專利名稱：微帶多路多移相功率分配/合成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于阻抗網(wǎng)絡(luò)，是一種具有兩個(gè)以上分支端口的微帶多路功率分配/合成器。
現(xiàn)有的微帶等功率分配/合成器，如二進(jìn)制等功率分配/合成器和威爾康遜(Wilkinson)提出的并饋設(shè)計(jì)的功率分配/合成器，是在總的混合端口和支路交匯點(diǎn)間設(shè)有一個(gè)阻抗變換器，以便使總的混合端口和各支路端口處完全的匹配狀態(tài)。另外，在支路間還設(shè)有隔離電阻，用于防止單元天線不規(guī)則反射所產(chǎn)生的不良影響，保證各支路間的相互隔離。但在一些領(lǐng)域，特別是在頻率掃描雷達(dá)中，要求其天線陣的饋電網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)或若干個(gè)支路端口呈平行等間距直線狀排列的微帶多路功率分配/合成器，并要求其傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)幅度相同，且相位以等差級(jí)數(shù)依次滯后，以實(shí)現(xiàn)改變發(fā)射頻率時(shí)天線陣的波束空間掃描。而上述的微帶功率分配/合成器是無(wú)法滿足這些要求的。
單從支路端口的排列構(gòu)造而言，用現(xiàn)有的兩路等功率分配/合成器為基礎(chǔ)，采用一分為二，二分為四的二進(jìn)制組合設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)上述的支路端口排列要求。但這種組合設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題是支路數(shù)只能是2n(n＝1，2，…)，不能滿足任意路數(shù)的要求;各支路傳輸相位相同;電信號(hào)損耗嚴(yán)重，且體積較大。由威爾康遜提出的等功率并饋設(shè)計(jì)方案解決了支路數(shù)是任意數(shù)的問(wèn)題，但這種等功率分配/合成器也存在以下問(wèn)題支路端口在微帶平面上只能沿徑向呈扇面布置;支路微波信號(hào)傳輸相位完全對(duì)稱，不能實(shí)現(xiàn)各支路傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)相位差為任意數(shù)值的要求。總之，采用上述的二進(jìn)制組合設(shè)計(jì)或并饋設(shè)計(jì)的功率分配/合成器除了有分支路數(shù)目和支路端口排列構(gòu)造上的缺點(diǎn)外，另一最大的缺陷是各支路微波信號(hào)傳輸相位不能按所要求的數(shù)值呈等差級(jí)數(shù)依次帶后。為了解決上述問(wèn)題，近年來(lái)有人嘗試在上述兩種設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上采用人為設(shè)置微帶相移段的方法，其結(jié)果不僅增大了設(shè)備體積和重量，而且還犧牲了大量寶貴的微波能量。因此，到目前為止實(shí)用的頻率掃描雷達(dá)并不多見(jiàn)。
本發(fā)明的目的是提供一種可實(shí)現(xiàn)支路為任意路數(shù)，支路端口呈平行等間隔直線狀排列的微帶多路移相功率分配/合成器，該分配/合成器各支路傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)幅度相同，相位以等于或大于π/2之任意數(shù)值呈等差級(jí)數(shù)依次滯后。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的解決方案是所提供的微帶多路移相功率分配/合成器包括一個(gè)設(shè)在總的混合端口和支路間的階梯阻抗變換器A以及設(shè)在各支路間的隔離電阻Rm，本發(fā)明的特別之處在于1.有一個(gè)由首端向末端直線延伸的阻抗階梯B，該阻抗階梯B具有n-1個(gè)階梯段，(1)所說(shuō)的阻抗變換器A插接在總混合端口與阻抗階梯B的首端之間;
(2)阻抗階梯B的每一階梯段Bm分為兩個(gè)區(qū)段B’m和B”m，(3)各支路Cm是分別由各階梯段Bm的交匯點(diǎn)延伸出來(lái)的，(4)所說(shuō)的各隔離電阻Rm分別跨接在各階梯段Bm的第一區(qū)段B’m末端與各支路Cm末端之間，2.上述的各阻抗階梯段Bm的特性阻抗Zbm與其對(duì)應(yīng)的支路Cm微帶線的特性阻抗Zcm應(yīng)滿足下列關(guān)系Zbm/Zcm＝1/(n-m)，3.上述阻抗階梯B各階梯段Bm的第一區(qū)段B’m長(zhǎng)度L’bm和各支路Cm微帶線長(zhǎng)度Lcm應(yīng)滿足下式L’bm=kc/4f0ϵebm=Δθm/2ϵebm]]>Lcm=
式中k為奇數(shù)，且兩式所取的k值相等，4.上述阻抗階梯B各階梯段Bm的第二區(qū)段B″m長(zhǎng)度L”bm應(yīng)滿足下式L"bm=△φc/2πf0
5.各支路Cm間的隔離電阻Rm為Rm＝( 1/(n-m) )Zcm，上述各式中m-支路序號(hào)，n-支路總數(shù)目，fo-設(shè)計(jì)中心頻率，c-光速，εebm-阻抗階梯段Bm微帶線有效介電常數(shù)，εecm-支路Cm微帶線有效介電常數(shù)，△θm-隔離電阻Rm長(zhǎng)度引起的相移量，△Φ-規(guī)定中心頻率上的相位滯后差值。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容加以詳細(xì)描述。


圖1是本發(fā)明的原理圖。
圖2是本明一個(gè)實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本明的另一種結(jié)構(gòu)圖。
如圖1所示Z0為總混合端口0的阻抗;Zj-Zn為各支路端口負(fù)載或源的阻抗;A為插入總混合端口0與支路首端交匯點(diǎn)1之間的阻抗變換器，它由單節(jié)或多節(jié)1/4波長(zhǎng)微帶線構(gòu)成，其作用是實(shí)現(xiàn)支路首端交匯點(diǎn)1和總混合端口0之間的阻抗匹配。設(shè)支路數(shù)為n，則本微帶功率分配/合成器相當(dāng)于由n-1個(gè)兩路隔離功率分配/合成器單元依次聯(lián)接而成。其中各分配/合成器單元的交匯點(diǎn)為1，2……，n，每個(gè)單元中的一路作為支路Cm，另一路Bm依次串聯(lián)形成一個(gè)直線延伸的阻抗階梯B。各阻抗階梯段B1，B2…Bm分為兩個(gè)區(qū)段，第一區(qū)段B1’，B2’…Bm’的作用是將微波信號(hào)依次向下一交匯點(diǎn)傳輸，并實(shí)現(xiàn)交匯點(diǎn)之間的阻抗匹配;第二區(qū)段B1″，B2″，…Bm″是為實(shí)現(xiàn)按設(shè)計(jì)中心頻率上所要求的支路滯后相移而設(shè)置的相移微帶線。隔離電阻R1，R2……Rm跨接在上述第一區(qū)段和支路末端之間。
根據(jù)本發(fā)明目的中的等功率分配/合成要求，各支路傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)大小應(yīng)相等，則在上述各兩路隔離功率分配/合成器單元中作為阻抗階梯段B1，B2……Bm的一路與作為支路C1，C2……Cm的另一路之間的電壓耦合系數(shù)K1，K2……Km為k1=1/n,]]>k2=(n-1),]]>km=1/(n-m+1),]]>式中m-支路序號(hào)(m＝1，2……)，n-支路總數(shù)根據(jù)微波原理，要使隔離功率分配/合成器在中心頻率上完全無(wú)耗，則當(dāng)微波信號(hào)從總混合端口0注入并由首端交匯點(diǎn)依次向末端交匯點(diǎn)和各支路傳輸時(shí)，隔離電阻Rm不應(yīng)當(dāng)吸收功率，即隔離電阻Rm兩引出線的端電壓應(yīng)等幅同相，處于同微波電位點(diǎn)。由于隔離功率分配/合成器單元作為階梯段Bm和作為支路Cm之間存在上述電壓耦合關(guān)系，所以阻抗階梯段Bm的特性阻抗ZBm和支路Cm的特性阻抗Zcm應(yīng)滿足如下關(guān)系Zbm/Zcm＝1/(n-m)，這樣才能保證當(dāng)阻抗階梯段Bm的第一區(qū)段B’m與支路Cm的電長(zhǎng)度相等時(shí)隔離電阻Rm兩引線的端電壓處于同微波電位點(diǎn)。
由圖1可以看出，要實(shí)現(xiàn)各支路間的相互隔離，只須實(shí)現(xiàn)每個(gè)單元中的阻抗階梯段Bm和支路Cm間相互隔離即可。根據(jù)信號(hào)抵消原理，要達(dá)此目的，則由阻抗階梯段第一區(qū)段B’m通過(guò)隔離電阻Rm向支路傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)和由交匯點(diǎn)通過(guò)支路Cm微帶線傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)應(yīng)在相位上相差kπ(K為奇數(shù))。因此，各阻抗階梯段第一區(qū)段B’m的長(zhǎng)度L’bm和支路Cm微帶線的長(zhǎng)度Lcm為L(zhǎng) ′b m=]]>
Lc m=]]>
式中k為奇數(shù)，m＝1，2…。
fo-設(shè)計(jì)中心頻率，c-光速，εebm-阻抗階梯段Bm微帶線有效介電常數(shù)，εecm-支路Cm微帶線有效介電常數(shù)，△θm-隔離電阻Rm長(zhǎng)度引起的相移量，設(shè)在中心頻率上各支路依次滯后的相位差均為△Φ，則阻抗階梯段Bm的第二區(qū)段B″m的長(zhǎng)度L″Bm為
=△Φ C /2πf0εe b m- (kc /4f0εe b m]]>-△θm/2εe b m)]]>取K＝1，忽略項(xiàng)△θm(△θm＝2πf。LRm/c)，并令L″Rm＝0，則△Φ＝π/2，可見(jiàn)支路間的最小滯后相位差為90°。若K＞1，L″Bm＝0，則支路間的滯后相位差△Φ＝Kπ/2。如前所述，阻抗階梯段的第一區(qū)段B’m和支路Cm的電長(zhǎng)度必須相等。如果只有第一區(qū)段B’m，則各支路間的滯后相位差只能是π/2的奇數(shù)倍。如果相位差△Φ為大于π/2之任意數(shù)值，則相位差可由π/2的奇數(shù)倍部分Kπ/2和剩余部分△組成，即△Φ＝Kπ/2+△。本發(fā)明所設(shè)置的阻抗階梯段第二區(qū)段B″m就是實(shí)現(xiàn)相移量為△的相移微帶線，從而可實(shí)現(xiàn)支路間相位差為等于或大于π/2之任意值的要求。
設(shè)某交匯點(diǎn)m的入、反射波為aAm和bAm，其相應(yīng)的阻抗階梯段Bm入、反射波為aBm和bBm，支路Cm的入、反射波為acm和bcm，則它們存在如下關(guān)系
式中SAA、SBB、SCC分別為交匯點(diǎn)、阻抗階梯段和支路端口的反射系數(shù)。SBC＝SCB為阻抗階梯段和支路間的隔離系數(shù)。
令SBC＝SCB＝0時(shí)表示功率分配/合成器各支路相互理想隔離，由此可求出隔離電阻Rm的值為Rm＝( 1/(n-m) )Zcm，式中m-支路序號(hào)，n-支路總數(shù)，Zcm-支路特性阻抗。
令SAA＝SBB＝SCC＝0，則分配/合成器各端口處于完全匹配狀態(tài)，由此可求出各交匯點(diǎn)之阻抗Zom與各階梯段特性阻抗ZBm、支路特性阻抗Zcm應(yīng)滿足如下關(guān)系ZB1＝ZO2，ZB2＝ZO3，……ZB(m-1)＝Zom，ZO1＝ZC1+ZO2，ZO2＝ZC2+ZO3，……ZO(m-1)＝ZC(m-1)+Zom.
由此便可根據(jù)總混合端口阻抗ZO與首端交匯點(diǎn)阻抗ZO1之比值r＝ZO/ZO1和工作頻率內(nèi)駐波要求確定阻抗變換器A的1/4波長(zhǎng)線節(jié)數(shù)。
圖1中D1～Dm為設(shè)在支路端口處的阻抗變換器，它由單節(jié)或多節(jié)1/4波長(zhǎng)線構(gòu)成，其作用是將支路微帶線特性阻抗Zcm變換成支路端口負(fù)載或源的阻抗Zm，算法與計(jì)算總混合端口處的阻抗變換器A相同。
對(duì)大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)講，各端口阻抗可選相同值，即Z1＝Z2＝…＝Zm＝ZO。
本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)例如圖2所示它具有8個(gè)支路和7個(gè)呈直線串接串接的阻抗階梯段，它們均為中心頻率上的1/4波長(zhǎng)線。隔離電阻共有7個(gè)R1～R7，總混合端口0處的阻抗變換器A由2節(jié)1/4波長(zhǎng)線構(gòu)成，各端口的阻抗均為50Ω。整個(gè)功率分配器/合成器是在一塊矩形的復(fù)合介質(zhì)雙面敷銅板上光刻蝕而成的，其厚度等于1.27mm，相對(duì)介電常數(shù)εr＝10.2，設(shè)計(jì)中心頻率fo＝1.05GHz，要求各支路間的滯后相位差為π/2。
根據(jù)上述設(shè)計(jì)條件，查微波工程手冊(cè)，并由前述的公式計(jì)算得阻抗變換器A的兩節(jié)1/4波長(zhǎng)線寬度分別為2.3mm和10.4mm，各階梯段B1～B7的微帶線寬度分為16.3，15.4，12.2，10.7，6.8，3.9，1.2mm。支路C1～C7的寬度分別為0.91，0.935，0.942，0.957，0.963，0.98，1.02，1.2mm，隔離電阻R1～R7分別為57.14，58.33，60，62.5，66.67，75.8，100.4Ω。
阻抗階梯段的第一區(qū)段B’1～B’7的長(zhǎng)度分別為20.5，21.3，22.2，22.9，23.4，24.1，24.6mm;第二區(qū)段B″1～B″6的長(zhǎng)度L″B1＝L″B2＝L″B3＝L″B4＝L″B5＝L″B6＝0，L″B7＝22.4mm。
支路C1～C7的長(zhǎng)度分別為25.3，24.7，24.2，23.8，23.3，22.9，22.5mm。
各支路端口的阻抗變換器D1～D8的寬度分別為0.985，0.992，1.04，1.13，1.20，1.27，1.33，1.39mm;長(zhǎng)度分別為24.6，23.9，23.2，22.7，22.1，21.6，21.0，20.5mm。
實(shí)測(cè)結(jié)果，在0.9-1.25GHz頻帶內(nèi)輸入端口駐波比P＜1.4，插入損耗I＜0.8dB，分配功率最大不均勻度小于±0.3dB，支路隔離度大于20dB。
如果要求各支路間的相位差是不等于π/2奇數(shù)倍的任意值，則阻抗階梯段Bm、支路Cm和隔離電阻Rm的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中B’m-第一區(qū)段，B″m-第二區(qū)段。
本發(fā)明由于采用了兩路隔離功率分配/合成器進(jìn)行串饋設(shè)計(jì)，由首端交匯點(diǎn)依次向末端交匯點(diǎn)傳輸功率的阻抗階梯微帶線寬度較寬，且支路上無(wú)需增設(shè)多余的微帶相移段，故其插入損耗小，器件體積和制造成本也較小。本發(fā)明除了主要用于頻掃雷達(dá)系統(tǒng)外，也可在通訊、測(cè)控、導(dǎo)航等方面作為固態(tài)功率發(fā)射的分配或合成部件。
權(quán)利要求
1.一種微帶多路移相功率分配/合成器包括一個(gè)設(shè)在總的混合端口和支路間的階梯阻抗變換器A以及設(shè)在各支路間的隔離電阻Rm，其特征在于(1).有一個(gè)由首端向末端直線延伸的阻抗階梯B，該阻抗階梯B具有n-1個(gè)階梯段，(1.1)所說(shuō)的阻抗變換器A插接在總混合端口與阻抗階梯B的首端之間，(1.2)阻抗階梯B的每一階梯段Bm分為兩個(gè)區(qū)段B′m和B″m，(1.3)各支路Cm是分別由各階梯段Bm的交匯點(diǎn)延伸出來(lái)的，(1.4)所說(shuō)的各隔離電阻Rm分別跨接在各階梯段Bm的第一區(qū)段B′m末端與各支路Cm末端之間，(2)上述的各阻抗階梯段Bm的特性阻抗Zbm與其對(duì)應(yīng)的支路Cm微帶線的特性阻抗Zcm應(yīng)滿足下列關(guān)系Zbm/Zcm=1/(n-m),(3)上述阻抗階梯B各階梯段Bm的第一區(qū)段B'm長(zhǎng)度L'bm和各支路Cm微帶線長(zhǎng)度Lcm應(yīng)滿足下式:L'bm=
Lcm=
式中k為奇數(shù),且兩式所取的k值相等,(4)上述阻抗階梯B各階梯段Bm的第二區(qū)段B"m長(zhǎng)度L"bm應(yīng)滿足下式:L′′bm=Δφc/2πf0ϵebm-L′bm,]]>(5)各支路Cm間的隔離電阻Rm為:Rm=( 1/(n-m) )Zcm,上述各式中m-支路序號(hào),n-支路總數(shù)目,f0-設(shè)計(jì)中心頻率,c-光速,εebm-阻抗階梯段Bm微帶線有效介電常數(shù),εecm-支路Cm微帶線有效介電常數(shù),△θm-隔離電阻Rm長(zhǎng)度引起的相移量,△φ-規(guī)定中心頻率上的相位滯后差值。
全文摘要
本發(fā)明屬于阻抗網(wǎng)絡(luò)，是一種可具有任意支路數(shù)的微帶多路移相功率分配/合成器，其目的是要解決功率分配/合成器各支路端口不但呈等間距直線狀排列，而且各支路間相位以等于或大于π/2之任意值呈等差級(jí)數(shù)滯后的問(wèn)題。本發(fā)明包括一個(gè)由首端向末端直線延伸的阻抗階梯，各支路(C
文檔編號(hào)H03H7/48GK1079852SQ93102798
公開(kāi)日1993年12月22日 申請(qǐng)日期1993年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月31日
發(fā)明者杭靠文, 李學(xué)博, 王曉民 申請(qǐng)人:李學(xué)博, 王曉民, 杭靠文