改進型Gysel功率分配/合成器原理設計

本文對Gysel功率分配/合成器進行了改進，目的是提高其隔離度、回波損耗等指標的寬帶特性。通過對整個拓撲的改進，新功率分配/合成器的插入損耗、回波損耗、隔離度等指標明顯優于Gysel功分器，而且各個微帶支節的阻抗值是確定的，非常便于設計。

在微波電路中，功率分配/合成器是非常重要的器件，它廣泛應用于饋線系統、混頻及功率放大器中。Gysel功率分配/合成器由Ulrich H．Gysel于1975年提出，其拓撲結構介于分支線耦合器結構和威爾金森結構之間，與分支線耦合器一樣，其終端負載可以通過一段任意長度，且特性阻抗與負載阻抗相同的傳輸線引到電路上的任意位置，因而負載可以根據需要外接在電路上，便于大功率負載的使用；同時具有和威爾金森功率分配／合成器一樣的相對帶寬。此外，Gysel功率分配／合成器可以采用同軸線、帶狀線、空氣板線及微帶線等多種形式實現。但是，Gysel功率分配／合成器也存在一些缺點：首先，Gysel形式在20％相對帶寬情況下，其插入損耗、駐波等指標比威爾金森形式要好，顯示出較好的寬帶特性。但窄帶情況下，當傳輸線損耗相同時，Gysel形式的損耗值約為0.12 dB，威爾金森則為0.1 dB，駐波也稍大一些。其次，在輸入輸出端口回波損耗小于-20 dB的原則下，Gysel功率分配／合成器的相對帶寬為20％左右，在一些寬頻帶應用的場合，Gysel功率分配／合成器的帶寬仍需要提高。另外，在設計Gysel功率分配／合成器時，各個微帶支節的阻抗值不是完全確定的，其中兩個隔離電阻間的λ0／2微帶線的阻值隨帶寬、隔離度等指標的要求變化，不利于設計和應用。

1 結構及原理分析

傳統微帶型Gysel功分器的結構如圖1所示，由4個λ₀／4微帶線及1個λ₀／2微帶支節構成。對于Gysel功分器典型的分析方法是奇偶模分析法及單位元素(Unit Elements)分析方法。一般來說，Gysel功率分配／合成器各個微帶支節的阻抗值可以取：


1.1? 奇偶模分析

為簡單起見，用端口1的特性阻抗Z0歸一化所有阻抗。歸一化及對稱形式下的改進型Gysel功率分配／合成器如圖3所示，在輸出端口接電壓源，當Vg2與Vg3等幅同相時，為偶模激勵。此時，中心對稱平面相當于一個磁壁(開路)。當Vg2與Vg3等幅反相時，為奇模激勵。此時，中心對稱平面相當于一個電壁(短路)。


偶模狀態下，取V_g2=V_g3=2V₀，其等效電路如圖4(a)所示。由λ₀／4微帶阻抗變換作用可知，在端口3處相當于短路，從而隔離網絡在端口2處相當于開路。從端口2向端口1的阻抗為：




1.2? 帶寬、隔離度及插入損耗的比較分析

奇偶模分析方法不能夠解釋傳輸線的結效應，而且采用何種類型的傳輸線結對整個功率分配／合成器的帶寬性能有非常重要的影響。本文利用Agilent ADS軟件進行仿真優化，得到改進型Gysel功分器的性能曲線，并將其與傳統Gysel功分器的性能進行了比較，結果如圖5～圖7所示。因為功率分配／合成器的結構是對稱的，S21與S31的曲線基本上完全一致，所以本文只給出了S21的仿真曲線。

由圖5可知，在輸入輸出端口回波損耗小于-20 dB的原則下，改進型Gysel功率分配／合成器的帶寬大約為30％，明顯優于傳統Gysel功分器(帶寬大約為20％)，顯示出良好的寬帶特性。而且，由圖6可知，在10％的頻帶內，改進型Gysel功率分配／合成器的插入損耗要比傳統Gysel功率分配／合成器小0.015 dB左右。另外，由圖7可知，改進型Gysel功率分配／合成器的隔離度在寬頻帶內明顯優于傳統的Gysel功率分配／合成器。

2? 實? 例

根據上述分析，采用微帶電路多級級聯的實現方式，設計了C波段帶寬為600 MHz的四路功率分配／合成器(實物圖見圖8)。第一級電路隔離網絡的環路數為3，主要是因為對合成陣最外層的功分器的要求最高，而對最內層功分器的要求卻可以越來越低。四路功分性能測試數據如表1、表2所示。由測試數據可以看出各端口損耗較小，幅度均衡性好(小于0.15 dB)，工作頻帶內端口駐波均小于1.25，各分配端口之間的隔離度大于24 dB，與軟件仿真結果一致。插入損耗較大主要是由于實際應用時要求的結構尺寸大，導致電路中的微帶傳輸線較長，傳輸損耗較大。該分配器在實際應用時作為激勵級的功率分配器，插入損耗滿足使用要求。



3 結? 語

介紹了一種改進型Gysel功率分配／合成器工作原理及拓撲結構；通過與傳統Gysel功率分配／合成器的性能進行對比可以看到，該功率分配／合成器具有寬頻帶、低損耗及高隔離度等優點。在此基礎上設計制作了C波段四路功率分配／合成器，其性能指標符合預期要求。