一種短波寬帶七路同相功率合成器的設(shè)計(jì)

羅良金，任曉飛，李文超

(中國電波傳播研究所，青島 266107)

一種短波寬帶七路同相功率合成器的設(shè)計(jì)

羅良金，任曉飛，李文超

(中國電波傳播研究所，青島 266107)

摘要：分析了傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)特性，通過多級傳輸線網(wǎng)絡(luò)組合，實(shí)現(xiàn)了短波寬帶七路同相功率合成器。該合成器在工作頻帶1.5～30 MHz范圍內(nèi)，具有阻抗平穩(wěn)、低插入損耗、高隔離度的特點(diǎn)，實(shí)際測試結(jié)果表明：合成器最大插損小于0.4 dB，各端口幅度不一致性小于0.2 dB，相位不一致性小于1°，能夠?qū)崿F(xiàn)無失真功率輸出。

關(guān)鍵詞：功率合成器；傳輸線變壓器；混合網(wǎng)絡(luò)

0引言

當(dāng)前波束合成技術(shù)是雷達(dá)、通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，在現(xiàn)有的體系架構(gòu)下有數(shù)字波束合成與模擬合成2種類型。模擬波束合成具有接收信號無失真、合成波束可共用的特點(diǎn)，目前在一些場合具有重要的使用價(jià)值。在模擬波束合成中，同相功率合成器是構(gòu)成波束合成網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其多為無源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一個(gè)理想的功率合成電路應(yīng)滿足功率相加條件和隔離條件。傳輸線變壓器構(gòu)成的混合網(wǎng)絡(luò)可以滿足這2個(gè)條件，并且傳輸線變壓器體積小、結(jié)構(gòu)簡單、頻帶寬、損耗小，因而傳輸線變壓器構(gòu)成的混合網(wǎng)絡(luò)是功率合成電路的重要形式之一[1]。

同相功率合成器多為2路等功率合成或以其為基本組成單元的2n路等功率合成。目前很少有專門介紹七路同相功率合成器設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)資料。本文分析傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)特性，以傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)為基本單元，通過多級組合設(shè)計(jì)了一種短波寬帶七路同相功率合成器。

1傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)

傳輸線變壓器是把一對以上的互相絕緣的雙導(dǎo)線均勻地并繞或絞繞在一個(gè)鐵氧體磁環(huán)上，把線的兩端適當(dāng)連接而成[2]。圖1是其典型電路原理圖。

圖1　傳輸線變壓器電路原理圖

圖2　傳輸線變壓器D端激勵(lì)

圖3　傳輸線變壓器B端激勵(lì)

根據(jù)圖2列出如下方程：

kU+U=IARA

(1)

(2)

聯(lián)立式(1)、(2)，解得：

(3)

D端輸入時(shí)，平衡端口A無輸出， IA=0，由式(3)知，只有RB-kRC=0時(shí)，IA=0，即：

RB=kRC

(4)

把IA=0代入式(1)、(2)得:U=0，即B、D、C3點(diǎn)等電位，相當(dāng)于短路。由于RD是電源內(nèi)阻，對電源來說負(fù)載電阻為RB、RC并聯(lián)。為獲得最大功率輸出，則：

(5)

式(4)代入式(5)，得：

(6)

信號源輸出功率為：

(7)

(8)

(9)

PB+PC=PD

(10)

由式(10)知，D端輸入功率傳到了B、C端，而且B、C端的功率之和等于D端的功率。傳輸線變壓器利用這種特性可以構(gòu)成不等功率分配或合成。

根據(jù)圖3列出如下方程：

kU+U=IARA

(11)

(12)

B端輸入時(shí)，C端口無輸出， IA-I=0，即：

IA=I

(13)

將式(6)、(11)、(13)代入式(12)解得：

(14)

通過對傳輸線變壓器的分析知傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)滿足功率相加條件和隔離條件，而且其4個(gè)端口中的3個(gè)端口同相，與輸入端隔離的端口必與其它3個(gè)端口反相。

D端的輸入阻抗為：

(15)

(16)

將式(16)代入式(15)得：

(17)

當(dāng) RB=Rc=50Ω時(shí)，RD=25Ω。

2合成器設(shè)計(jì)

因?yàn)槔脗鬏斁€變壓器混合網(wǎng)絡(luò)的特性可以進(jìn)行不等功率的分配或合成，所以設(shè)計(jì)七路同相功率合成器可以采用傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)分級合成方式進(jìn)行。考慮對稱性，本文采用兩極合成的方式。第1級由2次二路等功率合成一路信號和1次三路等功率信號合成一路信號組成。第2級由1次三路不等功率合成一路信號組成。為了減少阻抗失配引起的損耗，在第1、2級之間，第2級與輸出級之間進(jìn)行阻抗變換。傳輸線變壓器的線圈間會(huì)有漏感，為了補(bǔ)償高頻特性，實(shí)際電路中還應(yīng)加入電容與漏感構(gòu)成諧振回路。為了滿足合路器工作頻率范圍1.5～30 MHz的要求，以及考慮合路器的對稱性，構(gòu)成傳輸線變壓器的磁芯選擇磁導(dǎo)率為1 000的雙孔磁芯[4-8]。

圖4為七路同相功率合成原理圖，圖5為七路同相功率合成框圖。

圖4　七路同相功率合成原理圖

圖5　七路同相功率合成框圖

2.1　變壓器匝數(shù)及隔離電阻設(shè)計(jì)

七路同相功率合成器包含7種傳輸線變壓器。其中T1、T2、T4、T5變壓器實(shí)現(xiàn)功率合成，T3、T6、T7實(shí)現(xiàn)阻抗變換。具體而言，T2、T4實(shí)現(xiàn)等功率合成，所以線圈匝數(shù)比均為1∶1；T1、T5是不等功率合成，根據(jù)功率比可以推出T1的線圈匝數(shù)比為1∶2，T5的線圈匝數(shù)比為3∶4；根據(jù)阻抗比可以推出T3的線圈匝數(shù)比為7∶5，T6的線圈匝數(shù)比為2∶1，T7的線圈匝數(shù)比為7∶4。

R=50 Ω，由公式(6)、(14)可以推出平衡電阻R1=100 Ω、R2=150 Ω、R3=67 Ω、R4=117 Ω、R5=58 Ω。

2.2　印制板設(shè)計(jì)

印制板長28 cm，寬11.8 cm，板厚0.2 cm，板的介電常數(shù)4.6，圖6為七路等功率合成印制板圖。A面是元件和連線，B面是接地層和焊盤。為了保證幅度、相位的一致性，各輸入到輸出之間的路徑要盡量保證一致。

圖6　七路等功率合成印制板圖

3實(shí)測結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)電路焊接好所需元器件后，用網(wǎng)絡(luò)分析儀對實(shí)際電路進(jìn)行了駐波比、隔離度、插入損耗、幅度和相位一致性的調(diào)試測試，為了改善高頻特性，加了C1～C4電容，C1=27 PF，C2=22 PF，C3=47 PF，C4=56 PF，表1～表6為實(shí)際測試數(shù)據(jù)。

表1　七路同相功率合成器駐波比

表2　七路同相功率合成器隔離度

需要注意：表4、表5中頻率單位為MHz，1、2、3、4、5、6、7分別對應(yīng)為輸入1-輸出、輸入2-輸出、輸入3-輸出、輸入4-輸出、輸入5-輸出、輸入6-輸出、輸入7-輸出通道。

表3　七路同相功率合成器插入損耗

表4　七路同相功率合成器幅度

表5　七路同相功率合成器相位

表6　七路同相功率合成器幅度、相位不一致性

本文設(shè)計(jì)的七路同相功率合成器通過實(shí)際測試，其工作頻帶在1.5～30 MHz范圍內(nèi)，駐波比小于1.2，隔離度大于30 dB，插入損耗小于0.4 dB，幅度不一致性小于0.2 dB，相位不一致性小于1°。

4結(jié)束語

本文采用傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)方式設(shè)計(jì)出了一種短波寬帶七路同相功率合成器，其在整個(gè)短波波段內(nèi)具有較低的駐波比和插入損耗，較高的隔離度以及較好的幅相一致性，實(shí)現(xiàn)了七路等幅同相信號的功率合成，對短波波束合成技術(shù)應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]吳恒恒.傳輸線變壓器相位補(bǔ)償技術(shù)及其應(yīng)用[J].微波學(xué)報(bào)，2009,25(5):51-55.

[2]王元坤，李玉權(quán).線天線的寬頻帶技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1995.

[3]睦聿文.同相功率合成網(wǎng)絡(luò)的特性研究[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001,36(6):71-73.

[4]張紀(jì)綱.射頻鐵氧體寬帶器件[M].北京:科學(xué)出版社，1984.

[5]董書佩，郝樹田.共用天線電視系統(tǒng)[M].北京:人民郵電出版社，1984.

[6]周楊.超寬帶高功率合成器的設(shè)計(jì)研究[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008,25(5):528-530.

[7]戴賓.功率相位合成技術(shù)在衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2011(6):54-57.

[8]高雪.寬帶傳輸線變壓器的分析與設(shè)計(jì)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2001,16(4):447-449.

Design of A Shortwave Wideband 7-channel In-phase Power Synthesizer

LUO Liang-jin，REN Xiao-fei，LI Wen-chao

(China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107,China)

Abstract:This paper analyzes the characteristics of mixed network for transmission line transformer,realizes the shortwave wideband 7-channel in-phase power synthesizer by means of multiple transmission line net combination.The power synthesizer has the characteristics of steady impedance,smaller insert loss,higher isolation in operating frequency band of 1.5~30 MHz.The practical test results show:for the synthesizer,the max insert loss is less than 0.4 dB,amplitude uniformity of each port is less than 0.2 dB,phase uniformity is less than 1°,which can realize the distortionless of power output.

Key words:power synthesizer;transmission line transformer;mixed network

收稿日期:2015-01-13

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.025

中圖分類號：TN73

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)03-0090-05