一種新型小體積均衡器的設(shè)計和運用

　　1 引言

　　行波管和大功率固態(tài)功率放大器作為雷達、干擾機的核心，其技術(shù)水平?jīng)Q定了這些裝備的戰(zhàn)術(shù)性能，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的關(guān)鍵技術(shù)。但行波管和大功率固態(tài)功率放大器在工作頻段內(nèi)往往存在較大的增益波動，不能達到武器裝備的要求。目前大都采用引入均衡網(wǎng)絡(luò)的方法來解決這個問題，這個網(wǎng)絡(luò)的特性恰好與信號的畸變特性相反，這樣就可以使信號不發(fā)生幅度畸變，插入的這個網(wǎng)絡(luò)就是功率均衡器。

　　由于微帶枝節(jié)型均衡器具有體積小和高可靠性的優(yōu)點，所以在微波頻段得到了廣泛的運用，但是由于該結(jié)構(gòu)均衡器將電阻直接加載在了主傳輸線上，使得電路的反射大大增加，而且引入了較大的高端插損。本文提出了一種新穎的均衡器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)均衡器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的優(yōu)點，和傳統(tǒng)枝節(jié)型均衡器相比，駐波系數(shù)和高端插損都有較大改善。

　　2 物理模型

　　一個均衡器實際上是由多個陷波器構(gòu)成，從而實現(xiàn)我們需要的衰減曲線，因此，我們從單個陷波器出發(fā)，來分析均衡器的工作原理。如圖1所示，是一個單枝節(jié)陷波器的電路模型及其頻率響應特性，圖1(b)中

、

分別代表頻率響應特性的上下截止角頻率，通過調(diào)節(jié)L和C，可以調(diào)節(jié)該陷波器的中心頻率，而調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻R，可以調(diào)節(jié)陷波器的Q值，從而實現(xiàn)對衰減大小和陷波器的工作頻段的調(diào)節(jié)。

　　我們將多個接地諧振回路級聯(lián)起來，形成級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的T矩陣與各個諧振枝節(jié)T矩陣的關(guān)系如下：

(1)

　　再由T矩陣和S矩陣的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的S矩陣。如果每級陷波器的輸入輸出都是匹配的，則級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的s21可以寫為：

(2)

　　根據(jù)級數(shù)展開理論，用無限多的陷波器子結(jié)構(gòu)相級聯(lián)，可以合成任意的響應特性波形。

　　圖1 (a)陷波器電路模型

　　圖1 (b)陷波器頻率響應特性

　　因此，以諧振枝節(jié)加電阻陷波器單元作為均衡器子結(jié)構(gòu)，然后通過級聯(lián)的方式，實現(xiàn)均衡器的設(shè)計。通過調(diào)整各子結(jié)構(gòu)的諧振頻率和Q值從而逼近我們所需要的均衡曲線。

　　3 均衡器的設(shè)計

　　3.1 傳統(tǒng)枝節(jié)均衡器

　　如圖所示為傳統(tǒng)枝節(jié)型均衡器的電路拓撲圖，該結(jié)構(gòu)均衡器以λ/4開路枝節(jié)作為諧振枝節(jié)，加電阻構(gòu)成陷波單元，電路左端和右端加匹配電路，由于電阻是直接加載在主傳輸線上，所以造成該均衡網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出阻抗發(fā)生變化，因此兩邊需要添加匹配網(wǎng)絡(luò)才能使駐波基本達到要求，而且用該結(jié)構(gòu)設(shè)計的均衡器高端插損也很大。

　　圖2 枝節(jié)型均衡器電路拓撲圖

　　3.2 新結(jié)構(gòu)均衡器子結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　圖3是本文所提出的新結(jié)構(gòu)均衡器的陷波器子結(jié)構(gòu)，諧振器位于主傳輸線的正下方，由通孔和主傳輸線相連，在靠近通孔處加電阻，諧振器和接地板間留有0.3mm的縫隙，由于諧振器和主傳輸線是由通孔直接相連，二者之間存在寬邊耦合，因此該結(jié)構(gòu)諧振器具有強耦合特性，并且不會像傳統(tǒng)開路枝節(jié)一樣占用太多的空間。

　　圖3 新結(jié)構(gòu)陷波器模型

　　根據(jù)所要求的頻率衰減特性，我們采用RF60介質(zhì)基板，厚度為0.635mm，通孔直徑為0.5mm。

　　圖4為改變諧振枝節(jié)的長度和電阻的大小時的頻率仿真曲線，可見當增大電阻時，陷波器的Q值減小，而減小諧振器的長度時，陷波器的中心頻率升高。所以可以通過改變諧振器的長度和電阻的大小，實現(xiàn)對中心頻率和Q值的調(diào)節(jié)，所以該結(jié)構(gòu)能夠達到均衡器子結(jié)構(gòu)的要求。

　　圖4 (a)諧振器長度對S21的影響

　　圖4 (b)電阻大小對S21的影響

　　3.3 新結(jié)構(gòu)均衡器設(shè)計和仿真結(jié)果

　　根據(jù)需要，我們采用三個陷波子結(jié)構(gòu)級聯(lián)設(shè)計制作了一個微帶均衡器，圖5是該型號均衡器的S21和S11仿真結(jié)果曲線，很明顯可以看出，采用新結(jié)構(gòu)設(shè)計制作的均衡器在工作頻段內(nèi)能保證S11小于-20dB，而高端插損小于-2dB，說明采用該結(jié)構(gòu)能很好的改善均衡器的駐波和高端插損。

　　圖5 (a)S21仿真結(jié)果

　　圖5 (b)S11仿真結(jié)果

　　4 結(jié)論

　　本文采用一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計制作了均衡器，將諧振器放于主傳輸線的正下方接地板上，增大了傳輸線和諧振器之間的耦合量。該結(jié)構(gòu)不但大大節(jié)省了均衡器的體積，而且由于電阻不是直接加載在主傳輸線上，因而對整個電路的輸入輸出阻抗影響比較小，不需要在均衡器的兩端添加匹配電路就能達到良好的匹配，大大減小了均衡器的設(shè)計難度。通過對仿真結(jié)果的分析，驗證了該結(jié)構(gòu)均衡器與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比駐波和高端插損都有較大改善。同時由于該結(jié)構(gòu)是立體結(jié)構(gòu)，為LTCC等新技術(shù)在均衡器設(shè)計中的運用提供了一個新的思路。