新型微波定向耦合器及Gysel功率分配器设计

发布时间：2020-04-12 10:27

【摘要】：现代无线通信系统的飞速发展,促使射频电路对微波器件的性能要求越来越高。工作在多个频段或集成多种功能的微波器件可以精简电路结构、降低损耗,因此高性能微波器件的研究成为设计领域的热点。作为微波网络的关键组成部分,耦合器和功率分配器具有功率分配或合成的功能,广泛应用于各种射频电路设计中。定向耦合器具有无耗互易以及所有端口均匹配的特点,不但可以用于天线阵的馈电网络设计,还可以应用于功率合成放大器中以增加设计自由度和提升输入、输出反射系数。Gysel功分器在Wilkinson功分器的基础上改进了结构,解决了功分器不能充分散热的问题,为高功率应用场景中的功率分配及合成提供了解决方案。本文针对微波电路的应用趋势和设计热点,对定向耦合器和Gysel功率分配器的优化结构进行探索,并将其与微波新技术相结合设计了具有优越性能的定向耦合器以及Gysel功率分配器。论文中取得的成果和研究工作可概括如下:1.提出了双频带小型化的3 dB定向耦合器以及具有谐波抑制功能且以大功分比输出的定向耦合器。首先,通过研究Π形传输线结构产生双频特性的机理以及双传输线结构的小型化原理,将二者结合提出了π形双传输线模型,将其应用于传统耦合器中可以得到同时工作在两个频带的小型化3 dB定向耦合器。其次,通过分析T型结构传输线中并联开路枝节对传输零点的影响,结合双边平行带线技术在相同微带线宽时可以实现高阻抗的特点,设计了兼有谐波抑制功能、大功率分配比输出以及结构小型化的定向耦合器。最后通过两款定向耦合器的仿真、加工和测试说明了其性能优势。2.设计了一款双频带大功率分配比输出的Gysel功分器和一款四频带Gysel功分器。首先,文中以传统两路输出Gysel功分器为基础,在两个负载端口之间的传输线上加载3个并联开路枝节得到了具有双频特性的Gysel功分器。还研究了缺陷地板结构及其通过提高微带线电抗分量从而提升阻抗的特点,设计了新型DGS结构并加载到双频功分器中,获得了大功分比输出的双频带Gysel功分器。其次,文中还分析了终端短路耦合线的镜像阻抗和插入相位,结合奇偶模阻抗比推导了耦合线电长度的四个解,以多组耦合线构成π形网络来调整相位,提出的新型阻抗变换器可在三个设计频点和一个关联频点上同时实现阻抗变换功能和±90°的相移,基于此设计了四频带Gysel功分器。最后通过两款Gysel功率分配器的仿真、加工和测试对上述设计理论进行了验证。3.提出了以任意功分比输出功率的单频带Gysel功分器的推广结构。文中以传统单频带Gysel功率分配器为基础,打破传输线长度固定于λ/4的限制,首次采用电长度和特征阻抗同时可调的传输线设计了一般性的Gysel功分器。采用改进的奇偶模分析方法,推导了电路的闭式设计方程,结果表明传统的单频带Gysel功分器的设计方程仅为本文提出的设计方程的特解,从理论上说明了本文提出的这款Gysel功分器具有一般性结构,是传统Gysel结构的推广。由于引入了更多设计参数,基于此结构设计的单频带Gysel功分器在实现不等功率分配比输出时可选择方案多、灵活性高且结构简单,这在传统设计中是很难实现的。相较于采用复杂技术实现大功率分配比输出的其他功分器结构,文中提出的推广结构更适合于高功率应用场景。文中加工了两个以不同功率分配比输出的Gysel功分器,验证了设计理论的正确性且实物测试结果说明了该模型的优越性能。4.将单频Gysel功分器的推广结构扩展到双频应用中,设计了频率比大于3的双频带Gysel功分器。文中将单频带Gysel功分器的推广结构与任意线长传输线的π形等效结构相结合实现了双频应用的扩展。通过对传输线特征阻抗以及电长度等参数的研究,展示了可实现的输出功率分配比和频率比范围,说明所设计的双频带Gysel功分器可以同时实现大功率分配比输出及大频率比输出。基于理论模型文中还加工了两款以不同功率分配比和频率比输出的Gysel功分器,实物测试结果说明提出的模型具有优越的性能。
【图文】：

波导定向耦合器,文献,阻带,枝节

3(a) (b)图1.1 文献[4]中的波导定向耦合器图1.2 文献[11]中的耦合传输线定向耦合器在耦合器理论发展较为成熟后，近十年来，国内外学者对具有各种特定功能的耦合器进行了深入研究，这些功能包括谐波抑制、宽频带、多频带及结构小型化等[18]-[34]。要实现谐波抑制特性，主要是在工作频率以外不需要的谐波处产生阻带。目前广泛使用的产生阻带的方法主要有两种，，第一种是加载并联开路枝节[18]-[22]，在以并联开路枝节的长度为四分之一波长的对应频率处产生阻带，阻带带宽可以通过调节并联枝节的电长度和特征阻抗来控制。文献[18]中详细讨论了 π 形结构传输线中并联枝节的带阻特性以及调节传输零点和阻带带宽的方法。采用构造的 π 形结构传输线替换耦合器中的每一段分支线，设计出具有谐波抑制功能的Rat-Race耦合器

耦合传输线,定向耦合器,文献,阻带

(a) (b)图1.1 文献[4]中的波导定向耦合器图1.2 文献[11]中的耦合传输线定向耦合器在耦合器理论发展较为成熟后，近十年来，国内外学者对具有各种特定功能的耦合器进行了深入研究，这些功能包括谐波抑制、宽频带、多频带及结构小型化等[18]-[34]。要实现谐波抑制特性，主要是在工作频率以外不需要的谐波处产生阻带。目前广泛使用的产生阻带的方法主要有两种，第一种是加载并联开路枝节[18]-[22]，在以并联开路枝节的长度为四分之一波长的对应频率处产生阻带，阻带带宽可以通过调节并联枝节的电长度和特征阻抗来控制。文献[18]中详细讨论了 π 形结构传输线中并联枝节的带阻特性以及调节传输零点和阻带带宽的方法。采用构造的 π 形结构传输线替换耦合器中的每一段分支线，设计出具有谐波抑制功能的Rat-Race耦合器
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN626

【参考文献】