CN114824716A - 三等分功率分配器及微波发射系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三等分功率分配器及微波发射系统，其中，三等分功率分配器包括：一个第一一分二功分器和两个第二一分二功分器；第一一分二功分器的分配比为1:1，第二一分二功分器的分配比为1:2，第一一分二功分器的输入端作为信号输入端，第一一分二功分器的两支路的末端分别通过特性阻抗微带线连接一个第二一分二功分器，两个第二一分二功分器的小功率支路汇合成第二信号输出端，两个第二一分二功分器的大功率支路的末端分别连接特性阻抗微带线作为第一信号输出端和第三信号输出端。本发提供的三等分功率分配器结构简单、性能较高。

Description

三等分功率分配器及微波发射系统

技术领域

本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种三等分功率分配器及微波发射系统。

背景技术

功率合成器是一种将多路输入信号能量合成一路信号能量输出的电路，反之将一路信号能量分成多路信号能量输出的电路称为功率分配器。功率分配器/合成器是微波系统中极为重要的组成部件，无论是在微波通信、遥测遥感、雷达还是电子战系统中，信号的功率分配/合成都是极为重要的。

在微波发射系统中，经常会遇到单只微波有源器件的输出功率无法满足需求，必须进行多路功率合成才能满足需求。在大功率平面功率合成时，要综合考虑整体的功率、效率和尺寸，奇数路合成尤其是三路功率合成有着广泛应用。

然而，目前的三等分微带功率合成器/分配器设计通常采用二进制的方法设计，这种方法设计的三等分功率分配器/合成器虽然结构简单易于实现，但是性能较差。

发明内容

本发明实施例提供了一种三等分功率分配器及微波发射系统，以解决目前三等分功率分配器/合成器性能较差的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种三等分功率分配器，包括：一个第一一分二功分器和两个第二一分二功分器；

第一一分二功分器的分配比为1:1，第二一分二功分器的分配比为1:2，第一一分二功分器的输入端作为信号输入端，第一一分二功分器的两支路的末端分别通过特性阻抗微带线连接一个第二一分二功分器，两个第二一分二功分器的小功率支路汇合成第二信号输出端，两个第二一分二功分器的大功率支路的末端分别连接特性阻抗微带线作为第一信号输出端和第三信号输出端。

在一种可能的实现方式中，三等分功率分配器为对称结构，且关于信号输入端和第二信号输出端的连线对称设置。

在一种可能的实现方式中，第一一分二功分器的两支路的末端分别与第一特性阻抗微带线和第二特性阻抗微带线连接；其中，第一特性阻抗微带线和第二特性阻抗微带线长度相同、且向远离信号输入端的一侧圆滑折弯。

可选的，两个第二一分二功分器的大功率支路的末端分别与第三特性阻抗微带线和第四特性阻抗微带线连接；其中，第三特性阻抗微带线和第四特性阻抗微带线的长度相同、且向远离信号输入端的一侧圆滑折弯。

可选的，两个第二一分二功分器的小功率支路的末端分别与第五特性阻抗微带线的一端和第六特性阻抗微带线的一端连接，第五特性阻抗微带线的另一端和第六特性阻抗微带线的另一端相连并汇合成第二信号输出端，且第五特性阻抗微带线和第六特性阻抗微带线的长度相同。

在一种可能的实现方式中，在第一一分二功分器以及两个第二一分二功分器分成的两个支路之间均设置有隔离电阻。

在一种可能的实现方式中，第一一分二功分器的两支路的特性阻抗均为70.7欧姆，两个第二一分二功分器的小功率支路的特性阻抗均为103欧姆，两个第二一分二功分器的大功率支路的特性阻抗均为51.5欧姆。

在一种可能的实现方式中，信号输入端、第一信号输出端、第二信号输出端和第三信号输出端的特性阻抗均为50欧姆，第一特性阻抗微带线、第二特性阻抗微带线、第三特性阻抗微带线、第四特性阻抗微带线、第五特性阻抗微带线和第六特性阻抗微带线均为50欧姆的特性阻抗微带线。

可选的，第一信号输出端、第二信号输出端和第三信号输出端的相位相同。

第二方面，本发明实施例提供了一种微波发射系统，包括第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述的三等分功率分配器。

本发明实施例提供一种三等分功率分配器及微波发射系统，通过采用一个分配比为1:1的第一一分二功分器，两个分配比为1:2的第二一分二功分器，从而形成结构紧凑、性能较高、尺寸小的三等分功率分配器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是目前常用的一种非对称结构的三等分微带功率分配器的示意图；

图2是目前常用的一种结构对称的无隔离的三等分微带功率分配器的示意图；

图3是本发明实施例提供的一种三等分功率分配器的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种三等分功率分配器的原理示意图；

图5是本发明实施例提供的一种三等分功率分配器的三维仿真版图；

图6是本发明实施例提供的另一种三等分功率分配器的插入损耗仿真结果示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。

目前，常用的三等分微带功率分配器/合成器通常有两种，一种是非对称结构的无隔离的三等分微带功率分配器，另一种是对称结构的无隔离的三等分微带功率分配器。

如图1所示的一种非对称结构的三等分微带功率分配器，采用二进制方法设计，结构不对称，由一个等分的一分二功分器和一个2:1的一分二功分器组成。这种功率分配器/合成器虽然结构简单、易于实现、但是由于结构不对称使得三路相位的一致性较差。

目前也有一种结构对称的无隔离的三等分微带功率分配器，如图2所示，虽然此种类型的功率分配器/合成器的3个电臂即电臂①、电臂②和电臂④具有很高的相位一致性。电臂④是由电臂②的镜像产生，从而可以确保结构尺寸完全一致，通过优化电臂③的尺寸和通过调整50Ω微带线的长度即可使3个输出端相位一致，最终实现实现1：1：1的功率三等分。但是，电臂③的弯折次数增多所带来的不连续效应，以及电臂②和④之间的距离所带来的耦合作用等因素，都会影响器件的性能。

为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种三等分功率分配器及微波发射系统。下面首先对本发明实施例所提供的三等分功率分配器进行介绍。

一种三等分功率分配器，包括：一个第一一分二功分器和两个第二一分二功分器。

其中，第一一分二功分器的分配比为1:1，第二一分二功分器的分配比为1:2。第一一分二功分器的输入端作为三等分功率分配器的信号输入端，第一一分二功分器的两支路的末端分别通过特性阻抗微带线连接一个第二一分二功分器。两个第二一分二功分器的小功率支路汇合成三等分功率分配器的第二信号输出端，两个第二一分二功分器的大功率支路的末端分别连接特性阻抗微带线作为三等分功率分配器的第一信号输出端和第三信号输出端。

图3示出了本发明实施例提供的一种三等分功率分配器的示意图，图4示出了本发明实施例提供的一种三等分功率分配器的原理示意图。请一并参见图3和图4，该三等分功率分配器包括一个第一一分二功分器11和两个第二一分二功分器21和22。

其中，第一一分二功分器11的功率分配比为1:1，第二一分二功分器21和22的功率分配比为1:2。第一一分二功分器11的输入端作为信号输入端31，第一一分二功分器11的两支路的末端分别通过特性阻抗微带线连接一个第二一分二功分器21和22，两个第二一分二功分器21和22的小功率支路汇合成第二信号输出端33，两个第二一分二功分器21和22的大功率支路的末端分别连接特性阻抗微带线作为第一信号输出端32和第三信号输出端34。

本发明提供的三等分功率分配器，通过采用一个分配比为1:1的第一一分二功分器，两个分配比为1:2的第二一分二功分器，从而形成结构紧凑、性能较高、尺寸小的三等分功率分配器。

图2中的三等分功率分配器虽然结构对称，三路相位的一致性较好，但是其电臂3需要多次拐弯，会造成不连续效应。为了避免电臂的多次弯折，本申请中的三等分功率分配器可以设置为对称的结构，即关于信号输入端31和第二信号输出端33的连线轴对称。从而无需电臂多次弯折，即可实现三等分功率分配器结构对称，相位一致性较好。

为了进一步调节三等分功率分配器的相位，在第一一分二功分器的两支路的末端分别连接第一特性阻抗微带线41和第二特性阻抗微带线42，且第一特性阻抗微带线41和第二特性阻抗微带线42的长度相同、且向远离信号输入端的一侧圆滑折弯。也可以将第一特性阻抗微带线41和第二特性阻抗微带线42向远离信号输入端的一侧设为45度的倒角。

进一步的，为了减少功率分配器在高频段时弯折不连续带来的负面影响，第一特性阻抗微带线41和第二特性阻抗微带线42的圆滑折弯处可以设置为圆弧形，且圆弧形的半径R≥2W，其中，W为50欧姆的特性阻抗微带线的线宽。

此外，与第一一分二功分器的支路的末端的第一特性阻抗微带线41接的第二一分二功分器21，与第一一分二功分器的另一支路的末端的第二特性阻抗微带线42接的第二一分二功分器22。两个第二一分二功分器21和22的大功率支路的末端分别与第三特性阻抗微带线43和第四特性阻抗微带线44连接。并且，第三特性阻抗微带线43和第四特性阻抗微带线44的长度相同、且向远离信号输入端的一侧圆滑折弯。相应的，为了减少功率分配器在高频段时弯折不连续带来的负面影响，第三特性阻抗微带线43和第四特性阻抗微带线44的圆滑折弯处可以设置为圆弧形，且圆弧形的半径R≥2W，其中，W为50欧姆的特性阻抗微带线的线宽。

另外，两个第二一分二功分器21和22的小功率支路的末端分别与第五特性阻抗微带线45的一端和第六特性阻抗微带线46的一端连接，第五特性阻抗微带线45的另一端和第六特性阻抗微带线46的另一端相连并汇合成第二信号输出端33，且第五特性阻抗微带线45和第六特性阻抗微带线46的长度相同。

具体的，第一一分二功分器11的两支路的特性阻抗均为70.7欧姆，两个第二一分二功分器21和22的小功率支路的特性阻抗均为103欧姆，两个第二一分二功分器21和22的大功率支路的特性阻抗均为51.5欧姆。信号输入端31、第一信号输出端32、第二信号输出端33和第三信号输出端34的特性阻抗均为50欧姆，第一特性阻抗微带线41、第二特性阻抗微带线42、第三特性阻抗微带线43、第四特性阻抗微带线44、第五特性阻抗微带线45和第六特性阻抗微带线46均为50欧姆的特性阻抗微带线。

通过调节第一特性阻抗微带线41、第二特性阻抗微带线42、第三特性阻抗微带线43、第四特性阻抗微带线44、第五特性阻抗微带线45和第六特性阻抗微带线46的长度，可以使三等分功率分配器的输出端的相位一致，从而最终实现1：1：1的功率三等分。

为了提高三等分的隔离性，可以分别在第一一分二功分器11以及两个第二一分二功分器21和22分成的两个支路之间均设置有隔离电阻。

上述三等分功率分配器结构对称、三路输出相位一致性好，且易于实现排版布线。

下面以X波段9-10GHz三路功率分配器/合成器为例进行说明，图5为本发明实施例提供的一种三等分功率分配器的三维仿真版图，相位仿真结果如表一所示：

表一

其中，ang_deg(S(A1,A2))、ang_deg(S(A1,A3))和ang_deg(S(A1,A4))分别为第一信号输出端、第二信号输出端和第三信号输出端的相位。

下面以X波段仿真频率9.3-10.2GHz的三路功率分配器/合成器为例，其中，设定Er＝2.2，板厚0.508mm。其中Er为所选用的的微波介质板的介电常数。端口1为公共的信号输入端口，端口2、端口3、端口4分别为第一信号输出端、第二信号输出端和第三信号输出端，输入、输出均为50欧姆阻抗。对插入损耗和相位进行仿真，插入损耗仿真结果如图6所示，相位仿真如表二所示。

表二

从表二中可以看出：输出端口的相位Ang(S21)、Ang(S41)完全一致，与Ang(S31)略有差别，整个频带的相位偏差θ≤±1.2°。根据矢量合成法则计算，在幅度一致的前提下，因相位偏差引起的合成功率效率为cos(θ/2)＝99.97％,即这个相位偏差值对于功率合成效率而言影响较低，可以忽略不计。

从图6中的插入损耗结果可以看出：S21、S31、S41为端口2、端口3、端口4相对于端口1的插入损耗(这个值是个负值)。理论上，三个端口的插入损耗为-4.77dB，仿真结果与理论值(-4.77dB)相仿。S21与S41从仿真模型结构上完全对称，所以仿真结果完全一致。

以外，本发明还提供了一种微波发射系统，当微波发射系统中遇到单只微波有源器件的输出功率不能满足需求的情况下，需要进行多路功率合成，可以使用上述的三等分功率分配器。通过采用本发明提供的三等分功率分配器组成的微波发射系统，其结构对称。且三路输出相位一致性好，结构紧凑，易于排版可以使整个微波发射系统的性能更加优良。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三等分功率分配器，其特征在于，包括：一个第一一分二功分器和两个第二一分二功分器；

所述第一一分二功分器的分配比为1:1，所述第二一分二功分器的分配比为1:2，所述第一一分二功分器的输入端作为信号输入端，所述第一一分二功分器的两支路的末端分别通过特性阻抗微带线连接一个所述第二一分二功分器，两个所述第二一分二功分器的小功率支路汇合成第二信号输出端，两个所述第二一分二功分器的大功率支路的末端分别连接特性阻抗微带线作为第一信号输出端和第三信号输出端。

2.如权利要求1所述的三等分功率分配器，其特征在于，所述三等分功率分配器为对称结构，且关于所述信号输入端和所述第二信号输出端的连线对称设置。

3.如权利要求1所述的三等分功率分配器，其特征在于，所述第一一分二功分器的两支路的末端分别与第一特性阻抗微带线和第二特性阻抗微带线连接；其中，所述第一特性阻抗微带线和所述第二特性阻抗微带线长度相同、且向远离所述信号输入端的一侧圆滑折弯。

4.如权利要求3所述的三等分功率分配器，其特征在于，两个所述第二一分二功分器的大功率支路的末端分别与第三特性阻抗微带线和第四特性阻抗微带线连接；其中，所述第三特性阻抗微带线和所述第四特性阻抗微带线的长度相同、且向远离所述信号输入端的一侧圆滑折弯。

5.如权利要求4所述的三等分功率分配器，其特征在于，两个所述第二一分二功分器的小功率支路的末端分别与第五特性阻抗微带线的一端和第六特性阻抗微带线的一端连接，所述第五特性阻抗微带线的另一端和所述第六特性阻抗微带线的另一端相连并汇合成所述第二信号输出端，且所述第五特性阻抗微带线和所述第六特性阻抗微带线的长度相同。

6.如权利要求1所述的三等分功率分配器，其特征在于，在所述第一一分二功分器以及两个所述第二一分二功分器分成的两个支路之间均设置有隔离电阻。

7.如权利要求1所述的三等分功率分配器，其特征在于，所述第一一分二功分器的两支路的特性阻抗均为70.7欧姆，两个所述第二一分二功分器的小功率支路的特性阻抗均为103欧姆，两个所述第二一分二功分器的大功率支路的特性阻抗均为51.5欧姆。

8.如权利要求5所述的三等分功率分配器，其特征在于，所述信号输入端、所述第一信号输出端、所述第二信号输出端和所述第三信号输出端的特性阻抗均为50欧姆，所述第一特性阻抗微带线、第二特性阻抗微带线、第三特性阻抗微带线、第四特性阻抗微带线、第五特性阻抗微带线和第六特性阻抗微带线均为50欧姆的特性阻抗微带线。

9.如权利要求8所述的三等分功率分配器，其特征在于，所述第一信号输出端、所述第二信号输出端和所述第三信号输出端的相位相同。

10.一种微波发射系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的三等分功率分配器。

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