CN114824717A - 带隔离的三等分功率分配器及微波发射系统 - Google Patents

带隔离的三等分功率分配器及微波发射系统 Download PDF

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高洪民
张之梁
任小永
陈乾宏
王书杰
谭超
徐森锋
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    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports

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Abstract

本发明提供一种带隔离的三等分功率分配器及微波发射系统，其中，带隔离的三等分功率分配器，包括：一个分配比为1:2的第一混合环和一个分配比为1:1的第二混合环；第一混合环的第一端口为信号输入端，第一混合环的第二端口连接第二混合环的第一端口，第二混合环的第二端口和第三端口以及第一混合环的第三端口分别为三等分功率分配器的三个信号输出端；其中，第一混合环的第二端口为功率大的端口。本发提供的带隔离的三等分功率分配器结构简单、性能较高、且具有良好的隔离度。

Description

带隔离的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，尤其涉及一种带隔离的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，目前三等分微带功率合成器/分配器的性能较差，无法满足微波发射系统的需求。
发明内容
本发明实施例提供了一种带隔离的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带隔离的三等分功率分配器，包括：一个分配比为1:2的第一混合环和一个分配比为1:1的第二混合环；
第一混合环的第一端口为信号输入端，第一混合环的第二端口连接第二混合环的第一端口，第二混合环的第二端口和第三端口以及第一混合环的第三端口分别为三等分功率分配器的三个信号输出端；
其中，第一混合环的第二端口为功率大的端口。
在一种可能的实现方式中，第一混合环和第二混合环均为圆形的混合环。
在一种可能的实现方式中，第一混合环或第二混合环由两个对称设置的圆弧及连接在两圆弧之间的两个平行边围成封闭的混合环；第一混合环或第二混合环的输出端口设置在平行边上、并与平行边垂直设置。
可选的，第一混合环或第二混合环的第一端口设置在其中一个圆弧上、并位于相应圆弧的对称轴上；第一混合环或第二混合环的第二端口以及第三端口相对第一端口对称设置。
可选的，第一混合环或第二混合环的第四端口与第三端口在同一个平行边上。
可选的，与第一混合环和第二混合环上的第二端口和第三端口直接连接的微带线的一端与平行边垂直、另一端向远离第一端口方向圆滑折弯。
在一种可能的实现方式中，第一混合环以及第二混合环的第一端口和第四端口处均外接50Ω微带线。
可选的，第一混合环的第二端口和第三端口处分别外接垂直于平行边的长度相同的50Ω微带线；第二混合环的第二端口和第三端口处分别外接垂直于平行边的长度相同的50Ω微带线。
可选的，第一混合环以及第二混合环的第二端口和第三端口处分别外接长度相同的50Ω微带线。
第二方面，本发明实施例提供了一种微波发射系统，包括第一方面中的任一项的带隔离的三等分功率分配器。
本发明实施例提供一种带隔离的三等分功率分配器及微波发射系统，通过采用带有隔离度的混合环代替常用的威尔金森功率分配器，保证三等分功率分配器的隔离度，保证器件能够稳定工作，且带隔离的三等分功率分配器结构简单、性能较高。
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是目前常用的混合环的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种圆形混合环的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种新型混合环的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种带隔离的三等分功率分配器的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种带隔离的三等分功率分配器的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种带隔离的三等分功率分配器的仿真模型结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种带隔离的三等分功率分配器的插入损耗的仿真结果示意图；
图8是本发明实施例提供的一种带隔离的三等分功率分配器的隔离度的仿真结果示意图。
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。
正如背景技术中所描述的，三路功率合成器一般情况下三个输出端口之间相互没有隔离，三个输出端口之间的幅度和相位的不平衡极易引起器件不稳定工作，且三个输出端口也会受到排版布线的影响相互干扰。
为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种带隔离的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带隔离的三等分功率分配器进行介绍。
发明人在长期的工作中发现，目前采用功率分配比为1:2和1:1的威尔金森组成的功率分配器/合成器，隔离度非常差，影响器件的正常工作。
如图1所示的目前常用的混合环，混合环是四端口网络，可以由微带线制成。整个环的周长为1.5λ，四个分支线并联在环上，将环分为4段。当信号自混合环的端口②输入时，信号从端口①和④按一定的功率分配比反向输出，而端口③从理论上来说是没有输出的，为隔离端。反之，若信号自端口①输入，则端口②和③按一定的功率分配比同相输出，而端口4无输出。因此端口①和④是彼此隔离的，同样的，端口②和③也是互相隔离的。
为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种带隔离的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带隔离的三等分功率分配器进行介绍。
一种带隔离的三等分功率分配器，包括一个分配比为1:2的第一混合环和一个分配比为1:1的第二混合环。
其中，第一混合环的第一端口为信号输入端，第一混合环的第二端口连接第二混合环的第一端口，第二混合环的第二端口和第三端口以及第一混合环的第三端口分别为三等分功率分配器的三个信号输出端。具体的，第一混合环的第二端口为功率大的端口。第一混合环和第二混合环的第四端口为隔离端。
图2示出了本发明实施例使用的一种圆形混合环，可以采用一个分配比为1:2的第一混合环和一个分配比为1:1的第二混合环。其中，第一混合环和第二混合环均为圆形的混合环。通过改变第一混合环和第二混合环的第一端口即输入端口，到输出端口即第二端口和第三端口的变换节阻抗，即可形成两个输出功率比不相同的混合环。
但是，当第一混合环和第二混合环均为圆形的混合环时，第二端口和第三端口引出的微带线会存在一定的夹角，且该夹角为非规则的角度，当要求的三等分功率分配器/合成器的相位需保持一致时，排版布线较困难。
为了保证三等分功率分配器/合成器的相位一致、且易于排版布线，本发明实施例提供了一种类似跑道形的混合环，如图3所示的结构，即由两个对称设置的圆弧及连接在两圆弧之间的两个平行边围成封闭的混合环。且第一混合环或第二混合环的输出端口，即第二端口和第三端口设置在平行边上、并与平行边垂直设置。
为了保证相位一致，且易于排版，第一混合环或第二混合环的第一端口设置在其中一个圆弧上、并位于相应圆弧的对称轴上。第一混合环或第二混合环的第二端口以及第三端口相对第一端口对称设置。第一混合环或第二混合环的第四端口与第三端口在同一个平行边上。
如图4和5所示的一种带隔离的三等分功率分配器，包括：一个分配比为1:2的第一混合环和一个分配比为1:1的第二混合环。
其中，第一混合环的第一端口11为信号输入端，第一混合环的第二端口12连接第二混合环的第一端口21，第二混合环的第二端口22和第三端口23以及第一混合环的第三端口13分别为三等分功率分配器的三个信号输出端。第一混合环的第二端口12为功率大的端口。
第一混合环和第二混合环由两个对称设置的圆弧及连接在两圆弧之间的两个平行边围成封闭的混合环。且第一混合环的输出端口12和13以及第二混合环的输出端口22和23均设置在平行边上、并与平行边垂直设置。第一混合环的第一端口11和第二混合环的第一端口21设置在其中一个圆弧上、并位于相应圆弧的对称轴上。第一混合环和第二混合环的第二端口以及第三端口均相对第一端口对称设置。第一混合环和第二混合环的第四端口均为隔离端，和第三端口在同一个平行边上。
通过调整第一混合环和第二混合环之间的微带线的长度，即可以使三个输出端口的相位趋于一致，从而提高带隔离的三等分功率分配器的性能。
在第一混合环以及第二混合环的四个端口处均外接50Ω微带线，为了保证第二端口和第三端口的相位一致，可以在第一混合环的第二端口12和第三端口13处分别外接垂直于平行边的长度相同的50Ω微带线。第二混合环的第二端口和第三端口处分别外接垂直于平行边的长度相同的50Ω微带线。根据三等分功率分配器性能的需求，可以将第一混合环以及第二混合环的第二端口和第三端口处分别外接长度相同的50Ω微带线。
第一混合环的第二端口12通过外接50Ω微带线后与第二混合环的第一端口21连接，且与第二端口12连接的微带线与平行边垂直，另一端向远离第一端口11方向圆滑折弯。第一混合环的第三端口13外接50Ω微带线，且该微带线的一端与平行边垂直、另一端向远离第一端口11方向圆滑折弯，形成带隔离的三等分功率分配器的第一输出端口31。第一混合环的第一端口11外接50Ω微带线后形成带隔离的三等分功率分配器的信号输入端口。且第一混合环的第二端口12和第三端口13连接的微带线长度相同。
第二混合环的第二端口22连接的微带线与平行边垂直，另一端向远离第一端口21方向圆滑折弯，形成带隔离的三等分功率分配器的第二输出端口32。第二混合环的第三端口23外接50Ω微带线，且该微带线的一端与平行边垂直、另一端向远离第一端口21方向圆滑折弯，形成带隔离的三等分功率分配器的第三输出端口33。且第二混合环的第二端口22和第三端口23连接的微带线长度相同。
为了使得带隔离的三等分功率分配器的相位一致性较好，可以在第一混合环以及第二混合环的第二端口和第三端口处分别外接长度相同的50Ω微带线。
本发明提供的一种带隔离的三等分功率分配器，通过采用带有隔离度的混合环代替常用的威尔金森功率分配器，保证三等分功率分配器的隔离度，保证器件能够稳定工作，且带隔离的三等分功率分配器结构简单、性能较高，且易于排版布线。
下面以X波段仿真频率9-10GHz的三路功率分配器/合成器为例，仿真模型的结构示意图如图6所示。
其中，设定Er＝3.66，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分别为三个信号输出端口，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7所示，相位仿真如表一所示，隔离度的仿真结果如图8所示。
从图7的插入损耗仿真结果可以看出：三个输出端口的插入损耗S21、S31、S41均在4.72dB-4.83dB之间，仿真结果与理论值(-4.77dB)相仿。S21、S41与S31略有差别，从图7中可以看出，端口2和端口3的输出比端口4多了一次功率分配，功率分配会带来损耗，如果不采取其他措施，S21和S31会比S41小。在仿真时，为了保证三个端口的输出特性尽可能一致，在优化参数时，优化了1:2混合环的功率分配比，使其功率分配比不是1:2，而是略微偏离，这样会修正端口2和端口3因功率分配带来的损耗，最终使三个端口的幅度特性尽可能趋于一致。
表一
FREQ[GHz] Ang(S21)[deg] Ang(S31)[deg] Ang(S41)[deg]
9.00 61.81 60.51 56.89
9.10 48.31 47.68 44.97
9.20 34.80 34.86 33.05
9.30 21.29 22.03 21.14
9.40 7.77 9.19 9.21
9.50 -5.77 -3.65 -2.72
9.60 -19.33 -16.52 -15.67
9.70 -32.91 -29.40 -28.64
9.80 -46.53 -42.32 -40.66
9.90 -60.18 -55.27 -53.72
10.00 -73.87 -68.26 -65.88
Ang(S21)、Ang(S31)、Ang(S41)为三个输出端口的相位，整个频带的相位偏差≤±4°。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)＝99.75％,这样的相位偏差对功率合成效率影响较低，可以忽略不计。
从图8的隔离度的仿真结果可以看出，整个频带内三个输出端口间的隔离度均在25dB以上，取得了良好的路间隔离效果。
这样的功率分配器/合成器三路幅度和相位一致性好，三路输出间隔离度高，排版布线易于实现。
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，且对隔离度要求较高的情况下，可以使用上述的带隔离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，其隔离度较好。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)

1.一种带隔离的三等分功率分配器，其特征在于，包括：一个分配比为1:2的第一混合环和一个分配比为1:1的第二混合环；
所述第一混合环的第一端口为信号输入端，所述第一混合环的第二端口连接所述第二混合环的第一端口，所述第二混合环的第二端口和第三端口以及所述第一混合环的第三端口分别为所述三等分功率分配器的三个信号输出端；
其中，所述第一混合环的第二端口为功率大的端口。
2.如权利要求1所述的三等分功率分配器，其特征在于，所述第一混合环和所述第二混合环均为圆形的混合环。
3.如权利要求1所述的三等分功率分配器，其特征在于，所述第一混合环或所述第二混合环由两个对称设置的圆弧及连接在两圆弧之间的两个平行边围成封闭的混合环；所述第一混合环或所述第二混合环的输出端口设置在所述平行边上、并与所述平行边垂直设置。
4.如权利要求3所述的三等分功率分配器，其特征在于，所述第一混合环或所述第二混合环的第一端口设置在其中一个圆弧上、并位于相应圆弧的对称轴上；所述第一混合环或所述第二混合环的第二端口以及第三端口相对所述第一端口对称设置。
5.如权利要求4所述的三等分功率分配器，其特征在于，所述第一混合环或所述第二混合环的第四端口与所述第三端口在同一个平行边上。
6.如权利要求4所述的三等分功率分配器，其特征在于，与所述第一混合环和所述第二混合环上的第二端口和第三端口直接连接的微带线的一端与所述平行边垂直、另一端向远离第一端口方向圆滑折弯。
7.如权利要求6所述的三等分功率分配器，其特征在于，所述第一混合环以及所述第二混合环的第一端口和第四端口处均外接50Ω微带线。
8.如权利要求7所述的三等分功率分配器，其特征在于，所述第一混合环的第二端口和第三端口处分别外接垂直于所述平行边的长度相同的50Ω微带线；所述第二混合环的第二端口和第三端口处分别外接垂直于所述平行边的长度相同的50Ω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，所述第一混合环以及所述第二混合环的第二端口和第三端口处分别外接长度相同的50Ω微带线。
10.一种微波发射系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的带隔离的三等分功率分配器。
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WO2023201935A1 (zh) * 2022-04-21 2023-10-26 中国电子科技集团公司第十三研究所 带隔离的三等分功率分配器及微波发射系统

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