一种1/4功分器的低功耗改造方法与流程

1.本发明属于微波技术领域，具体涉及一种电路改造技术。


背景技术：

2.随着微波技术在雷达探测、导航控制、电子战、卫星通讯等领域的应用越来越广泛，系统对信号源的输出功率要求越来越高。只有获得足够高的输出功率，才能保证足够好的通讯质量、足够远的传输距离和足够强的抗干扰能力。如果信号源的功率无法增加，天线增益无法提高，就只能在传输链路上想办法了。
3.功分器作为传输链路中的重要组成部分，降低其损耗成为设计中考虑的重要目标之一，传统的降低损耗方式主要是降低传输线的损耗。一种是减小传输线的介质介电常数，通过降低介质损耗来降低功分器损耗。比如同轴或空气板线功分器损耗小于悬浮带状线功分器，悬浮带状线功分器损耗小于低介电常数的介质板功分器，低介电常数的介质板功分器损耗小于高介电常数的介质板功分器。另一种是降低导体损耗，增加体积或表面积。比如同一介电常数的电缆组件，内导体粗的比细的单位长度损耗小，带状线功分器越宽越厚的内导体损耗越小。
4.上述方法在实际应用中，往往受到一定的限制。比如综合层功分器无法使用空气板线或悬浮线，毫米波高频段的功分器无法增加内导体体积或表面积。
5.威尔金森1/2功分器的结构如图1所示，用三个级联实现1/4功分器，如图2所示。其中z0、z1、z2是传输线的特性阻抗，z0长度根据功分器的结构要求和功分器的布局确定， z1和z2的长度一般对应中心频率所对应波长的1/4，在传统降低功分器损耗的方法都不可行的情况下，需要寻找新的方法来降低功分器的损耗，以满足功分器更高的损耗指标要求。


技术实现要素：

6.本发明为了解决现有技术存在的倍频程1/4功分器损耗难以降低的问题，提出了一种1/4 功分器的低功耗改造方法，在介质材料、功分器实现方式、使用频带宽度确定的情况下，通过缩短传输路径的方式降低功分器的损耗，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
7.三个1/2功分器级联组成一个1/4功分器，一级1/2功分器的两个输出端分别连接一个二级1/2功分器的输入端，通盘考虑整个1/4功分器中的阻抗变换，将级联电路等效成二级 1/2功分器的输出隔离电阻r1、二级1/2功分器的输入隔离电阻r2、一级1/2功分器的输出隔离电阻r3、输入和输出阻抗z0、二级1/2功分器的传输阻抗z1、二级1/2功分器的输入阻抗z2、一级1/2功分器的输出阻抗z3、一级1/2功分器的传输阻抗z4的级联，分别在偶模工作模式和奇模工作模式，计算1/4波长对应的传输线阻抗值和电阻值，缩短z1和z2的长度，减少1/4波长对应的传输线，降低1/4波长传输线的损耗，改造级联电路。
8.进一步的，偶模工作模式，任意两个输出端之间的电压等幅同相，电阻r1、r2、r3等效开路，级联电路等效成四个z0、两个z4、两个z3、z2、z1、z0串联的电路，即四节阻抗变换比
4:1的阻抗变换段，根据z0的阻抗值计算z1、z2、z3、z4。
9.进一步的，奇模工作模式，同一个1/2功分器的两个输出端之间的电压等幅反相，电阻 r1、r2中点接地，级联电路等效成z2和二分之一的r2并联后与z1串联、再与二分之一的 r1并联、再与z0串联的电路，按照公式和计算 r1和r2。
10.进一步的，奇模工作模式，不同的1/2功分器的任意两个输出端之间的电压等幅反相，其中一个端口到一级1/2功分器的传输阻抗等效成zl，级联电路等效成两个z4与二分之一的r3并联后与两个z3、zl、z0串联的电路，按照公式和计算 r3。
11.特别的，取输入、输出阻抗z0＝50ω，查表得到归一化阻抗值z1＝1.125、z2＝1.58394、 z3＝1.2626、z4＝1.7778，隔离电阻值r1＝250ω、r2＝100ω、r3＝159ω。
12.进一步的，各阻抗和隔离电阻根据使用需要的调整幅度在
±
10％之间。
13.本发明的有益效果：功分器的传输线长度减少了1/4波长，隔离电阻只有3个，减少了1 个隔离电阻的成本，同时提高了功分器的可靠性，如果不考虑50欧姆传输线的长度，损耗降低1/4，体积缩小1/4，图8所示在1ghz至2ghz的l波段，功分器的损耗为0.2db，相比于传统倍频程1/4功分器降低损耗0.2db，对于大型网络，比如1/64网络，用三个1/4功分器进行级联，可损耗将降低0.6db。
附图说明
14.图1是1/2功分器的结构原理图，图2是1/4功分器的结构原理图，图3是偶模等效电路，图4是同功分器两端口的奇模等效电路，图5是非同功分器两端口的奇模等效电路，图 6是幅度仿真曲线图，图7是驻波和隔离度仿真曲线图，图8是改造前后的损耗仿真曲线图。
15.附图标记：r1-二级1/2功分器的输出隔离电阻、r2-二级1/2功分器的输入隔离电阻、 r3-一级1/2功分器的输出隔离电阻、z0-输入和输出阻抗、z1-二级1/2功分器的传输阻抗、 z2-二级1/2功分器的输入阻抗、z3-一级1/2功分器的输出阻抗、z4-一级1/2功分器的传输阻抗，p0-输入端、p1、p2、p3、p4-输出端，1-幅度在1ghz的数值、2-幅度在2ghz的数值， 3-输出端p1到p2或者p3到p4之间的隔离度曲线，4-任意输出端之间的驻波反射曲线，5
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输出端p0的驻波反射曲线，6-改造后的功分器损耗曲线，7-改造前的功分器损耗曲线。
具体实施方式
16.以下结合附图对本发明的技术方案做具体的说明。
17.将级联电路等效成二级1/2功分器的输出隔离电阻r1、二级1/2功分器的输入隔离电阻 r2、一级1/2功分器的输出隔离电阻r3、输入和输出阻抗z0、二级1/2功分器的传输阻抗 z1、二级1/2功分器的输入阻抗z2、一级1/2功分器的输出阻抗z3、一级1/2功分器的传输阻抗z4的级联，如图2所示。
18.偶模工作模式，任意两个输出端之间的电压等幅同相，电阻r1、r2、r3等效开路，级联电路等效成四个z0、两个z4、两个z3、z2、z1、z0串联的电路，如图3所示，即四节阻抗变换
比4:1的阻抗变换段，根据z0的阻抗值计算z1、z2、z3、z4。
19.奇模工作模式，同一个1/2功分器的两个输出端之间的电压等幅反相，电阻r1、r2中点接地，级联电路等效成z2和二分之一的r2并联后与z1串联、再与二分之一的r1并联、再与z0串联的电路，如图4所示，按照公式和计算r1和r2。
20.奇模工作模式，不同的1/2功分器的任意两个输出端之间的电压等幅反相，其中一个端口到一级1/2功分器的传输阻抗等效成zl，级联电路等效成两个z4与二分之一的r3并联后与两个z3、zl、z0串联的电路，如图5所示，按照公式和计算 r3。
21.取输入、输出阻抗z0＝50ω，计算1/4波长对应的传输线阻抗值和电阻值，缩短z1和z2 的长度，减少1/4波长对应的传输线，降低1/4波长传输线的损耗，查表得到归一化阻抗值 z1＝1.125、z2＝1.58394、z3＝1.2626、z4＝1.7778，隔离电阻值r1＝250ω、r2＝100ω、r3＝159 ω。
22.假设选择的板材介电常数为2.94，厚度为1mm，带状线腔高按2mm计算，则电路长度和线宽具体如下表所示。
23.序号名称归一化阻抗对应线宽1/4波长长度备注1z0501.3mm根据电路端口位置设定 2z11.1251.05mm29mm 3z21.583940.5mm29mm 4z31.26260.83mm29mm 5z41.77780.37mm29mm [0024] 进行电路仿真优化和设计，使用频段为1ghz到2ghz，如图6所示，幅度在1ghz的数值1到幅度在2ghz的数值2，起伏0.1db。
[0025]
输出端p1到p2或者p3到p4之间的隔离度曲线3、任意输出端之间的驻波反射曲线4、输出端p0的驻波反射曲线5均在-20db以下，如图7所示，满足倍频程1/4功分器的使用要求。
[0026]
仿真结果如图8所示，在1ghz～2ghz的l波段改造后的功分器损耗曲线6比改造前的功分器损耗曲线7降低损耗0.2db。
[0027]
上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。