阅读说明：本技术 一种超宽带奇等功分电路及设计方法 (Ultra-wideband odd-equal power dividing circuit and design method ) 是由 夏一生 沈喜生 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超宽带奇等功分电路及设计方法,包括：等相功分单元、非等相功分单元以及等相合成单元；具体步骤为：第一步利用等阻抗匹配先进行第一级一分二等功率分配；第二步是利用高低阻抗匹配的方式将第一级等功分支路按照接近1:2的阻抗比不等功分；第三步是将不等功分的两支路对应的高阻抗分路再进行低阻抗匹配合成,完成最终的三等功分输出。本发明利用等功分/不等功分网络组合和级联高低阻抗匹配的方式实现信号功率的奇等功分,针对不同频率信号的耐功率需求,可以选择不同微波基板或电路形式,满足大功率信号散热需求。本发明首次采用高低阻抗匹配的方式实现功率分配和合成电路的设计需求。(The invention discloses an ultra-wideband odd-equal power dividing circuit and a design method thereof, wherein the design method comprises the following steps: the equal phase power dividing unit, the unequal phase power dividing unit and the equal phase synthesizing unit; the method comprises the following specific steps: firstly, first-stage second-stage power distribution is carried out by utilizing equal impedance matching; secondly, the first-stage equal power division branch is subjected to unequal power division according to the impedance ratio close to 1:2 by using a high-low impedance matching mode; and thirdly, performing low impedance matching synthesis on the high impedance branches corresponding to the two branches with unequal power division to finish the final output of the three equal power division. The invention realizes odd equal power division of signal power by using an equal power division/unequal power division network combination and a cascading high-low impedance matching mode, can select different microwave substrates or circuit forms aiming at the power resistance requirements of different frequency signals, and meets the heat dissipation requirement of high-power signals. The invention realizes the design requirement of the power distribution and synthesis circuit by adopting a high-low impedance matching mode for the first time.)

一种超宽带奇等功分电路及设计方法

技术领域

本发明属于微波电磁系统中的功率分配和合成领域，涉及一种超宽带奇等功分电路及设计方法。

背景技术

近年来，随着微波探测、电磁兼容测试等领域的飞速发展，高性能、功率探测和发射系统的需求越来越高。作为微波电磁系统的关键部件，基于功率分配和合成的功率放大器技术已经逐渐成熟并开始应用到民用电磁设备的发射系统中。为了实现超宽带、高功率输出，除了使用功率较高的GaN芯片单元以外，考虑多路功率分配/合成是需要考虑的关键方法之一，而在合成过程中，特别是针对18GHz以下的射频信号的合成及耐功率，将面临组件的各组成部分的耐功率水平和可靠性问题。因此，放大器的合成效率和散热指标性能，一直是较为关注的对象，如何实现最有效的功率分配和合成尤为关键。

发明内容

本发明目的在于提供一种电路拓扑简单，结构设计简便，工艺实现难度小的超宽带奇等功分电路设计方法，相比常规使用扇形和偶等功分匹配电路设计，本设计电路具备覆盖射频带宽更宽、***损耗小、功率合成效率更高、幅相一致性更好、耐受功率更强等优势。

实现本发明目的的技术解决方案是一种超宽带奇等功分电路，包括：

等相功分单元：接收输入微波射频信号(端口A进入)，经过二等功分单元，将输入信号等相输入至后端的非等相单元的端口B和端口C；

非等相功分单元：非等相功分单元输入端口B接收等相功分单元输出的微波射频信号，利用高低阻抗微波电路匹配，即利用多节阻抗变换电路实现信号功率配比约1:2输出，分别传输至端口D和端口E；

非等相功分单元：非等相功分单元输入端口C接收等相功分单元输出的微波射频信号，利用高低阻抗微波电路匹配，即利用多节阻抗变换电路实现信号功率配比约1:2输出，分别传输至端口D和端口G；

等相合成单元：将两个非等相功分单元输出信号功率占总功率的1/6(理想情况下)的端口，利用高低阻抗过渡匹配和多节阻抗变换实现功率合成并作为第三支路最终输出，满足输出功率一分三等相等幅输出要求。

进一步，该电路具备功率等分输出，微波信号在18GHz射频频率以下***损耗小于1.5dB，驻波比≤1.8，三输出支路相位一致性≤±8°。

本发明的方法的技术方案为：一种超宽带奇等功分电路的设计方法，包括以下步骤：第一步利用等阻抗匹配先对奇等功分电路进行第一级一分二等功率分配；第二步是利用高低阻抗匹配的方式将第一级等功分支路的阻抗比不等功分；第三步是将不等功分的两支路对应的高阻抗分路再进行低阻抗匹配合成，完成最终的三等功分输出。

进一步，上述方法的具体过程为：将奇等功分电路的输入端口A接收输入微波信号，利用等阻抗匹配将射频信号均等分配到B、C两个端口，信号从B端口进行高低阻抗匹配，其中输出至端口E的阻抗和至端口D的阻抗比值约为1:2；于此同时，信号从C端口进行高低阻抗匹配，其中输出至端口G的阻抗和至端口D的阻抗比值约为1:2，将两高阻抗电路在D端口进行等阻抗匹配合成，并输出至端口F，经过仿真和模型匹配计算，保证E、F、G三个端口信号奇等功率输出。

本发明具有以下有益效果：

1、超宽带低损耗高效电路：基于偶等功分匹配电路和扇形一分三等功率分配网络很难覆盖超宽带带宽，且威尔金森***损耗较大，扇形一分三等功率分配网络的相位一致性能欠佳。相比而言，本发明采用的一分二等功分和不等功分组合的方式，采用渐变变阻的方式，在不需要隔离电阻的情况下，减小功分电路的***损耗，利用高低阻抗电路等功率匹配实现第三支路的合成输出，利用电路补偿实现三个支路的相位匹配，保证相位的一致性性能。本发明可以有效的提高合成电路的频率带宽和合成效率。

2、强耐功率性：本发明设计的一分三等功率分配网络可适用于18GHz以下的功率分配和合成，针对较高功率合成使用场合，本发明提出的一分三等功率网络可通过介电常数较小，Q值较高的带状电路或准波导的腔体电路，可进一步降低损耗，减小电路的热沉积，提高合成电路的耐功率性能。

3、低研制成本：本发明中采用的功率合成电路形式简单、设计巧妙、研制成本较低。

4、可扩展功能：本发明采用的一分三奇等功分电路，可以兼顾功率分配和合成功能，通过逐级增加隔离电阻，还可应用于小功率射频信号功分/合成功率使用，且基于此一分三等功率分配/合成电路可扩展为6路/12路等更多路奇等功率功分/合成电路应用。

本发明提出一种超宽带奇等功分电路设计方法，利用等功分/不等功分网络组合和级联高低阻抗匹配的方式实现信号功率的奇等功分，针对不同频率信号的耐功率需求，可以选择不同微波基板或电路形式，满足大功率信号散热需求。本发明首次采用高低阻抗匹配的方式实现功率分配和合成电路的设计需求，其具有电路拓扑简单，制造工艺易实现，工作频率带宽宽、***损耗小等优势特征。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，以下提供方案的简易示意附图进一步说明。

图1扇形一分三合成电路拓扑结构图；

图2基于偶等功分匹配负载的一分三合成电路设计图；

图3任意功率分配原理图；

图4基于高低阻抗匹配的一分三奇等功分电路设计图。

图5为本发明实施例的超宽带奇等功分电路；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

针对不同的电路设计需求，不等功分和合成技术使用广泛，目前，针对奇等功率分配的方法有：(1)利用扇形直接一分三功分网络，如图1扇形一分三功分电路拓扑结构图所示；(2)利用3个威尔金森功分级联设计的一分四偶等功分匹配电路网络，将其中一路接负载匹配，实现一分三功分网络，如图2基于偶等功分匹配负载的一分三功分电路设计图所示。这两种方法的主要问题有：扇形直接一分三功分和网络虽然尺寸插损都较小，但有一路隔离度较差(一和三输出支路无法隔离)，各端口间的相位一致性较大，且很难实现超高带宽内的高性能信号传输；基于偶等功分匹配负载的一分三功分电路幅相一致性也较弱，且采用威尔金森功分电路加匹配负载的一分三功分网络较未加匹配负载的插损大，且接负载匹配容易影响其它端口的幅相一致性，需调节匹配端口位置降低影响。上述两种方法1和方法2的电路实现低插损和各支路的等幅相一致性奇等功分/合成网络传输性能的能力有限，若用于功率放大器的多路合成，其合成效率和最终输出功率都会受到影响，即针对宽带或超宽带平面电路，此方法很难实现低损耗、高效率功率合成。

本发明提出了一种超宽带奇等功分电路的设计方法，如图3所示，利用不等分和等分的一分二功分器级联设计，通过多级不等阻抗比匹配实现一分三等功率输出设计。

本发明提出一种超宽带奇等功分电路的设计方法，其主要基于特性阻抗的不等比值实现功率配比输出，附图3所描述为任意功分比的功分器原理图。以电压信号概述功率信号特征，假设端口1无反射，端口2和端口3等压同相输出，端口2和3的输出功率比为1：K，其中K为任意指定值。根据两段分支微带线电长度L为λ/4，输出端匹配负载为R₁和R₂，设R₁＝K*Z₀，由传输线理论公式可得：

R₂＝Z₀/K (1)

其中，输入特性阻抗Z₀为50Ω。

如附图4-5所示，整个一分三电路由两个等分和两个不等分电路组成，其中接收输入微波射频信号(端口A进入)，经过二等功分电路，将输入信号等相输入至后端的非等相电路的端口B和端口C；

非等相功分电路输入端口B接收等相功分电路输出的微波射频信号，利用高低阻抗微波电路匹配，即利用多节阻抗变换电路实现信号功率配比约1:2输出，分别传输至端口D和端口E；

非等相功分单元输入端口C接收等相功分单元输出的微波射频信号，利用高低阻抗微波电路匹配，即利用多节阻抗变换电路实现信号功率配比约1:2输出，分别传输至端口D和端口G；

将两个非等相功分单元输出信号功率占总功率的1/6(理想情况下)的端口，利用高低阻抗过渡匹配和多节阻抗变换实现功率合成并作为第三支路最终输出，满足输出功率一分三等相等幅输出要求。

在占有总功率的1/6(理想情况下)的两个输出端口合成为一路电路时，需要在合成路的最末端电路仿真匹配电长度，保证三个支路的相位一致性，以提高功率合成效率。

本发明提出了一种超宽带奇等功分电路设计方法，针对奇等功率分配，提出一种新的耐受功率较大的功分网络，该网络广泛用于宽带功率器件功率分配和合成使用，本发明以一分三等功率分配为例，介绍奇等功分实现方法。区别于传统N路功分设计方法，此一分三等功分电路采用功分和合成级联合成的方式，采用两级级联设计，第一级和第二级分别采用1:1等功分和1:2不等功分结合匹配的方法，整个电路的实现过程主要分为几个步骤：第一步利用等阻抗匹配电路先进行第一级一分二等功率分配；第二步是利用高低阻抗匹配的方式将第一级等功分支路按照接近1:2的阻抗比不等功分；第三步是将不等功分的两支路对应的高阻抗分路再进行低阻抗匹配合成，完成最终的三等功分输出。一分三电路拓扑如下图，详述如下。

所述的奇等功率分配器的输入端口A接收输入微波信号，利用等阻抗匹配将射频信号均等分配到B、C两个端口，信号从B端口进行高低阻抗匹配，其中输出至端口E的阻抗和至端口D的阻抗比值约为1:2；于此同时，信号从C端口进行高低阻抗匹配，其中输出至端口G的阻抗和至端口D的阻抗比值约为1:2，将两高阻抗电路在D端口进行等阻抗匹配合成，并输出至端口F，经过仿真和模型匹配计算，保证E、F、G三个端口信号奇等功率输出。本发明提出一种超宽带奇等功分电路设计方法，利用高低阻抗匹配的方式实现信号功率的奇等合成，针对不同频率信号的耐功率需求，可以选择不同微波基板或电路形式，满足较高功率传输散热需求。本发明首次采用多级高低阻抗匹配的方式实现大功率放大器功率合成的设计需求，其具有电路拓扑及设计简单，制造工艺简便，工作频率带宽宽、耐受功率强、***损耗小、多路信号幅相一致匹配传输难度低等特点b。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。