CN115064854B - 一种基于反射式矢量合成方法的双峰增益均衡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于反射式矢量合成方法的双峰增益均衡器，具体为呈轴对称结构，其结构由上至下依次包括微带层、矩形介质基板和金属地板三层。微带层设有一个分支线电桥和两组威尔金森功分反射网络，每组反射网络由两个威尔金森功分器级联组成。相比于传统谐振式增益均衡器，本发明的均衡器不采用谐振结构来实现陷波，而是采用矢量合成的方法对信号相消叠加同样实现陷波，而且输入信号多次功分，从而拥有较大的功率容量，同时分支线电桥的使用保证了均衡器具有较好的回波损耗特性。
Description
技术领域
本发明属于功率器件技术领域，具体涉及一种基于反射式矢量合成方法的双峰增益均衡器。
背景技术
目前使用的大功率的行波管存在的一大问题是增益波动大，要实现平坦的功率输出，需要采取管外均衡技术。增益均衡器是一种对输入信号功率在频段内按照一定要求进行衰减的微波器件。增益均衡器的引入成功的解决了模块输出功率波动过大的问题。增益均衡器一般置于固态驱动模块末级或单独置于前级驱动模块与后级行波管之间，兼顾改善了前级驱动放大与后级行波管的增益波动。其作用主要是用于调整功率放大器的输出功率，使之满足后级的行波管放大器的功率输入要求，从而达到所需要的工作状态。增益均衡器根据传输线形式的不同，这里将增益均衡器分类，主要有立体结构的同轴和波导型，平面结构的微带型和基片集成波导。
波导型与同轴型增益均衡器同为立体式均衡器，两者在结构与原理上具有很大相似性。波导型与同轴型增益均衡器都是使电磁波在谐振腔中发生谐振，然后通过粘贴在谐振腔中的吸波材料吸收部分电磁能量。在主传输线两侧并联多个谐振腔，并通过控制谐振腔的位置、大小、耦合窗尺寸、吸波材料的位置以及多少来调控均衡器的均衡曲线和回波损耗，使其适配后级行波管的需要。
平面结构均衡器主要有微带型与集成波导型两类，其原理与立体式均衡器大同小异，都依靠谐振结构将陷波点处的电磁波筛选出来，然后通过电阻吸收电磁能量。目前，使用最广泛的均衡器类型是微带式均衡器，微带式均衡器具有设计简单，制作容易，成本低，体积较小，集成度高等优点。微带式均衡器作为工程中使用最为广泛的均衡器，其谐振器结构一是采用四分之一波长阶梯阻抗开路枝节；二是在微带线地平面上刻蚀缺陷地结构。两者都使用电阻吸收谐振点处的电磁能量。这两种结构的有以下缺点：四分之一波长开路枝节在低频时尺寸较大；微带式均衡器的谐振吸收单元的Q值较同轴线型或者波导型的谐振吸收单元低，不便于实现较陡峭的衰减曲线；传统缺陷地结构由于对底部金属地进行刻蚀，使用时需悬空，无法整体接地，不便于使用。
基片集成波导(SIW)是近年来新出现的类似于波导的一种传输线，与传统的波导相比，SIW具有体积小，加工难度低，成本低等优点，同时又继承了传统波导低损耗，高Q值和高功率容量的特点。SIW易于与平面电路集成，因此适用于微波毫米波集成电路。但是SIW均衡器的尺寸与工作频率呈正相关性，在高频时，尺寸小；低频时，尺寸大。相较于微带线均衡器，SIW均衡器总体尺寸偏大，另外加工成本偏高。另外，先前报道的均衡器大都是单调上升或者下降的均衡曲线，亦或是“倒钟形”类抛物曲线，难以实现具有多峰的复杂均衡曲线。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种基于反射式矢量合成方法的双峰增益均衡器。
本发明的技术方案为：一种基于反射式矢量合成方法的双峰增益均衡器，具体包括：一种基于反射式矢量合成的双峰增益均衡器，呈轴对称结构，包括由上至下依次紧密层叠的微带层1、矩形介质基板2和金属地板3；其中，
微带层1包括第一端口微带10和第二端口微带130、左匹配枝节11和右匹配枝节117、第一电桥并臂114、第二电桥并臂115和第三电桥并臂116、左电桥串臂12和右电桥串臂118、左侧电桥输出微带13和右侧电桥输出微带119、第一威尔金森功分器下功分臂14和第一威尔金森功分器上功分臂16、第二威尔金森功分器左功分臂19和第二威尔金森功分器右功分臂112、第三威尔金森功分器下功分臂120和第三威尔金森功分器上功分臂123、第四威尔金森功分器左功分臂128和第四威尔金森功分器右功分臂125、第一薄膜电阻17、第二薄膜电阻111、第三薄膜电阻122、第四薄膜电阻127、第一开路枝节15、第二开路枝节110、第三开路枝节113、第四开路枝节121、第五开路枝节126、第六开路枝节129、第一、二威尔金森功分器间微带18和第三、四威尔金森功分器间微带124；其中，
第一端口微带10和第二端口微带130，分别与左匹配枝节11、右匹配枝节117的上端相连；左电桥串臂12、右电桥串臂118分别与左匹配枝节11、右匹配枝节117和左侧电桥输出微带13、右侧电桥输出微带119相连；第一电桥并臂114、第二电桥并臂115、第三电桥并臂116左右两端与左电桥串臂12、右电桥串臂118的侧边相连；左侧电桥输出微带13左端同时与第一威尔金森功分器下功分臂14、第一威尔金森功分器上功分臂16相连；第一威尔金森功分器下功分臂14、第一威尔金森功分器上功分臂16左侧通过第一薄膜电阻17相连；第一威尔金森功分器下功分臂14左端与第一开路枝节15相连；第一威尔金森功分器上功分臂16左端与第一、二威尔金森功分器间微带18相连；第一、二威尔金森功分器间微带18向上延伸，与第二威尔金森功分器左功分臂19、第二威尔金森功分器右功分臂112的下端同时相连；第二威尔金森功分器左功分臂19、第二威尔金森功分器右功分臂112的上侧边沿之间有第二薄膜电阻111；第二威尔金森功分器左功分臂19、第二威尔金森功分器右功分臂112的上端分别与第二开路枝节110、第三开路枝节113相连并分别向左、右延伸；右侧电桥输出微带119右端同时与第三威尔金森功分器下功分臂120、第三威尔金森功分器上功分臂123相连；第三威尔金森功分器下功分臂120、第三威尔金森功分器上功分臂123右侧通过第三薄膜电阻122相连；第三威尔金森功分器下功分臂120右端与第四开路枝节121相连；第三威尔金森功分器上功分臂123右端与第三、四威尔金森功分器间微带124相连；第三、四威尔金森功分器间微带124向上延伸，与第四威尔金森功分器右功分臂125、第四威尔金森功分器左功分臂128的下端同时相连；第四威尔金森功分器右功分臂125、第四威尔金森功分器左功分臂128的上侧边沿之间有第四薄膜电阻127；第四威尔金森功分器右功分臂125、第四威尔金森功分器左功分臂128的上端分别与第五开路枝节126、第六开路枝节129相连并分别向右、左延伸。
进一步的，金属地板3呈矩形，与矩形介质基板2尺寸相同；
进一步的，介质基板采用的是厚度为0.254mm、介电常数为9.8的氧化铝陶瓷基板。
本发明的有益效果：本发明的一种基于反射式矢量合成方法的双峰增益均衡器，呈轴对称结构，其结构由上至下依次包括微带层、矩形介质基板和金属地板三层。微带层设有一个分支线电桥和两组威尔金森功分反射网络，每组反射网络由两个威尔金森功分器级联组成。相比于传统谐振式增益均衡器，本发明的均衡器不采用谐振结构来实现陷波，而是采用矢量合成的方法对信号相消叠加同样实现陷波，而且输入信号多次功分，从而拥有较大的功率容量，同时分支线电桥的使用保证了均衡器具有较好的回波损耗特性。
附图说明
图1为本发明实施例中增益均衡器的结构示意图。
图2为本发明实施例中增益均衡器的仿真结果示意图。
图3为本发明实施例中增益均衡器的插入损耗S21由第一开路枝节15的宽度w15调节的仿真结果示意图。
图4为本发明实施例中增益均衡器的插入损耗S21由第二威尔金森功分器右功分臂112的宽度w112调节的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种基于反射式矢量合成的双峰增益均衡器，其结构示意图如图1所示，呈轴对称结构，由上至下依次紧密层叠的为微带层1、矩形介质基板2和金属地板3；具体包括：
微带层1包括第一端口微带10和第二端口微带130、左匹配枝节11和右匹配枝节117、第一电桥并臂114、第二电桥并臂115和第三电桥并臂116、左电桥串臂12和右电桥串臂118、左侧电桥输出微带13和右侧电桥输出微带119、第一威尔金森功分器下功分臂14和第一威尔金森功分器上功分臂16、第二威尔金森功分器左功分臂19和第二威尔金森功分器右功分臂112、第三威尔金森功分器下功分臂120和第三威尔金森功分器上功分臂123、第四威尔金森功分器左功分臂128和第四威尔金森功分器右功分臂125、第一薄膜电阻17、第二薄膜电阻111、第三薄膜电阻122、第四薄膜电阻127、第一开路枝节15、第二开路枝节110、第三开路枝节113、第四开路枝节121、第五开路枝节126、第六开路枝节129、第一、二威尔金森功分器间微带18和第三、四威尔金森功分器间微带124；其中，
第一端口微带10和第二端口微带130，分别与左匹配枝节11、右匹配枝节117的上端相连；左电桥串臂12、右电桥串臂118分别与左匹配枝节11、右匹配枝节117和左侧电桥输出微带13、右侧电桥输出微带119相连；第一电桥并臂114、第二电桥并臂115、第三电桥并臂116左右两端与左电桥串臂12、右电桥串臂118的侧边相连；左侧电桥输出微带13左端同时与第一威尔金森功分器下功分臂14、第一威尔金森功分器上功分臂16相连；第一威尔金森功分器下功分臂14、第一威尔金森功分器上功分臂16左侧通过第一薄膜电阻17相连；第一威尔金森功分器下功分臂14左端与第一开路枝节15相连；第一威尔金森功分器上功分臂16左端与第一、二威尔金森功分器间微带18相连；第一、二威尔金森功分器间微带18向上延伸，与第二威尔金森功分器左功分臂19、第二威尔金森功分器右功分臂112的下端同时相连；第二威尔金森功分器左功分臂19、第二威尔金森功分器右功分臂112的上侧边沿之间有第二薄膜电阻111；第二威尔金森功分器左功分臂19、第二威尔金森功分器右功分臂112的上端分别与第二开路枝节110、第三开路枝节113相连并分别向左、右延伸；右侧电桥输出微带119右端同时与第三威尔金森功分器下功分臂120、第三威尔金森功分器上功分臂123相连；第三威尔金森功分器下功分臂120、第三威尔金森功分器上功分臂123右侧通过第三薄膜电阻122相连；第三威尔金森功分器下功分臂120右端与第四开路枝节121相连；第三威尔金森功分器上功分臂123右端与第三、四威尔金森功分器间微带124相连；第三、四威尔金森功分器间微带124向上延伸，与第四威尔金森功分器右功分臂125、第四威尔金森功分器左功分臂128的下端同时相连；第四威尔金森功分器右功分臂125、第四威尔金森功分器左功分臂128的上侧边沿之间有第四薄膜电阻127；第四威尔金森功分器右功分臂125、第四威尔金森功分器左功分臂128的上端分别与第五开路枝节126、第六开路枝节129相连并分别向右、左延伸。
本实施例中金属地板3呈矩形，与矩形介质基板2尺寸相同；
本实施例中增益均衡器采用分支线电桥先将输入信号分成幅度相等，相位相差90度的正交信号，这两路正交信号分别进入各自的终端开路的威尔金森功分器反射网络。信号先由功分器进行功率分配，功分后的信号再经开路枝节反射后原路返回进行功率合成。由于开路枝节的长度与线宽不相等，使得两路反射信号相位与幅度不一致从而发生相消叠加，从而达到陷波的目的。从分支线电桥输出的两路正交信号经由各自的威尔金森功分器反射网络反射后形成反射波也是一对幅频响应一致，相位相差90度的正交信号。这对正交信号由分支线电桥进行合路，最终信号从分支线电桥的隔离端同相叠加输出，在输入端反相抵消。
本实施例中，均衡器工作时，射频信号从第一端口微带10流入，在经过电桥之后分成两路幅度一样，相位相差90度的正交信号分别从左、右侧电桥输出微带13、119流出；当信号流经第一威尔金森功分器时，分成两路不等幅信号从下功分臂14、上功分臂16流出；流出第一威尔金森功分器上功分臂16的信号经第一、二威尔金森功分器间微带18进入第二威尔金森功分器并分成两路不等幅信号从左功分臂19、右功分臂112流出；这两路不等幅信号在分别流入第二开路枝节110、第三开路枝节113后其反射信号在第二薄膜电阻111处汇合，由于第二开路枝节110、第三开路枝节113长度不相等使得两路反射信号在第二薄膜电阻111处相位不一致从而发生相消叠加；而未被抵消的信号又经过第一、二威尔金森功分器间微带18原路返回至第一薄膜电阻17处与第一开路枝节15的反射信号汇合并进行相消叠加；因此电桥左侧反射信号又经左侧电桥输出微带13返回至电桥；由于结构的对称性，电桥右侧反射信号与电桥左侧反射信号幅度相等，电桥右侧反射信号相位落后左侧反射信号90度；这两路反射正交信号经过电桥后，在第一端口微带10处相位相差180度，第二端口微带130处相位差为0；因此两路反射正交信号在第一端口微带10处反相叠加，无信号输出，在第二端口微带130处同相叠加，有信号输出，且幅度是两路反射正交信号幅度之和。
本实施例所述均衡器工作在30～40GHz，介质基板采用的是厚度为0.254mm、介电常数为9.8的氧化铝陶瓷基板。电阻采用的是50欧姆TaN薄膜电阻，仿真结果如图2所示，均衡器的第一、二均衡峰分别位于33.46GHz和37.4GHz,衰减量分别为17.6dB和17.15dB，插入损耗为2.5dB，均衡量大于15dB，工作频带内回波损耗优于15dB。第一均衡峰的衰减量随着第一开路枝节15的宽度w15(w15＝w121)的增加而变大，主要原因是第一开路枝节15的宽度w15的增加使更多的信号进入第一开支路并被反射回来，因此更多的能量被抵消了，而且几乎不影响进入第二威尔金森功分器的信号，所以第二均衡峰保持基本不变，如图3所示。当第二威尔金森功分器右功分臂112的宽度w112(w112＝w128)减小时，其功率分配趋于平衡，导致第二均衡峰的衰减量增加，同时使得反射回第一威尔金森功分器的信号减少，这相当于使功率分配远离平衡，因此第一均衡峰的衰减量减小了，仿真结果如图4所示。
本实施例所述均衡器采用分支线电桥与威尔金森功分器相结合的结构，设计出一种反射式矢量合成增益均衡器，均衡量大且输入回波良好。由于该均衡器是利用矢量叠加原理实现陷波，与传统谐振式不同，因此其对电阻阻值不是其均衡量的决定性因素，对薄膜电阻阻值大小不太敏感。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于反射式矢量合成的双峰增益均衡器，呈轴对称结构，具体包括：由上至下依次紧密层叠的微带层(1)、矩形介质基板(2)和金属地板(3)；其中，微带层(1)包括第一端口微带(10)和第二端口微带(130)、左匹配枝节(11)和右匹配枝节(117)、第一电桥并臂(114)、第二电桥并臂(115)和第三电桥并臂(116)、左电桥串臂(12)和右电桥串臂(118)、左侧电桥输出微带(13)和右侧电桥输出微带(119)、第一威尔金森功分器下功分臂(14)和第一威尔金森功分器上功分臂(16)、第二威尔金森功分器左功分臂(19)和第二威尔金森功分器右功分臂(112)、第三威尔金森功分器下功分臂(120)和第三威尔金森功分器上功分臂(123)、第四威尔金森功分器左功分臂(128)和第四威尔金森功分器右功分臂(125)、第一薄膜电阻(17)、第二薄膜电阻(111)、第三薄膜电阻(122)、第四薄膜电阻(127)、第一开路枝节(15)、第二开路枝节(110)、第三开路枝节(113)、第四开路枝节(121)、第五开路枝节(126)、第六开路枝节(129)、第一、二威尔金森功分器间微带(18)和第三、四威尔金森功分器间微带(124)；其中，
第一端口微带(10)和第二端口微带(130)，分别与左匹配枝节(11)、右匹配枝节(117)的上端相连；左电桥串臂(12)、右电桥串臂(118)分别与左匹配枝节(11)、右匹配枝节(117)和左侧电桥输出微带(13)、右侧电桥输出微带(119)相连；第一电桥并臂(114)、第二电桥并臂(115)、第三电桥并臂(116)左右两端与左电桥串臂(12)、右电桥串臂(118)的侧边相连；左侧电桥输出微带(13)左端同时与第一威尔金森功分器下功分臂(14)、第一威尔金森功分器上功分臂(16)相连；第一威尔金森功分器下功分臂(14)、第一威尔金森功分器上功分臂(16)左侧通过第一薄膜电阻(17)相连；第一威尔金森功分器下功分臂(14)左端与第一开路枝节(15)相连；第一威尔金森功分器上功分臂(16)左端与第一、二威尔金森功分器间微带(18)相连；第一、二威尔金森功分器间微带(18)向上延伸，与第二威尔金森功分器左功分臂(19)、第二威尔金森功分器右功分臂(112)的下端同时相连；第二威尔金森功分器左功分臂(19)、第二威尔金森功分器右功分臂(112)的上侧边沿之间有第二薄膜电阻(111)；第二威尔金森功分器左功分臂(19)、第二威尔金森功分器右功分臂(112)的上端分别与第二开路枝节(110)、第三开路枝节(113)相连并分别向左、右延伸；右侧电桥输出微带(119)右端同时与第三威尔金森功分器下功分臂(120)、第三威尔金森功分器上功分臂(123)相连；第三威尔金森功分器下功分臂(120)、第三威尔金森功分器上功分臂(123)右侧通过第三薄膜电阻(122)相连；第三威尔金森功分器下功分臂(120)右端与第四开路枝节(121)相连；第三威尔金森功分器上功分臂(123)右端与第三、四威尔金森功分器间微带(124)相连；第三、四威尔金森功分器间微带(124)向上延伸，与第四威尔金森功分器右功分臂(125)、第四威尔金森功分器左功分臂(128)的下端同时相连；第四威尔金森功分器右功分臂(125)、第四威尔金森功分器左功分臂(128)的上侧边沿之间有第四薄膜电阻(127)；第四威尔金森功分器右功分臂(125)、第四威尔金森功分器左功分臂(128)的上端分别与第五开路枝节(126)、第六开路枝节(129)相连并分别向右、左延伸。
2.根据权利要求1所述的一种基于反射式矢量合成的双峰增益均衡器，其特征在于，金属地板(3)呈矩形，与矩形介质基板(2)尺寸相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于反射式矢量合成的双峰增益均衡器，其特征在于，工作时，射频信号从第一端口微带(10)流入，在经过电桥之后分成两路幅度一样，相位相差90度的正交信号分别从左、右侧电桥输出微带(13)、(119)流出；当信号流经第一威尔金森功分器时，分成两路不等幅信号从下功分臂(14)、上功分臂(16)流出；流出第一威尔金森功分器上功分臂(16)的信号经第一、二威尔金森功分器间微带(18)进入第二威尔金森功分器并分成两路不等幅信号从左功分臂(19)、右功分臂(112)流出；这两路不等幅信号在分别流入第二开路枝节(110)、第三开路枝节(113)后其反射信号在第二薄膜电阻(111)处汇合，由于第二开路枝节(110)、第三开路枝节(113)长度不相等使得两路反射信号在第二薄膜电阻(111)处相位不一致从而发生相消叠加；而未被抵消的信号又经过第一、二威尔金森功分器间微带(18)原路返回至第一薄膜电阻(17)处与第一开路枝节(15)的反射信号汇合并进行相消叠加；因此电桥左侧反射信号又经左侧电桥输出微带(13)返回至电桥；由于结构的对称性，电桥右侧反射信号与电桥左侧反射信号幅度相等，电桥右侧反射信号相位落后左侧反射信号90度；这两路反射正交信号经过电桥后，在第一端口微带(10)处相位相差180度，第二端口微带(130)处相位差为0；因此两路反射正交信号在第一端口微带(10)处反相叠加，无信号输出，在第二端口微带(130)处同相叠加，有信号输出，且幅度是两路反射正交信号幅度之和。
4.根据权利要求1所述的一种基于反射式矢量合成的双峰增益均衡器，其特征在于，介质基板(2)采用的是厚度为0.254mm、介电常数为9.8的氧化铝陶瓷基板。
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