功分器設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一類具有信號(hào)處理功能的功分器設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 功分器全稱功率分配器，是通信或雷達(dá)系統(tǒng)中的重要器件。它是一種將一路輸入 信號(hào)能量分成兩路或多路輸出相等或不相等能量的器件，也可反過(guò)來(lái)將多路信號(hào)能量合成 一路輸出，此時(shí)可也稱為合路器。由于功分器可W逆向使用作為合路器，所W下面的討論皆 W功分器為例。一個(gè)功分器的輸出端口之間應(yīng)保證一定的隔離度。功分器的主要技術(shù)參數(shù) 有插入損耗、回波損耗、功率分配端口間的隔離度和通帶寬度等等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 現(xiàn)有功分器缺乏簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)不足， 提供了一類具有信號(hào)處理功能的功分器設(shè)計(jì)方法。與傳統(tǒng)的功分器不同，本方法所述方法 實(shí)現(xiàn)的功分器不但能實(shí)現(xiàn)輸入功率的準(zhǔn)確等分，而且對(duì)輸入的信號(hào)具有信號(hào)處理功能，可 W按照實(shí)際需求來(lái)綜合相應(yīng)的電路。
[0004] 本發(fā)明所述功分器的一般結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的N等 分（N為自然數(shù)，且N >。。圖1中的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)具有化1個(gè)端口的網(wǎng)絡(luò)，分別W端口0、端 口1、端口2、…、端口N來(lái)描述。對(duì)于N等分功分器而言，當(dāng)能量從端口0饋入時(shí)，將被等分 至端口1、端口2、…、端口N輸出。所從端口1、端口2、…、端口N的電氣性能是對(duì)稱的。 端口0與端口k(其中k=l、2、…、腳之間分別通過(guò)多個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)TNi、TN2、…、TN。（其 中n為大于1的自然數(shù)）的級(jí)聯(lián)來(lái)進(jìn)行連接，該些二端口網(wǎng)絡(luò)被稱為傳輸網(wǎng)絡(luò)；為了保證各 個(gè)輸出端口即端口1、端口2、…、端口N間的隔離度，在端口k與端口j之間（其中，k = 1、2、…、N，j = l、2、…、N，且j聲k)，連接有多個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)MNi、MN2、…、MNm(其中m為 大于1的自然數(shù)），該些二端口網(wǎng)絡(luò)被稱為匹配網(wǎng)絡(luò)；另外，端口0處的特征阻抗用R。表示， 端口1、端口2、…、端口N處的特征阻抗用Ri表示。
[0005] N等分功分器的各個(gè)端口之間的電氣特性可由散射矩陣[S]來(lái)描述，其定義為
[0006]
[0007] 散射矩陣[S]中的元素為散射參數(shù)，定義為
[0008]
(其中，k = 0、1、…、腳
[0009]
(其中，j= 0、1、...'N，k= 0、1、...'N，且j聲k)
[0010] 其中，3k是端口k的歸一化入射波，bk是端口k的歸一化出射波，bj是端口j的歸 一化出射波。
[0011] 在N等分功分器中，端口 1、端口 2、…、端口N的電氣性能是對(duì)稱的。故端口之間 對(duì)稱性由下面的對(duì)稱變換矩陣[円來(lái)描述，即
[0012]
(2)
[0013]為了導(dǎo)出N等分功分器的散射矩陣[S]中的那些散射參數(shù)，按照散射參數(shù)的定義， 在端口k(其中k= 1、2、…、腳依次施加入射波F/激勵(lì)，而保持其它端口的電壓入射波為 呼=0 (其中j= 1、2、…、N，且j聲k)。通過(guò)分析對(duì)稱變換矩陣[円的特征值和特征向 量可知，該些入射波激勵(lì)可W分解為偶模激勵(lì)和奇模激勵(lì)，即
[0019] 當(dāng)對(duì)N等分功分器施加偶模激勵(lì)時(shí)，端口 0開(kāi)路，端口k與端口j之間的匹配網(wǎng)絡(luò) 麗1、MN2、…、MNm因?yàn)榕寄＜?lì)而被忽略。最終得到端口k的偶模等效電路網(wǎng)絡(luò)如圖2所 示。在偶模等效網(wǎng)絡(luò)中，端口 0處的特征阻抗變?yōu)镹?R。，端口k處的特征阻抗仍然為Ri。 所W，該個(gè)偶模等效網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上退化成一個(gè)W特征阻抗N?R。為負(fù)載的單端口網(wǎng)絡(luò)，描述了 端口 0與端口k之間的傳輸特性。如圖2所示，在偶模等效網(wǎng)絡(luò)中，有多個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)TNi、 TN2、…、TN。級(jí)聯(lián)。該多個(gè)級(jí)聯(lián)的傳輸網(wǎng)絡(luò)TNi、TN2、…、TN。可W用一個(gè)等效傳輸網(wǎng)絡(luò)TN 來(lái)表示，如圖3所示。在實(shí)際中，需要功分器具有相應(yīng)的信號(hào)處理功能。因此，可W根據(jù)實(shí) 際要求（例如帶寬、通帶內(nèi)波動(dòng)、端日0的回波損耗、帶外抑制、相位或群時(shí)延等等）來(lái)綜合 傳輸網(wǎng)絡(luò)TN，注意其左端的特征阻抗為N?R。，右端的特征阻抗為Ri。在偶模激勵(lì)下，假設(shè) 從端口k往傳輸網(wǎng)絡(luò)TN里面看去的偶模輸入導(dǎo)納為Y。，對(duì)應(yīng)的偶模反射系數(shù)為r。，則端口 k的出射波為
[0020]
(6)
[0021] 當(dāng)對(duì)N等分功分器施加奇模激勵(lì)時(shí)，端口 0短路。另外，對(duì)于連接在端口k與端 口j之間的匹配網(wǎng)絡(luò)MNi(i= 1、2、…、m)而言，可W將其分解成兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)麗和麗的 級(jí)聯(lián)，使其中間連接處的電位為零。一個(gè)例子如圖4所示，其中Z為阻抗，左端的端口電壓 為，右端的端口電壓為。在奇模激勵(lì)下，可W找出其對(duì)應(yīng)的零電位處，如圖所 示。從而在奇模激勵(lì)下，N等分功分器的分析可W簡(jiǎn)化成針對(duì)端口k的單端口網(wǎng)絡(luò)的分析， 最終得到奇模等效電路如圖5所示。在奇模激勵(lì)下，假設(shè)從端口k往傳輸網(wǎng)絡(luò)TN里面看進(jìn) 去的奇模輸入導(dǎo)納為Y。，對(duì)應(yīng)的奇模反射系數(shù)為r。，則端口k的出射波為
[0022]
(7)
[0023] 利用迭加定理可知，端口k總的出射波bk為
[0024]
(8)
[0025] 其它端口j的出射波bj為
[0026]
巧）
[0027] 按照散射參數(shù)的定義，可W得到各個(gè)端口對(duì)應(yīng)的散射系數(shù)為[0028]
[0030]因此，為了保證端口k與端口j之間的隔離度，需要選擇恰當(dāng)?shù)钠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)麗1、
[0029] MN,、…、MNm來(lái)調(diào)整奇模反射系數(shù)為r。，使其逼近偶模反射系數(shù)為r。，理想情況是
[00引]r〇=Te (10)
[003引從而讓
[003引 Sk,k=re和Sj,k=o (11)
[0034] 歸納前面的分析可知，本發(fā)明所述N等分功分器的設(shè)計(jì)方法包括兩步。第一步，根 據(jù)N等分功分器的傳輸特性要求（例如帶寬、通帶內(nèi)波動(dòng)、端口 0的回波損耗、帶外抑制、相 位或群時(shí)延等等），先綜合出一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)TN(可由多個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)TNi、TN2、…、TN。級(jí)聯(lián)而 成），使其滿足端口 0與其它端口k(其中k= 1、2、…、腳之間的傳輸特性。第二步，將N 個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)TN的左端合并，作為功分器的端口 0,其余端口分別作為功分器的端口k，并選 擇恰當(dāng)?shù)钠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)MNi、MN2、…、MNm接入到端口k與端口j(其中，k= 1、2、…、N，j= 1、 2、…、N，且j聲k)之間，按照功分器的奇模等效電路，調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)MNi、MN2、…、MNm，進(jìn) 而改變功分器的奇模等效電路所對(duì)應(yīng)的奇模反射系數(shù)r。，使其逼近功分器的偶模等效電 路所對(duì)應(yīng)的偶模反射系數(shù)r。（理想情況是r"=r。)，從而滿足端口k的回波損耗要求及 端口k與端口j之間的隔離度要求。
[00巧]本發(fā)明的有益效果是；
[0036]①功分器能夠?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行N等分（N為自然數(shù)，且N> 2)，或者能夠?qū)路輸 入信號(hào)進(jìn)行合成；
[0037] ②功分器的端口 0的特征阻抗和其它端口的特征阻抗可W不一樣，即功分器也具 有阻抗變換的功能；
[0038] ⑨功分器的端口0與其它端口的傳輸特性能夠具有信號(hào)處理功能；
[0039] ④本發(fā)明所述功分器設(shè)計(jì)方法具有簡(jiǎn)單、快速和準(zhǔn)確的特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0040] 圖1是本發(fā)明所述N等分功分器的一般結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041] 圖2是偶模激勵(lì)下所得到的N等分功分器的偶模等效網(wǎng)絡(luò)。
[0042]圖3是偶模激勵(lì)下所得到的N等分功分器的簡(jiǎn)化偶模等效網(wǎng)絡(luò)。
[0043] 圖4是通過(guò)一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明通過(guò)網(wǎng)絡(luò)等效變換來(lái)確定零電位面。
[0044] 圖5是奇模激勵(lì)下所得到的N等分功分器的奇模等效網(wǎng)絡(luò)。
[0045] 圖6是二等分功分器的一般結(jié)構(gòu)示意圖。
[0046]圖7是偶模激勵(lì)下的二等分功分器的偶模等效網(wǎng)絡(luò)。
[0047] 圖8是實(shí)施例一中的二等分功分器的偶模等效電路。
[0048] 圖9是實(shí)施例一中的二等分功分器的偶模等效電路的頻率響應(yīng)。
[0049] 圖10是實(shí)施例一中的二等分功分器的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（沒(méi)