CN114335958A - 一种1/4功分器的低功耗改造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种1/4功分器的低功耗改造方法，通盘考虑整个1/4功分器中的阻抗变换，将级联电路等效成三个隔离电阻和五个阻抗的级联，减少了1个隔离电阻的成本，同时提高了功分器的可靠性，分别在偶模工作模式和奇模工作模式，计算1/4波长对应的传输线阻抗值和电阻值，缩短Z1和Z2的长度，如果不考虑50欧姆传输线的长度，体积缩小1/4，降低1/4波长传输线的损耗，在1GHz至2GHz的L波段，功分器的损耗为0.2dB，相比于传统倍频程1/4功分器降低损耗0.2dB，对于大型网络，比如1/64网络，用三个1/4功分器进行级联，可损耗将降低0.6dB。

Description

一种1/4功分器的低功耗改造方法
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种电路改造技术。
背景技术
随着微波技术在雷达探测、导航控制、电子战、卫星通讯等领域的应用越来越广泛，系统对信号源的输出功率要求越来越高。只有获得足够高的输出功率，才能保证足够好的通讯质量、足够远的传输距离和足够强的抗干扰能力。如果信号源的功率无法增加，天线增益无法提高，就只能在传输链路上想办法了。
功分器作为传输链路中的重要组成部分，降低其损耗成为设计中考虑的重要目标之一，传统的降低损耗方式主要是降低传输线的损耗。一种是减小传输线的介质介电常数，通过降低介质损耗来降低功分器损耗。比如同轴或空气板线功分器损耗小于悬浮带状线功分器，悬浮带状线功分器损耗小于低介电常数的介质板功分器，低介电常数的介质板功分器损耗小于高介电常数的介质板功分器。另一种是降低导体损耗，增加体积或表面积。比如同一介电常数的电缆组件，内导体粗的比细的单位长度损耗小，带状线功分器越宽越厚的内导体损耗越小。
上述方法在实际应用中，往往受到一定的限制。比如综合层功分器无法使用空气板线或悬浮线，毫米波高频段的功分器无法增加内导体体积或表面积。
威尔金森1/2功分器的结构如图1所示，用三个级联实现1/4功分器，如图2所示。其中Z0、Z1、Z2是传输线的特性阻抗，Z0长度根据功分器的结构要求和功分器的布局确定， Z1和Z2的长度一般对应中心频率所对应波长的1/4，在传统降低功分器损耗的方法都不可行的情况下，需要寻找新的方法来降低功分器的损耗，以满足功分器更高的损耗指标要求。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的倍频程1/4功分器损耗难以降低的问题，提出了一种1/4 功分器的低功耗改造方法，在介质材料、功分器实现方式、使用频带宽度确定的情况下，通过缩短传输路径的方式降低功分器的损耗，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
三个1/2功分器级联组成一个1/4功分器，一级1/2功分器的两个输出端分别连接一个二级1/2功分器的输入端，通盘考虑整个1/4功分器中的阻抗变换，将级联电路等效成二级 1/2功分器的输出隔离电阻R1、二级1/2功分器的输入隔离电阻R2、一级1/2功分器的输出隔离电阻R3、输入和输出阻抗Z0、二级1/2功分器的传输阻抗Z1、二级1/2功分器的输入阻抗Z2、一级1/2功分器的输出阻抗Z3、一级1/2功分器的传输阻抗Z4的级联，分别在偶模工作模式和奇模工作模式，计算1/4波长对应的传输线阻抗值和电阻值，缩短Z1和Z2的长度，减少1/4波长对应的传输线，降低1/4波长传输线的损耗，改造级联电路。
进一步的，偶模工作模式，任意两个输出端之间的电压等幅同相，电阻R1、R2、R3等效开路，级联电路等效成四个Z0、两个Z4、两个Z3、Z2、Z1、Z0串联的电路，即四节阻抗变换比4:1的阻抗变换段，根据Z0的阻抗值计算Z1、Z2、Z3、Z4。
进一步的，奇模工作模式，同一个1/2功分器的两个输出端之间的电压等幅反相，电阻 R1、R2中点接地，级联电路等效成Z2和二分之一的R2并联后与Z1串联、再与二分之一的 R1并联、再与Z0串联的电路，按照公式
Figure RE-GDA0003538163750000021
和
Figure RE-GDA0003538163750000022
计算 R1和R2。
进一步的，奇模工作模式，不同的1/2功分器的任意两个输出端之间的电压等幅反相，其中一个端口到一级1/2功分器的传输阻抗等效成ZL，级联电路等效成两个Z4与二分之一的R3并联后与两个Z3、ZL、Z0串联的电路，按照公式
Figure RE-GDA0003538163750000023
和
Figure RE-GDA0003538163750000024
计算R3。
特别的，取输入、输出阻抗Z0＝50Ω，查表得到归一化阻抗值Z1＝1.125、Z2＝1.58394、 Z3＝1.2626、Z4＝1.7778，隔离电阻值R1＝250Ω、R2＝100Ω、R3＝159Ω。
进一步的，各阻抗和隔离电阻根据使用需要的调整幅度在±10％之间。
本发明的有益效果：功分器的传输线长度减少了1/4波长，隔离电阻只有3个，减少了1 个隔离电阻的成本，同时提高了功分器的可靠性，如果不考虑50欧姆传输线的长度，损耗降低1/4，体积缩小1/4，图8所示在1GHz至2GHz的L波段，功分器的损耗为0.2dB，相比于传统倍频程1/4功分器降低损耗0.2dB，对于大型网络，比如1/64网络，用三个1/4功分器进行级联，可损耗将降低0.6dB。
附图说明
图1是1/2功分器的结构原理图，图2是1/4功分器的结构原理图，图3是偶模等效电路，图4是同功分器两端口的奇模等效电路，图5是非同功分器两端口的奇模等效电路，图 6是幅度仿真曲线图，图7是驻波和隔离度仿真曲线图，图8是改造前后的损耗仿真曲线图。
附图标记：R1-二级1/2功分器的输出隔离电阻、R2-二级1/2功分器的输入隔离电阻、 R3-一级1/2功分器的输出隔离电阻、Z0-输入和输出阻抗、Z1-二级1/2功分器的传输阻抗、 Z2-二级1/2功分器的输入阻抗、Z3-一级1/2功分器的输出阻抗、Z4-一级1/2功分器的传输阻抗，P0-输入端、P1、P2、P3、P4-输出端，1-幅度在1GHz的数值、2-幅度在2GHz的数值，3-输出端P1到P2或者P3到P4之间的隔离度曲线，4-任意输出端之间的驻波反射曲线，5- 输出端P0的驻波反射曲线，6-改造后的功分器损耗曲线，7-改造前的功分器损耗曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做具体的说明。
将级联电路等效成二级1/2功分器的输出隔离电阻R1、二级1/2功分器的输入隔离电阻 R2、一级1/2功分器的输出隔离电阻R3、输入和输出阻抗Z0、二级1/2功分器的传输阻抗 Z1、二级1/2功分器的输入阻抗Z2、一级1/2功分器的输出阻抗Z3、一级1/2功分器的传输阻抗Z4的级联，如图2所示。
偶模工作模式，任意两个输出端之间的电压等幅同相，电阻R1、R2、R3等效开路，级联电路等效成四个Z0、两个Z4、两个Z3、Z2、Z1、Z0串联的电路，如图3所示，即四节阻抗变换比4:1的阻抗变换段，根据Z0的阻抗值计算Z1、Z2、Z3、Z4。
奇模工作模式，同一个1/2功分器的两个输出端之间的电压等幅反相，电阻R1、R2中点接地，级联电路等效成Z2和二分之一的R2并联后与Z1串联、再与二分之一的R1并联、再与Z0串联的电路，如图4所示，按照公式
Figure RE-GDA0003538163750000031
和
Figure RE-GDA0003538163750000032
计算R1和R2。
奇模工作模式，不同的1/2功分器的任意两个输出端之间的电压等幅反相，其中一个端口到一级1/2功分器的传输阻抗等效成ZL，级联电路等效成两个Z4与二分之一的R3并联后与两个Z3、ZL、Z0串联的电路，如图5所示，按照公式
Figure RE-GDA0003538163750000033
和
Figure RE-GDA0003538163750000034
计算 R3。
取输入、输出阻抗Z0＝50Ω，计算1/4波长对应的传输线阻抗值和电阻值，缩短Z1和Z2 的长度，减少1/4波长对应的传输线，降低1/4波长传输线的损耗，查表得到归一化阻抗值 Z1＝1.125、Z2＝1.58394、Z3＝1.2626、Z4＝1.7778，隔离电阻值R1＝250Ω、R2＝100Ω、R3＝159 Ω。
假设选择的板材介电常数为2.94，厚度为1mm，带状线腔高按2mm计算，则电路长度和线宽具体如下表所示。
序号 名称 归一化阻抗 对应线宽 1/4波长长度 备注
1 Z0 50 1.3mm 根据电路端口位置设定
2 Z1 1.125 1.05mm 29mm
3 Z2 1.58394 0.5mm 29mm
4 Z3 1.2626 0.83mm 29mm
5 Z4 1.7778 0.37mm 29mm
进行电路仿真优化和设计，使用频段为1GHz到2GHz，如图6所示，幅度在1GHz的数值1到幅度在2GHz的数值2，起伏0.1dB。
输出端P1到P2或者P3到P4之间的隔离度曲线3、任意输出端之间的驻波反射曲线4、输出端P0的驻波反射曲线5均在-20dB以下，如图7所示，满足倍频程1/4功分器的使用要求。
仿真结果如图8所示，在1GHz～2GHz的L波段改造后的功分器损耗曲线6比改造前的功分器损耗曲线7降低损耗0.2dB。
上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种1/4功分器的低功耗改造方法，三个1/2功分器级联组成一个1/4功分器，一级1/2功分器的两个输出端分别连接一个二级1/2功分器的输入端，其特征在于，包括：将级联电路等效成二级1/2功分器的输出隔离电阻R1、二级1/2功分器的输入隔离电阻R2、一级1/2功分器的输出隔离电阻R3、输入和输出阻抗Z0、二级1/2功分器的传输阻抗Z1、二级1/2功分器的输入阻抗Z2、一级1/2功分器的输出阻抗Z3、一级1/2功分器的传输阻抗Z4的级联，分别在偶模工作模式和奇模工作模式，计算1/4波长对应的传输线阻抗值和电阻值，缩短Z1和Z2的长度，降低1/4波长传输线的损耗。
2.根据权利要求1所述的1/4功分器的低功耗改造方法，其特征在于，所述偶模工作模式，包括：任意两个输出端之间的电压等幅同相，电阻R1、R2、R3等效开路，级联电路等效成四个Z0、两个Z4、两个Z3、Z2、Z1、Z0串联的电路，即四节阻抗变换比4:1的阻抗变换段，根据Z0的阻抗值计算Z1、Z2、Z3、Z4。
3.根据权利要求2所述的1/4功分器的低功耗改造方法，其特征在于，所述奇模工作模式，包括：同一个1/2功分器的两个输出端之间的电压等幅反相，电阻R1、R2中点接地，级联电路等效成Z2和二分之一的R2并联后与Z1串联、再与二分之一的R1并联、再与Z0串联的电路，按照公式
Figure FDA0003374095250000011
和
Figure FDA0003374095250000012
计算R1和R2。
4.根据权利要求3所述的1/4功分器的低功耗改造方法，其特征在于，所述奇模工作模式，包括：不同的1/2功分器的任意两个输出端之间的电压等幅反相，其中一个端口到一级1/2功分器的传输阻抗等效成ZL，级联电路等效成两个Z4与二分之一的R3并联后与两个Z3、ZL、Z0串联的电路，按照公式
Figure FDA0003374095250000013
和
Figure FDA0003374095250000014
计算R3。
5.根据权利要求4所述的1/4功分器的低功耗改造方法，其特征在于，还包括：取输入、输出阻抗Z0＝50Ω，查表得到归一化阻抗值Z1＝1.125、Z2＝1.58394、Z3＝1.2626、Z4＝1.7778，隔离电阻值R1＝250Ω、R2＝100Ω、R3＝159Ω。
6.根据权利要求1所述的1/4功分器的低功耗改造方法，其特征在于，所述各阻抗和隔离电阻根据使用需要的调整幅度在±10％之间。
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