CN204180029U - 一种x波段的和差网络电路及器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种X波段的和差网络电路，由一个微带混合环、差端口引线、和端口引线、第一输出端口引线、第二输出端口引线和两个功分器构成；本实用新型提供一种X波段的和差网络器件，在盒体的一个侧面上设有逐级向内的三个槽，在第三级槽的底部安装有介质板；在第二级槽及第一级槽的表面分别配有内盖板和外盖板。有益的技术效果：本实用新型所述的电路的工作频段在X频段乃至Ka频段，在保证电讯性能稳定的条件下工作频带范围更宽、功率容量更高、幅相特性更好、端口隔离度更高。本实用新型所述的器件具有良好的密闭性、防尘隔水性。

Description

一种X波段的和差网络电路及器件

技术领域

本实用新型属于通信技术领域，主要应用于相控阵雷达、多路中继通信机等微波设备、馈线系统、混频器及功率放大器中，尤其涉及一种X波段的和差网络电路及和器件。

背景技术

作为单脉冲雷达天馈系统的关键部件的和差网络电路，在单脉冲天线阵列的设计中得到广泛应用。同时，和差网络电路也是集中式固态发射系统的重要组成部分,在半导体器件的功率合成中得到了广泛的应用。

和差运算电路一般由电桥、耦合器等常见的微波器件构成；耦合器多为加载90°延迟线的3dB耦合器。通过选取不同型号的电桥与耦合器，能够实现两路信号的和差运算；电桥和耦合器是平面和差网络的基础。但是，传统的电桥和加载90°延迟线的3dB的耦合器由于具有较强的色散效应，考虑到幅度和相位的不平衡度，由上述电桥和耦合器构建的和差网络电路的工作带宽只有10%左右，工作范围非常有限。

为了解决上述问题，科研机构及厂商提出了很多拓宽和差网络电路的工作带宽的方法，如：利用微带/槽线转换混合结构的平面和差网络结构、利用CMOS技术设计的有源和差网络结构、利用宽带功分器和基于耦合线结构的宽带巴伦为基础单元设计的和差网络结构等，这些方法虽然展宽了工作带宽但是插损却较大，尤其在频率较高时的插损格外显著，依旧存在工作频带较窄、功率容量较小、端口隔离度不高的难题；以常用的威尔金森形式的和差网络结构为例：在该结构电路中,电阻嵌入电路网络中间，采用的片状电阻难以充分散热，限制了威尔金森合成器的耐功率水平(通常低于30W连续波)。

此外，传统形式的威尔金森微带功率分配/合成器，在工作频率达到X波段后，因四分之一阻抗变换段的微带线尺寸在3-6mm之间，为使隔离电阻搭焊在功分器两臂间，需要选择型号为0402（功率容量0.05W）甚至更小尺寸的贴片电阻，这样便限制了整个网络的功率容量，同时对微带加工精度都提出了很高的要求。工作频段较高时，功分器两臂间距不能太近，否则两臂间会产生耦合效应，影响功率分配和端口隔离的电性能。但如选择较小尺寸的隔离电阻，两臂跨接间距最大只能和片状电阻长度一样，两臂互耦的影响也无法消除。

实用新型内容

本实用新型就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种保证电讯性能稳定的前提下工作频带范围更宽、功率容量更高、幅相特性更好、端口隔离度更高的X波段和差网络电路和器件。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种X波段的和差网络电路，由一个微带混合环1、差端口引线11、和端口引线12、第一输出端口引线13、第二输出端口引线14和两个功分器2构成；

所述微带混合环1为一个矩形框，微带混合环1的长边长度S是其短边长度的2倍；在微带混合环1的一条长边的端部连接有差端口引线11；在微带混合环1的另一条长边的中部连接有和端口引线12；在连接有和端口引线的在微带混合环1的长边的两端分别接第一输出端口引线13和第二输出端口引线14；

所述差端口引线11的末端设有差信号输入端口；所述和端口引线12的末端设有和信号输入端口；所述第一输出端口引线13的末端与一个功分器2相连接；第二输出端口引线14的末端与另一个功分器2相连接。

一种X波段的和差网络器件，包括盒体3，所述盒体3的一个侧面上设有逐级向内的三个槽，依次为第一级槽、第二级槽和第三级槽，其中，第二级槽位于第一级槽的底部，第三级槽位于第二级槽的底部；在第三级槽的底部安装有介质板；在第二级槽的表面配有内盖板；在第一级槽的表面配有外盖板；即介质板连同其上的微带混合环1和功分器2被密闭在两层盖板的腔体内。

有益的技术效果

本实用新型所述的和差网络电路的工作频段在X频段乃至Ka频段。本实用新型的结构不受传统设计思路（按四分之一波长进行尺寸设计）的束缚，对电路微带线的物理结构布局要求低，受微带制版加工精度的影响小。本实用新型的工作带宽可达到42%左右。本实用新型功分器外接隔离负载（如图2中R1及R2），便于散热，功率容量大；本实用新型包括两个Gysel型的一分四功分器，八路的和差输出的幅相一致性好。本实用新型能够通过隔离端口检测各输出端口间的不平衡性。

本实用新型的优点具体表现在如下：

1、本实用新型采用微带线形式的微带混合环1和功分器2，结构简单，体积小，重量轻，易于集成，可以实现任意N路的功率分配及合成,对于大功率有源器件的功率分配及合成具有重要意义；

2、本实用新型可以很方便地采用高功率外部隔离负载,因而具有高的耐功率水平和抗失配能力,从而可应用于高功率场合。与市面上常用的威尔金森结构电路相比较，本实用新型具有显著的技术进步：传统的威尔金森微带功分/合成器中,其电阻嵌入电路网络中间,并且要求很小的插入相位以减小分布参数的影响,特别是在输出端口很多的情况下,需要的隔离电阻分布网络在实际情况下很难实现。另外,该结构的电阻分布网络中采用的片状电阻难以充分散热,限制了威尔森合成器的耐功率水平；与威尔金森不同的是,本实用新型采用Gysel型功率分配/合成器，因此本产品的终端负载可以通过一段任意长度,且特性阻抗与负载阻抗相同的传输线引到电路上的任意位置(一般将阻抗设计为50Ω),微带线长度对电路特性不构成影响,因而可以采用大功率负载,负载根据需要可以外接在电路上,安装灵活,散热方便,为大功率应用带来方便；

3、本实用新型的各功分端口之间幅度平衡度的可监测性能。当本实用新型作为合成器来使用时,可以很方便地用来监测各输入端口输入功率的不平衡性；本实用新型作为功分器来使用时,则可以用来监测不同的负载驻波，可以用于监视和调整各放大通道的幅度平衡性。

本实用新型所述的和差网络装置可以广泛应用于相控阵雷达、多路中继通信机等微波设备、馈线系统、混频器及功率放大器中，具有频带宽、功率容量高、损耗低、驻波性能良好和隔离度高等特点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1中功分器2的电路原理图。

图3为采取图1所示结构的、且移除外、内盖板后的和差网络装置的主视图。

图4为本实用新型采用一分四的功分器2时，各端口的驻波仿真结果图。

图5为本实用新型采用一分四的功分器2且采用和端口输入模式下，各输出端口的幅度仿真结果图。

图6为本实用新型采用一分四的功分器2且采用差端口输入模式下，各输出端口的幅度仿真结果图。

图7为本实用新型采用一分四的功分器2且采用和端口输入模式下，各输出端口的相位仿真结果图。

图8为本实用新型采用一分四的功分器2且采用差端口输入模式下，各输出端口的相位仿真结果图。

图9为本实用新型的各相邻端口之间的隔离度仿真结果图。

图中的序号为：微带混合环1、功分器2、盒体3、差端口引线11、和端口引线12、第一输出端口引线13、第二输出端口引线14。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明：

参见图1，一种X波段的和差网络电路，由一个微带混合环1、差端口引线11、和端口引线12、第一输出端口引线13、第二输出端口引线14和两个功分器2构成；所述微带混合环1呈矩形，微带混合环1的长边长度S是其短边长度的2倍；在微带混合环1的一条长边的端部连接有差端口引线11；在微带混合环1的另一条长边的中部连接有和端口引线12；在连接有和端口引线的在微带混合环1的长边的两端分别接第一输出端口引线13和第二输出端口引线14。

所述差端口引线11的末端设有差信号输入端口；所述和端口引线12的末端设有和信号输入端口；所述第一输出端口引线13的末端与一个功分器2相连接；所述第二输出端口引线14的末端与另一个功分器2相连接。

进一步说，微带混合环1的长边长度S的范围在11至12mm之间；微带混合环1的长边和短边的线宽W均在0.4至0.5mm之间、微带板厚度为0.254mm。

进一步说，微带混合环1的长边长度S等于本和差网络电路的工作波长的二分之一；即由和输入口的输入的信号时，第一输出端口引线13输出的信号和第二输出端口引线14输出的信号等幅且同相；由差输入口输入信号时，第一输出端口引线13输出的信号和第二输出端口引线14输出的信号等幅但相位相差180°优选的方案是，所述工作波长λ的范围在9.3GHz至9.7GHz之间。

进一步说，微带混合环1的端口电阻值为Z，微带混合环1的各支路的阻抗均为                                                Z；由于和端口引线12相连接的端口输入的信号均经过1/4波长，故第一输出端口引线13和第二输出端口引线14输出的信号等幅且同相；而由差端口输入的信号到达第一输出端口引线13的末端需要经过3/4波长，与此同时，由差端口输入的信号到达第二输出端口引线14的末端需要经过1/4波长，即此时第一输出端口引线13和第二输出端口引线14输出的信号幅度相等但相位相差180°，如图1所示。

进一步说，所述功分器2均为Gysel型的功分器。参见图2，Gysel型功率分配/合成器其拓扑结构介于分支线耦合器结构和威尔金森结构之间,能够很方便地实现等相位功率分配及合成。Gysel型功率分配/合成器比较容易实现路数为2的N次幂的情况,也可设计用于任意N路的功率分配及合成。Gysel功率分配/合成器在一定程度上具备定向耦合器的特性。在理想的平衡状态下,分配到N个负载终端上的功率是一样的,当其中只有某个输出端口有功率时,其功率主要耗散在与之关联的负载电阻上，因此与其他形式的功分/合成器相比能够承受较大的功率容量。同时由于该电阻的存在大大增加了端口之间的隔离度。

进一步说，所述功分器2均为一分四的功率分配/合成器，即功分器2的输出信号为四路等幅同相的输出信号。

一分四的Gysel型功分器的电路原理图如图2所示，图中，点A至点F为节点，L1~L6的长度均为1/4波长，信号从功分器的端口1（Port1）输入,理想情况下由于两端阻抗完全相同,所以功率分别从功分器的端口2（Port2）和功分器的端口3（Port3）等幅输出,又由于两段传输长度完全相同,所以输出信号的相位相同。假如功分器的端口2（Port2）有失配,则反射功率中的一路信号经B→A→F的方向传递,相位延迟L/2, 反射功率中的另一路经B→C→D→E→F的方向传递,相位延迟L。两路相位差为L/2,功率相同,因而相互抵消,形成良好的隔离。

进一步说，微带混合环1和功分器2均布置在介质板上，所述介质板的型号为Rogers RT/duroid 5880。该介质板的介电常数为2.2，厚度为0.254mm。

参见图3，采用本实用新型所述高性能X波段多端口和差网络电路的和差网络装置，包括盒体3，所述盒体3的一个侧面上设有逐级向内的三个槽，依次为第一级槽、第二级槽和第三级槽，其中，第二级槽位于第一级槽的底部，第三级槽位于第二级槽的底部；在第三级槽的底部安装有介质板；在第二级槽的表面配有内盖板；在第一级槽的表面配有外盖板；即介质板连同其上的微带混合环1和功分器2被密闭在两层盖板的腔体内，两层盖板的设计是为了满足器件在室外工作的环境下防水的要求。

进一步说，第三级槽的深度为6mm。该和差网络装置的工作频段为9.3GHz~9.7GHz。图3所示的和差网络装置共有一个和输入端口，一个差输入端口和八个输出端口，其他的微带线末端与地之间均焊接贴片电阻（电阻型号可根据功率容量的需要选型），用于提高输出端口之间的隔离度和增加网络的耐功率水平。

参见图4，图3所示的和差网络装置在工作频带内各个端口的驻波均小于1.26。

图5为图3所示的和差网络装置在和端口输入模式下的幅度仿真结果图；图6为差端口输入模式下的幅度仿真结果图。与标准值9dB相比，不论是和端口还是差端口输入模式，其幅度均衡性均小于0.3dB。

图7为图3所示的和差网络装置在和端口输入模式下的相位仿真结果图；图8为差端口输入模式下的相位仿真结果图。由图可知，本实用新型在工作频带内各个输出端口的相位误差均在3°以内；参见图9，本和差网络装置在工作频带内各相邻输出端口之间的隔离度均在32dB以下。

Claims (9)

1.一种X波段的和差网络电路，其特征在于：由一个微带混合环（1）、差端口引线（11）、和端口引线（12）、第一输出端口引线（13）、第二输出端口引线（14）和两个功分器（2）构成；

所述微带混合环（1）为一个矩形框，微带混合环（1）的长边长度S是其短边长度的2倍；在微带混合环（1）的一条长边的端部连接有差端口引线（11）；在微带混合环（1）的另一条长边的中部连接有和端口引线（12）；在连接有和端口引线的在微带混合环（1）的长边的两端分别接第一输出端口引线（13）和第二输出端口引线（14）；

所述差端口引线（11）的末端连接有差信号输入端口；所述和端口引线（12）的末端连接有和信号输入端口；所述第一输出端口引线（13）的末端、第二输出端口引线（14）的末端分别与一个功分器（2）相连接。

2.如权利要求1所述的一种X波段的和差网络电路，其特征在于：微带混合环（1）的长边长度S在11至12mm之间；微带混合环（1）的长边和短边的线宽W在0.4至0.5mm之间。

3.如权利要求1所述的一种X波段的和差网络电路，其特征在于：微带混合环（1）的长边长度S等于本和差网络电路的工作波长的二分之一；即由和输入口的输入的信号时，第一输出端口引线（13）输出的信号和第二输出端口引线（14）输出的信号等幅且同相；由差输入口输入信号时，第一输出端口引线（13）输出的信号和第二输出端口引线（14）输出的信号等幅但相位相差180°。

4.如权利要求1、2或3所述的一种X波段的和差网络电路，其特征在于：所述功分器（2）均为Gysel型的功分器。

5.如权利要求1、2或3所述的一种X波段的和差网络电路，其特征在于：所述功分器（2）均为一分四的功率分配/合成器，即功分器（2）的输出信号为四路等幅同相的输出信号。

6.如权利要求1、2或3所述的一种X波段的和差网络电路，其特征在于：微带混合环（1）和功分器（2）均布置在介质板上，所述介质板的型号为Rogers RT/duroid 5880。

7.采用如权利要求1至6所述任一X波段的和差网络电路的器件，包括盒体（3），其特征在于：所述盒体（3）的一个侧面上设有逐级向内的三个槽，依次为第一级槽、第二级槽和第三级槽，其中，第二级槽位于第一级槽的底部，第三级槽位于第二级槽的底部；在第三级槽的底部安装有介质板；在第二级槽的表面配有内盖板；在第一级槽的表面配有外盖板；即介质板连同其上的微带混合环（1）和功分器（2）被密闭在两层盖板的腔体内。

8.如权利要求7所述一种X波段的和差网络器件，其特征在于：第三级槽的深度为6mm。

9.如权利要求8所述一种X波段的和差网络器件，其特征在于：该和差网络器件的工作频段为9.3GHz~9.7GHz。