口Port n连接，n＝(1,2,3,4)，每根第一级传输线d的另一端同时还连接着相邻端口间隔离网络中的第一分支传输线，第一分支传输线的另一端和第二分支传输线相连接，同时通过连接电阻传输线与接地电阻a相连，接地电阻a另一端接到第一接地板接b地，第二分支传输线的另一端两两相邻端口的连接在一起。介质板上设有第二接地板c，第二接地板c上有金属化过孔；第二分支传输线的另一端与相邻端口的第二分支传输线的另一端连接在一起。

所用工作频点为f＝3.5GHz、输入端口Port0和输出端口Portn的负载阻抗均为50Ω，n＝1，2，3，4，Port1、Port2、Port3、Port4的功率分配比为k² ₁:k² ₂:k² ₃:k² ₄＝2:3:4:5，高频PCB板材是Rogers 5880，介电常数2.2.厚度0.787mm。设计方法包括以下步骤

步骤a1、确定功分器的工作频率f＝3.5GHz功率分配路数N＝4以及各端口的功率分配关系。

k² ₁:k² ₂:k² ₃:k² ₄＝2:3:4:5；

步骤a2、确定输入端口(Port0)所接负载的电阻值R_x0＝50Ω。输出端口(Port n)所接负载的电阻值R_xn＝50Ω，n＝1，2，3，4；

步骤b、确定第一路与第二路之间的隔离网络中的第1_2级传输线的特性阻抗值Z12＝35Ω，和第2_1级传输线的特性阻抗值Z21＝35Ω；确定第一路与第三路之间的隔离网络中的第1_3级传输线的特性阻抗值Z13＝35Ω，和第3_1级传输线的特性阻抗值Z31＝35Ω；确定第一路与第四路之间的隔离网络中的第1_4级传输线的特性阻抗值Z14＝35Ω，和第4_1级传输线的特性阻抗值Z41＝35Ω；确定第二路与第三路之间的隔离网络中的第2_3级传输线的特性阻抗值Z23＝35Ω，和第3_2级传输线的特性阻抗值Z32＝35Ω；确定第二路与第四路之间的隔离网络中的第2_4级传输线的特性阻抗值Z24＝35Ω，和第4_2级传输线的特性阻抗值Z42＝35Ω；确定第三路与第四路之间的隔离网络中的第3_4级传输线的特性阻抗值Z34＝35Ω，和第4_3级传输线的特性阻抗值Z43＝35Ω；

步骤c、确定第一路与第二路之间的隔离网络中接地电阻a的阻值R12＝50Ω，R21＝50Ω；确定第一路与第三路之间的隔离网络中接地电阻a的阻值R13＝50Ω，R31＝50Ω；确定第一路与第四路之间的隔离网络中接地电阻a的阻值R14＝50Ω，R41＝50Ω；确定第二路与第三路之间的隔离网络中接地电阻a的阻值R23＝50Ω，R32＝50Ω；确定第二路与第四路之间的隔离网络中接地电阻a的阻值R24＝50Ω，R42＝50Ω；确定第三路与第四路之间的隔离网络中接地电阻a的阻值R34＝50Ω，R43＝50Ω；

步骤d1、计算第一路至第四路的第一级传输线d的特征阻抗Z0n：

步骤d2、计算第一路与第二路之间隔离网络中的第1_2_1级传输线的特性阻抗Z121和第1_2_2级传输线的特性阻抗Z122：

计算第一路与第三路之间隔离网络中的第1_3_1级传输线的特性阻抗Z131和第1_3_3级传输线的特性阻抗Z133：

计算第一路与第四路之间隔离网络中的第1_4_1级传输线的特性阻抗Z141和第1_4_4级传输线的特性阻抗Z144：

计算第二路与第三路之间隔离网络中的第2_3_2级传输线的特性阻抗Z232和第2_3_3级传输线的特性阻抗Z233：

计算第二路与第四路之间隔离网络中的第2_4_2级传输线的特性阻抗Z242和第2_4_4级传输线的特性阻抗Z244：

计算第三路与第四路之间隔离网络中的第3_4_3级传输线的特性阻抗Z343和第3_4_4级传输线的特性阻抗Z344：

步骤e、根据计算出的传输线阻抗值和所用的板材特性综合出实际传输线线宽线长，具体为，结合前面所述的所用板材的介电常数和厚度等特性，以及计算出的传输线阻抗值，使用ADS软件中的LineCale工具可计算出中心频率时各传输线对应的微带线长和宽

步骤f、将以上步骤确定的输入端口(Port 0)、分口(Port n)、隔离网络中的各级传输线以及接地电阻a连接起来，形成Gysel型功分器。四路不等分Gysel型功分器的电路的物理结构，采用两层电路结构，其具体电路结构如图7、图8所示。

如图9所示，Port n的反射系数为S(0,0)～S(4，4)，仿真结果用S-S(n,n)表示,测试结果用M-S(n,n)表示，从图中可以看出，在3.3-3.7GHz范围内,一个输入端口、四个输出端口的反射系数均小于-16dB,有良好的端口匹配性。

如图10所示,端口的传输系数为S(0,n)，n＝1，2，3，仿真结果用S-S(0,n)表示,测试结果用M-S(0,n)表示,从图中可以看出,在3.3-3.7GHz范围内,三个输出端口的功率分配比大致为2：2.92：4.1：4.9，近似于2：3：4：5，有良好的功率分配特性。

如图11所示,输出端口Port n的隔离系数为S(m,n)，m＝1，2，3；n＝1，2，3，且m<n)，仿真结果用S-S(m,n)表示，测试结果用M-S(m,n)表示，从图中可以看出,在Port n，在2-5GHz范围内，三个输出端口之间的隔离系数均小于-15dB,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

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，所述方法包括以下步骤：

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，确定总口Port0所接负载的电阻R_x0、分口Portn所接负载的电阻R_xn，其中R_x0和R_xn为自由变量，取任意正实数；

步骤2、确定第m路与第n路之间的隔离网络中的第m_n级传输线的特性阻抗值Z_mn，以及第n_m级传输线的特性阻抗值Z_nm,m＝1，2，3，4，…，N，n＝1，2，3，4，…，N，m<n，其中Z_mn和Z_nm为自由变量，取任意正实数；

所述第m路分口Portm与第n路分口Portn之间的隔离网络P_mn包括第m_n_m级传输线Z_mnm和第m_n_n级传输线Z_mnn，两个阻值分别为R_mn和R_nm的接地电阻、以及第m_n级传输线Z_mn和第n_m级传输线Z_nm；第m_n_m级传输线Z_mnm一端通过连接端口传输线与分口Portm相连，另一端与第m_n级传输线Z_mn一端相连，第m_n_m级传输线Z_mnm同时通过连接电阻传输线连接接地电阻R_mn；第m_n级传输线Z_mn另一端与第n_m级传输线Z_nm一端相连，第n_m级传输线Z_nm另一端与第m_n_n级传输线Z_mnn一端相连，同时通过连接电阻传输线连接接地电阻R_nm；第m_n_n级传输线Z_mnn另一端通过连接端口传输线与分口Portn连接，其中，每一级传输线长度均为工作频率谐波长的四分之一；

步骤3、确定第m路与第n路之间的隔离网络P_mn中两个接地电阻R_mn和R_nm的电阻值，其中R_mn和R_nm为自由变量，取任意正实数；

步骤4、根据功分器的分配路数N以及每路的功率分配比关系，总口Port 0所接负载R_x0、分口Port n所接负载值R_xn，第m路与第n路之间的隔离网络P_mn中的Z_mn和Z_nm，以及接地电阻R_mn和R_nm，计算每一路第一级传输线的特性阻抗Z_0n，第m路与第n路的隔离网络P_mn中的第m_n_m级传输线Z_mnm的特性阻抗Z_mnm，以及第m_n_n级传输线Z_mnn的特性阻抗Z_mnn；

所述第一级传输线为与总口Port 0所连接的传输线。

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，各端口的功率分配比为：

k² ₁:k² ₂:…:k² _n＝P₁:P₂:…:P_n

其中，P₁，P₂，P₃，…，P_n为分口Port n功率大小，其中，用k² ₁:k² ₂:k² ₃:…:k² _n表示功率分配比。

3.根据权利要求2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2的特性阻抗值取30Ω-40Ω能够实现较宽带宽。

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，步骤3的两个接地电阻R_mn和R_nm的电阻值采用常用阻值50Ω、60Ω或者100Ω。

5.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：

功分器每一路的第一级传输线的特性阻抗Z_0n，第m路与第n路之间的隔离网络P_mn中的第m_n_m级传输线的特性阻抗Z_mnm、以及第m_n_n级传输线的特性阻抗Z_mnn，其值为：

m＝(1,2,3...,N)

n＝(1,2,3...,N)

m<n。