宽带功率均衡器的匹配电路设计

真空电子技术VA CU U M EL ECT RONIC S#工艺与应用#宽带功率均衡器的匹配电路设计蔡鑫1,王忠勋2,贾宝富2,万德明2(11海军91868部队78分队,海南572016;21电子科技大学应用物理研究所,四川成都610054)Design of Matching Networks for Broadband EqualizerCAI Xin1,WANG Zho ng-x un2,JIA Bao-fu2,WAN De-ming2(1.P LA,N o.91868Par t78Unit,H ainan572016,China;2.I nstitute of A p p lied Phy sics,UES T of China,Chengdu610054,China)Abstract:A sim ple analysis of br oadband m atching netw or ks am ong the reso nator cells of m icrow ave e-qualizer is presented in this paper.T he characteristics of reso nator cell with a thin film resistor loading are crucial for pow er equalizer,at the same tim e,the m atch netw o rks among import,export and the cells of an equalizer is necessar y,as the reso nator cell w ill br ing the mismatch.By analyzing the characteristics of re-sonato r cell,the metho ds of m atch and the co nstr aints of m atch netw orks,it w ill be easy to design an e-qualizer in short time.Base on these analyses,an equalizer o f6~18GH z ar e desig ned.Key words:Broadband equalizer;Resonant branch;M atching netw ork;Constraints of matching摘要:将宽带匹配理论引入功率均衡器的分析,并基于分析设计了一个6~18GH z均衡器的匹配网络。

电阻加载后的谐振枝节特性对均衡器很重要,也正由于该谐振枝节的引入,将引入失匹配,则要对谐振枝和输入输出端口进行匹配。

基于对谐振枝节特性、枝节间匹配网络及匹配约束理论的分析,成功设计了一个频段为6~18GH z的微波均衡器。

关键词:宽带均衡器;谐振吸收枝节;匹配网络;匹配约束中图分类号:TN722,TN751文献标识码:A文章编号:1002-8935(2009)02-0032-03大功率微波管广泛应用于雷达、航天测控、卫星通讯等领域,是国防工业和军事电子装备的关键部件。

作为大功率微波管的核心[1-2],行波管放大器(TW TA)的增益却存在功率波动过大、功率谱畸变、功率低的特性。

而在实际的使用中,行波管放大器的增益需要趋于一致,则有必要在行波管输入端或输出端加均衡网络吸收多余的微波能量[3]。

在实现均衡网络时,常用由加载电阻后的谐振枝节构成的微带结构来实现宽带的功率均衡网络[2,4],这也引入阻抗失匹配,因此分析一个良好的匹配很有必要。

通过大量对电阻加载的谐振枝节的特性和谐振枝节间的匹配结构及其匹配约束的仿真分析和实验[2],设计了基于微带结构,工作频率为6 ~18GH z的微波功率均衡器。

测量结果表明,输入和输出端的匹配良好,同时,与T WT A配对使用时使行波管放大器的增益趋于线性,而且满足集成化的要求。

1枝节特性及宽带匹配加载电阻后的谐振枝节的特性对均衡网络的性能起决定性作用,为了功率良好的传输和器件的使用寿命考虑,输入、输出和各个谐振枝节之间有一个良好的匹配是非常有必要。

匹配的理论只与匹配网络两端特性有关,为形象起见,在下面分析中,将重点关注加载电阻后谐振枝节的输入输出端的匹配问题。

111加载电阻枝节特性由于理论分析与实际电路存有误差和有效介电常数的难于确定的问题,则可利用H FSS(H igh Frequency Structure Sim ulator)高频结果分析软件[5],对谐振枝节进行场分析,可以模拟一个实际的场求解。

考虑到结构的紧凑性,开路枝节谐振器的窄边与微带传输线耦合成为首选。

图1为谐振单元在H FSS中的模型及其等效电路。

当谐振器窄边与微带传输线电耦合时,在现有VAC U U M EL ECT RONIC S真空电子技术的工艺水平下耦合较弱,谐振单元对传输特性产生的影响较小,无法用少数简单的结构达成各种均衡目标。

在实用的均衡网络上较少使用这种结构。

常用的结构是用电阻将谐振器窄边端与微带传输线连接起来[7-8],如图1(a)所示,这时候电阻加载在端边上的谐振单元与微带传输线是强磁耦合的关系。

这样的结构能够提供更多的耦合量,就可以用较少的谐振单元级联达成各种均衡目标。

所以,这种结构的级联是可以应用于宽带功率均衡器的设计。

图1谐振单元模型及其等效电路此时,在输入端口的阻抗为:Z in(X)=Z L(1-X2LC+j X RC)1-X2LC+j X RC+j X Z L C(1)其中,L,C,R分别为谐振单元并联等效电路中的电感、电容、电阻,Z in,Z L分别为负载和输入阻抗,如图1(b)所示。

由式(1),由于谐振吸收枝节的加载,输入输出不再匹配,有必要在两端加载匹配网络。

同时,由于均衡网络常工作在很宽的频域,一个良好的宽带匹配网络的分析设计显得很重要。

112宽带匹配结构分析单个谐振单元无法在带宽和传输系数上同时达到目标[6-8],常将多个谐振单元级联起来构成均衡网络。

但并不是简单的根据目标对各个单元特性进行叠加,还需要考虑到各个基本单元之间的匹配等因素。

在微带电路中,宽带匹配常用枝节匹配器和阻抗变换器,如图2所示。

其中,枝节匹配器带宽较窄,常用于匹配中的调谐;阶梯阻抗变换器带宽较宽,能在较宽的频率内对两端进行匹配,下面将重点对阶梯阻抗变换器进行分析。

阶梯变换器的特性阻抗为:Z l=Z0Z L(2)端口反射系数的模为:|#|=11+[4Z L Z0/(Z L-Z0)2]sec2H(3)式中,H是工作频率中心的电长度,并且H U P/4。

图2微带常用的匹配结构式(2),式(3)显示,在特定的端口反射系数时,阶梯阻抗变换器的电长度范围,即显示出阶梯阻抗变换器基本单元能匹配的带宽。

在实际匹配网络中,匹配结构并不是单个存在,特别是构成宽带匹配网络时,常常多个匹配结构级联,来满足一定逼近函数。

正如滤波器匹配网络的响应一样,宽带均衡器的匹配网络的响应也涵盖有最大平坦响应、切比雪夫响应和椭圆函数式等响应。

其中最为常见的有最大平坦响应和切比雪夫响应。

随着阶数变化,匹配带宽的响应如图3所示。

图3级联匹配结构的响应正如图3所示,最大平坦响应的匹配是在中心频率附近尽可能的匹配完好,切比雪夫响应是在保证一定端口反射系数的前提下尽量使带宽扩展。

需要注意的是,随着阶梯阻抗变换器的阶数增加,匹配结构的尺寸也将增大,这与尺寸的集成化矛盾,需折中考虑。

对于功率均衡器的宽带匹配结构设计,匹配带宽常是非常关键又是难点的指标,同时为保证尺寸小,故响应函数常选择切比雪夫响应。

113匹配约束应用宽带匹配结构构成、具有切比雪夫响应的阻抗匹配网络,来使功率均衡器在工作频带内进行匹配。

若加载电阻后谐振枝节两端的阻抗都是恒定电阻的情况下,匹配带宽不受限制;否则,匹配带宽就要受到一定的限制,这种限制来源于匹配网络散射参数在物理上的可实现性,而散射参数的可实现性同样也受到负载阻抗的牵制。

因此,任何匹配问题都包括匹配的最大容差和匹配的最小带宽,对于它们之间的关系博德、范诺和尤拉作了很多研究[7],可由式(4)表示:QX 2X 1ln 1#d X [P C l R l (4)式中,C l 和R l 为负载等效电容、电阻,|#|为输入端反射系数,X 2,X 1为带宽的上下频率。

2 均衡器设计与分析211 仿真设计基于均衡器的枝节特性和宽带匹配理论的分析,设计了基于微带结构、工作频段为6~18GH z 的微波均衡器。

为了保证尺寸集成化的要求,该均衡器的匹配网络采用了上述两种结构。

设计之初,使用多个阶梯阻抗变换器,对均衡器间各个谐振枝节和输出、输入匹配,各个匹配器构成切比雪夫函数响应;然后,再在均衡器的输入输出端添加枝节匹配器,从而对均衡器进行匹配调谐。

为了缩短设计周期,这些设计都在H FSS 的帮助下进行。

该均衡器实物如图4所示。

图中,均衡器内尺寸为27mm @19mm @10m m,使用介质为Rog er s RT/duroid 5880,其介电常数为2122,厚度为01254m m 。

输出输入接口为SM A -J 。

图4 均衡器的样图212 测试与分析利用Agilent/H P8350B 系列标量网络分析仪对所设计的均衡器进行测试。

将传输函数的测试曲线和目标曲线同在图5描绘,将均衡器两端的端口驻波系数在图6中描绘。

图5 均衡器传输曲线图6 均衡器端口驻波比由图5可以看出:所测均衡器的传输曲线与其要求的目标匹配,即与0801#行波管级联时能使放大器的增益趋于线性。

由图6可以看出:所测均衡器输入输出端的驻波比均小于115,并且在工作带宽内呈波纹状。

这是由于在设计匹配网络时主要选择了切比雪夫的响应函数(为了保证均衡器在宽频带内匹配所做的折中设计,枝节匹配器主要是用于调谐),进而设计出满足客户指标的均衡器。

3 结束语将宽带匹配理论引入功率均衡器的分析设计之中,基于这些分析,设计了一个频段为6~18GH z 的功率均衡器的匹配网络。

电阻加载后的谐振枝节的特性对均衡器至关重要,也正是由于该谐振吸收枝节的引入,将引入失谐,则有必要对谐振枝节和输入输出端口进行匹配。

基于对谐振枝节特性、枝节间匹配网络及匹配约束理论的分析,设计出了一个频段为6~18GH z 微波均衡器的匹配网络。

参考文献[1]周东方,孙广祥,牛忠霞,等1大功率微波均衡器的分析和优化设计[J]1真空电子技术,2000,(2):1-21[2]苏光杰1微波功率模块M PM 的固态驱动模块技术研究[D].电子科技大学,20041(下转第40页)固-液相线区间升温速率,减少装炉量,减轻工装重量或更换部分不锈钢为石墨,减少工装的热容量以提高工件的升温速率。