專利名稱：微帶多路不等功率分配/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不等功率分配/合成器。
目前，微帶多路等功率分配/合成器已較廣泛地獲得應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，在一些領(lǐng)域中，特別是在相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，要求其天線陣的饋電網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多路不等功率分配/合成器，以使天線陣獲得最大方向性增益和最低副瓣的輻射特性。單從分配的角度而言，實(shí)現(xiàn)多路不等功率的分配并不困難。但從功率合成的角度出發(fā)，因?qū)嶋H的支路端口源并非處于理想狀態(tài)，所以要使各支路端口的微波功率能夠無(wú)反射地傳輸?shù)娇偟幕旌隙丝诒匦璞ＷC各支路間的相互隔離以及各支路有完全相同的傳輸相位。對(duì)于兩路不等功率分配/合成器，在兩支路間接一電阻即可實(shí)現(xiàn)支路間的隔離;但對(duì)于三路以上而言，因各支路間的相互影響比較復(fù)雜，僅采用隔離電阻是難以作到各支路間相互隔離的。所以，目前較成熟的微帶多路不等功率分配/合成器僅限于兩路的功率分配或合成。美國(guó)專利US4721929記載了一種兩路不等功率分配/合成器，它由八節(jié)1/4波長(zhǎng)線和兩個(gè)電阻組成。實(shí)際上它是由兩級(jí)兩路不等功率分配/合成器組合而成，以期獲得較大的分配比。就每一級(jí)而言，它包括一個(gè)插入支路匯交點(diǎn)和總的混合端口間的一節(jié)1/4波長(zhǎng)線阻抗變換器、由支路匯交點(diǎn)延伸的兩路阻抗不等的1/4波長(zhǎng)線和位于兩支路間的隔離電阻。從理論上講，雖然可用多個(gè)兩路不等功率分配/合成器進(jìn)行組合，即一分為二，二分為四……。但這種以兩路不等功率分配/合成器為基本單元進(jìn)行多路不等功率分配或合成所存在的問(wèn)題是1、路數(shù)只能是2n(n＝1，2，....)，這顯然不能滿足實(shí)際的路數(shù)要求;2、體積大;3、設(shè)計(jì)復(fù)雜;因此，到目前為止還未見(jiàn)到過(guò)這一類型的實(shí)例。所以，目前在相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中或者采用多路等功率分配/合成器作饋電網(wǎng)絡(luò)，或者在多路等功率分配/合成器各支路端口增加一復(fù)雜的衰減網(wǎng)絡(luò)，來(lái)實(shí)現(xiàn)多路不等功率的分配或合成。前者不僅使系統(tǒng)的作用距離變短，使掃描空間縮小，而且還大大降低了信號(hào)分辨率;后者除了白白浪費(fèi)掉寶貴的射頻功率外，還成倍地增加了設(shè)備體積、重量和成本。
本發(fā)明的目的是提供一種可實(shí)現(xiàn)兩路以上任意路數(shù)的微帶不等功率分配/合成器。該微帶不等功率分配/合成器的端口阻抗值可以是以微帶準(zhǔn)TEM模實(shí)現(xiàn)的任意值。
要實(shí)現(xiàn)兩路以上的不等功率分配或合成，除了要求總的混合端口和各支路端口均處于完全匹配狀態(tài)外，同時(shí)還要求各支路間相互隔離以及各支路有完全相同的傳輸相位，以保證在各支路微波源處于不理想狀態(tài)時(shí)相互間不會(huì)產(chǎn)生不良影響，并保證器件的相位對(duì)稱性。
本發(fā)明的目的就是根據(jù)上述要求按以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的所提供的微帶多路不等功率分配/合成器包括一個(gè)插入支路匯交點(diǎn)和總的混合端口間的阻抗變換器、由支路匯交點(diǎn)延伸的多路阻抗不等的1/4波長(zhǎng)線和各支路隔離電阻Rn，本發(fā)明的特別之處是1、在前述的每一支路的1/4波長(zhǎng)線和支路端口間插接一個(gè)微帶移相器，其長(zhǎng)度
，式中n-表示各支路代號(hào)的自然數(shù);Δθn-由支路隔離電阻Rn的長(zhǎng)度所引起的相移量;εen-支路端口微帶線的有效介電常數(shù);
2、每一支路端口均旁接一個(gè)由相移變壓器和支路隔離電阻Rn串聯(lián)而成的隔離支路，各隔離支路匯交于一點(diǎn)形成一個(gè)隔離網(wǎng)絡(luò);
2.1、各相移變壓器的電壓變換比T1，T2，…Tn應(yīng)滿足關(guān)系式(1/T1)∶(1/T2)……∶(1/Tn)＝(K1
)∶(K2
……∶(Kn
)，相移量均為π，式中n-表示各支路代號(hào)的自然數(shù)，Kn-各支路端口的功率傳輸比的平方根，Zn-支路端口阻抗;
2.2、各支路隔離電阻Rn＝(1/Tn)2·Zn;
3、前述每一支路的1/4波長(zhǎng)線的阻抗
式中n-表示各支路代號(hào)的自然數(shù);Kn-各支路端口的功率傳輸比的平方根;Zoi-支路匯交點(diǎn)處各支路的等效阻抗，其值按關(guān)系式 1/(Zo1) : 1/(Zo2) ……: 1/(Zon) ＝K21∶K22……∶K2n確定，Zn-支路端口阻抗。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容加以詳細(xì)說(shuō)明。


圖1是本發(fā)明的原理圖。
圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖之一。
圖3是本發(fā)明第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖之二。
圖4是本發(fā)明第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
如圖1所示Zo是總的混合端口O處的阻抗，A為插入支路匯交點(diǎn)和總的混合端口間的阻抗變換器，它可以是偶數(shù)節(jié)1/16波長(zhǎng)短階梯阻抗變換器或偶數(shù)節(jié)的低通變阻濾波器，也可以是多節(jié)階梯阻抗變換器，具體類型視總的混合端口阻抗和匯交點(diǎn)O1的阻抗變換比而定。
B1，……Bn是按規(guī)定路數(shù)設(shè)置的各支路，均采用1/4波長(zhǎng)線，其作用是使各支路獲得所設(shè)定的功率傳輸比，并實(shí)現(xiàn)匯交點(diǎn)O1和各支路端口的阻抗匹配。
設(shè)總的混合端口的阻抗為Zo，1～n支路端口阻抗分別為Z1，…Zn，為了使各支路端口功率傳輸比分別為K21，K22……，K2n，則支路匯交點(diǎn)O1處的各支路等效阻抗Zo1…Zon必須滿足以下關(guān)系1/(Zo1) : 1/(Zo2) ……: 1/(Zon) ＝K21∶K22……∶K2n由此可求得各支路1/4波長(zhǎng)線B1，……Bn的特性阻抗分別為Z11=K1Z1/Σi=1n1Zo1]]>……
Zn1=KnZ1/Σi=1n1Zo1]]>設(shè)r=Zo·Σi=1n1Zo1]]>為總的混合端口與支路匯交點(diǎn)的阻抗變換比，由此便可決定阻抗變換器A的類型為當(dāng)1≤r≤2時(shí)采用一節(jié)1/4波長(zhǎng)阻抗變換器。
當(dāng)2≤r≤10時(shí)采用偶數(shù)節(jié)1/16波長(zhǎng)短階梯阻抗變換器或同樣節(jié)數(shù)的低通阻抗濾波器。
當(dāng)r≥10時(shí)采用多節(jié)切比雪夫階梯阻抗變換器。
圖1中的D1……Dn為旁接于各支路端口的相移變壓器;R1…Rn為各支路隔離電阻。各相移變壓器與隔離電阻所構(gòu)成的隔離支路匯交于點(diǎn)O2，形成一個(gè)D-R隔離網(wǎng)絡(luò)，其作用是當(dāng)微波功率從總的混合端口O1向各支路端口傳輸時(shí)，D-R網(wǎng)絡(luò)在各支路端口呈電開路狀態(tài)，從而對(duì)各支路端口的傳輸功率和匹配狀態(tài)均不產(chǎn)生影響;當(dāng)微波功率從各支路向總的混合端口傳輸時(shí)，D-R網(wǎng)絡(luò)吸收其向其余端口的傳輸功率，從而使各支路間處于相互不產(chǎn)生影響的隔離狀態(tài)，以保證各支路輸入的微波功率只單向傳輸給總的混合端口，同時(shí)還對(duì)各支路端口和總的混合端口的阻抗匹配不產(chǎn)生任何影響。
設(shè)在設(shè)計(jì)中心頻率上總的混合端口和各支路端口之歸一化入射波電壓矢量為a0，a1……an，反射波電壓矢量為b0，b1……bn，則兩者間有如下關(guān)系
式中K1，K2，Kn為各支路的功傳比的平方根;Sij(i、j為0、1、2…n的任意數(shù))的含義是當(dāng)i＝j(luò)時(shí)為功率分配/合成器0～n端口的反射系數(shù);當(dāng)i≠j時(shí)為功率分配/合成器0～n端口的互影響系數(shù)，即隔離系數(shù)。
若令Sij＝0，其中i＝j(luò)，則功率分配/合成器各端口處于完全匹配狀態(tài)。
若令Sij＝0，其中i≠j，則功率分配/合成器處于完全隔離狀態(tài)。由此便可求得各支路相移變壓器D1，D2，…Dn的電壓變換比T1，T2，…Tn應(yīng)滿足下列關(guān)系式(1/T1)∶(1/T2)……∶(1/Tn)＝(K1
)∶(K2
)……∶(Kn
)，相移量均為π，進(jìn)而可求得各支路隔離電阻的值為Rn＝(1/Tn)2·Zn;
相移變壓器D1，D2，…Dn可由兩節(jié)阻抗不等或相等的1/4波長(zhǎng)線組成。設(shè)第i端口相移變壓器Di兩節(jié)1/4波長(zhǎng)線特性阻抗為Zi2，Zi3，則其必需滿足下列關(guān)系式( (Z12)/(Z13) )( (Z22)/(Z23) )……( (Z12)/(Z13) )……( (Zn2)/(Zn3) )=( 1/(T1) ):( 1/(T2) ):……( 1/(T1) )……( 1/(Tn) )任選Ti中的一個(gè)，其它T值隨之而定，任選一組( (Z12)/(Z13) )中的Zi2、Zi3值，其它各組Zi2、Zi3值隨之而定。
圖1中的C1，C2，…Cn為微帶移相器，其作用是補(bǔ)償各隔離電阻的長(zhǎng)度尺寸所引起的微波信號(hào)相移量。
設(shè)各支路隔離電阻R1，R2…Rn的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)R1，LR2，LRn，則由其引起的相移量Δθ1，Δθ2，…Δθn分別為Δθ1＝ (2π)/(C) foLR1Δθ2＝ (2π)/(C) foLR2……
Δθn＝ (2π)/(C) foLRn式中fo為功率分配/合成器設(shè)計(jì)中心頻率，C為光速。由此便可求出各支路微帶移相器的長(zhǎng)度為L(zhǎng)n=Δθn/ϵan]]>，式中n-表示各支路代號(hào)的自然數(shù);Δθn-由支路隔離電阻Rn的長(zhǎng)度所引起的相移量;
本多路功率分配/合成器可采用圓形微帶印刷電路板制成，支路匯交點(diǎn)位于圓心，各支路端口的阻抗值可以微帶準(zhǔn)TEM模任選。對(duì)大多數(shù)的實(shí)際應(yīng)用，一般有兩種最佳選擇一種是各支路端口阻抗和總的混合端口阻抗相等，即Z1＝Z2＝……Zn＝Z0;另一種是各支路端口阻抗Z1，Z2，……Zn和各支路的功率傳輸比滿足下列關(guān)系式Z1∶Z2∶……Zn＝K21∶K22…K2n本發(fā)明的實(shí)例一如圖2、圖3所示。本實(shí)例具有三個(gè)支路，是在兩塊緊貼在一起的圓形微帶印刷電路板1、2上光刻成形的。其中兩電路板的中間公共面接地，各支路1/4波長(zhǎng)線B1、B2、B3、移相器C1、C2、C3及相移變壓器D1、D2、D3的第一節(jié)1/4波長(zhǎng)線D11、D12、D13設(shè)在一個(gè)電路板1上，相移變壓器的第二節(jié)1/4波長(zhǎng)線D21、D22、D23及隔離電阻設(shè)在另一電路板2上。各相移變壓器的二節(jié)1/4波長(zhǎng)線之間用穿過(guò)絕緣孔3的金屬絲焊接在一起，這樣可在電路板上布置較多的支路。電路板2可比電路板1小，使較大的電路板1的底面露出一部分，以便于安裝和接地。
電路板1、2采用聚四氟乙烯雙面敷銅板，其厚度h＝1mm，相對(duì)介電常數(shù)εr＝2.8。本實(shí)例的設(shè)計(jì)中心頻率fo＝1.0GHz，總的混合端口阻抗Zo和各支路端口阻抗Z1，Z2，Z3均等于50Ω，各支路功率傳輸比為K21＝ 1/4.5 ，K21＝ 2/4.5 ，K21＝ 1.5/4.5 ，支路匯交點(diǎn)O1位于圓心，根據(jù)上述設(shè)計(jì)條件，查微波工程手冊(cè)和由本發(fā)明的前述計(jì)算公式計(jì)算得
支路匯交點(diǎn)O1和總的混合端口O間的阻抗變換器A采用四節(jié)1/16波長(zhǎng)線，每節(jié)的寬度分別為4、15、2、7毫米;長(zhǎng)度分別為11.9、17.3、12.2、11.6毫米。
各支路1/4波長(zhǎng)線B1、B2、B3的寬度分別為1.1、1.9、1.5毫米;長(zhǎng)度分別為50.4、49.3、50毫米。
各移相器C1、C2、C3的長(zhǎng)度均等于2.5毫米。
各相移變壓器D1、D2、D3的第一節(jié)1/4波長(zhǎng)線D11、D12、D13為直角U形，其寬度分別為1.8、2.4、2.6毫米;長(zhǎng)度分別為49.7、49.3、48.9毫米。第二節(jié)1/4波長(zhǎng)線D21、D22、D23為直線形，其寬度分別為1.4、4.3、2.7毫米;長(zhǎng)度分別為50、48、49毫米隔離電阻R1＝62Ω、R2＝50Ω、R3＝35Ω，選用1/2W，長(zhǎng)度為11毫米的微帶電阻。
實(shí)測(cè)結(jié)果在0.8～1.1GHz頻帶內(nèi)插入損耗小于0.4dB，支路隔離度大于22.5dB。在中心頻率上的插入損耗小于0.25dB，支路隔離度分別為31dB、33dB、31.6dB。
實(shí)例二如圖4所示。本實(shí)例是在一塊與實(shí)例一相同材質(zhì)的雙面敷銅板上制作的三路不等功率分配/合成器。支路匯交點(diǎn)O1和隔離支路的匯交點(diǎn)O2均位于圓心，其間用云母片4絕緣。設(shè)計(jì)中心頻率fo＝1.1GHz，支路端口阻抗Z1＝100Ω、Z2＝50Ω、Z3＝10Ω，功率傳輸比為K21＝1/16，K22＝10/16，K23＝5/16。阻抗變換器A仍采用四節(jié)1/16波長(zhǎng)線;相移變壓器D1、D2、D3仍采用兩節(jié)1/4波長(zhǎng)線;其結(jié)構(gòu)形式和實(shí)例一相同。實(shí)測(cè)結(jié)果在0.95～1.2GHz頻帶內(nèi)插入損耗小于0.35dB，支路隔離度大于21dB。在中心頻率上的插入損耗小于0.35dB，支路隔離度分別為31dB、32dB、35dB。
從以上可以看出，本發(fā)明的功率分配與支路隔離只決定于各支路1/4波長(zhǎng)線的特性阻抗值、相移變壓器的電壓變比值和隔離電阻的大小，而各端口的阻抗可以是以設(shè)定的準(zhǔn)TEM模實(shí)現(xiàn)的任意值。因此在實(shí)現(xiàn)其支路耦合度大于-20dB以內(nèi)任意數(shù)值時(shí)，不僅在中心頻率上能實(shí)現(xiàn)預(yù)定功率分配和支路隔離，而且也可在一定頻帶內(nèi)滿足工程要求，同時(shí)又可方便地與設(shè)備中其它電路或器件連接。
本發(fā)明不僅隔離度較高，分配比較大，而且體積小、易于制作;由于可采用微帶電阻作隔離電阻，所以制造成本較低。從理論上講，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)任意路數(shù)的不等功率分配或合成。在實(shí)際制作時(shí)，由于受空間的限制，通常在一塊微帶電路板上可制作10路以內(nèi)的不等功率分配/合成器。但由于本發(fā)明的設(shè)計(jì)計(jì)算并不復(fù)雜，制作也容易，所以可以很方便地通過(guò)多級(jí)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)任意路數(shù)的不等功率分配或合成。
本發(fā)明主要用于相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，也可在其它通訊、測(cè)控、導(dǎo)航等方面來(lái)替代傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高的定向耦合器。
權(quán)利要求
1.微帶多路不等功率分配/合成器，包括一個(gè)插入支路匯交點(diǎn)和總的混合端口間的阻抗變換器(A)、由支路匯交點(diǎn)延伸的多路阻抗不等的1/4波長(zhǎng)線(Bn)和各支路隔離電阻Rn，其特征是1.1、在前述每一支路的1/4波長(zhǎng)線(Bn)和支路端口間插接一個(gè)微帶移相器(Cn)，其長(zhǎng)度
，式中n-表示各支路代號(hào)的自然數(shù)；Δθn-由支路隔離電阻Rn的長(zhǎng)度所引起的相移量；εan-支路端口微帶線的有效介電常數(shù)；1.2、每一支路端口均旁接一個(gè)由相移變壓器(Dn)和支路隔離電阻Rn串聯(lián)而成的隔離支路，各隔離支路匯交于一點(diǎn)形成一個(gè)隔離網(wǎng)絡(luò)；1.2.1、各相移變壓器(Dn)的電壓變換比T1，T2，…Tn應(yīng)滿足下列關(guān)系式(1／T1)(1／T2)……(1／Tn)=(K1
):(K2
)……(Kn
)，相移量均為π，式中n-表示各支路代號(hào)的自然數(shù)，Kn-各支路端口的功率傳輸比的平方根，Zn-支路端口阻抗；1.2.2、各支路隔離電阻Rn=(1/Tn)2·Zn；1.3、前述各支路的1/4波長(zhǎng)線(Bn)的阻抗
式中n-表示各支路代號(hào)的自然數(shù)；Kn-各支路端口的功率傳輸比的平方根；Zoi-支路匯交點(diǎn)處各支路的等效阻抗，其值按關(guān)系式 1/(Zo1) : 1/(Zo2) …… 1/(ZOn) =K21:K22……:K2n確定，Zn-支路端口阻抗。
2.如權(quán)利要求1所述的不等功率分配/合成器，其特征是所說(shuō)的相移變壓器(Dn)是由兩節(jié)阻抗不等的1/4波長(zhǎng)線組成。
3.如權(quán)利要求2所述的不等功率分配/合成器，其特征是相移變壓器(Dn)的第一節(jié)1/4波長(zhǎng)線為直角U形，第二節(jié)1/4波長(zhǎng)線為直線形。
4.如權(quán)利要求3所述的不等功率分配/合成器，其特征是本微帶不等功率分配/合成器是在兩塊緊貼在一起的圓形微帶印刷電路板1、2上成形的，其中兩電路板的中間公共面接地，支路匯交點(diǎn)O1位于圓心，各支路1/4波長(zhǎng)線(B1、B2、B3)、移相器(C1、C2、C3)及相移變壓器(D1、D2、D3)的第一節(jié)1/4波長(zhǎng)線(D11、D12、D13)設(shè)在一個(gè)電路板1上，相移變壓器的第二節(jié)1/4波長(zhǎng)線(D21、D22、D23)及隔離電阻設(shè)在另一電路板2上。
全文摘要
本發(fā)明是一種具有兩個(gè)以上分支端口的微帶多路不等功率分配／合成器。它包括一個(gè)插入支路匯交點(diǎn)和總的混合端口間的陰抗變換器，各支路采用阻抗不等的1/4波長(zhǎng)線，每一支路端口均旁接了一個(gè)由相移變壓器和隔離電阻串聯(lián)而成的隔離支路，各隔離支路匯交于一點(diǎn)，形成一個(gè)隔離網(wǎng)絡(luò)。另外，在各支路端口還插接了一個(gè)移相器，用于補(bǔ)償隔離電阻的尺寸所引起的信號(hào)相移。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)任意路數(shù)、任意端口阻抗的微波不等功率分配或合成。
文檔編號(hào)H03H7/48GK1065761SQ9210238
公開日1992年10月28日 申請(qǐng)日期1992年4月16日 優(yōu)先權(quán)日1992年4月16日
發(fā)明者杭靠文, 李學(xué)博, 王曉民 申請(qǐng)人:李學(xué)博, 杭靠文, 王曉民