CN114335958B - 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
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,按照公式和计算 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,按照公式和计算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,按照公式和计算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,按照公式和计算 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 (3)
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,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,其特征在于,包括: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;偶模工作模式,任意两个二级1/2功分器的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;奇模工作模式,同一个二级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,按照公式和计算R1和R2;奇模工作模式,不同的二级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,按照公式和计算R3。
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,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。
3.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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