一種新型小體積均衡器的設計和運用

　　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定了這些裝備的戰術(shù)性能，是現代戰爭中的關(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往往存在較大的增益波動(dòng)，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(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，這個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò )就是功率均衡器。

　　由于微帶枝節型均衡器具有體積小和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，所以在微波頻段得到了廣泛的運用，但是由于該結構均衡器將電阻直接加載在了主傳輸線(xiàn)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構，該結構均衡器具有結構緊湊、體積小的優(yōu)點(diǎn)，和傳統枝節型均衡器相比，駐波系數和高端插損都有較大改善。

　　2 物理模型

　　一個(gè)均衡器實(shí)際上是由多個(gè)陷波器構成，從而實(shí)現我們需要的衰減曲線(xiàn)，因此，我們從單個(gè)陷波器出發(fā)，來(lái)分析均衡器的工作原理。如圖1所示，是一個(gè)單枝節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(guò)調節L和C，可以調節該陷波器的中心頻率，而調節串聯(lián)電阻R，可以調節陷波器的Q值，從而實(shí)現對衰減大小和陷波器的工作頻段的調節。

　　我們將多個(gè)接地諧振回路級聯(lián)起來(lái)，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(gè)諧振枝節T矩陣的關(guān)系如下：

(1)

　　再由T矩陣和S矩陣的轉換關(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(xiě)為：

(2)

　　根據級數展開(kāi)理論，用無(wú)限多的陷波器子結構相級聯(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，以諧振枝節加電阻陷波器單元作為均衡器子結構，然后通過(guò)級聯(lián)的方式，實(shí)現均衡器的設計。通過(guò)調整各子結構的諧振頻率和Q值從而逼近我們所需要的均衡曲線(xiàn)。

　　3 均衡器的設計

　　3.1 傳統枝節均衡器

　　如圖所示為傳統枝節型均衡器的電路拓撲圖，該結構均衡器以λ/4開(kāi)路枝節作為諧振枝節，加電阻構成陷波單元，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(xiàn)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，而且用該結構設計的均衡器高端插損也很大。

　　圖2 枝節型均衡器電路拓撲圖

　　3.2 新結構均衡器子結構設計

　　圖3是本文所提出的新結構均衡器的陷波器子結構，諧振器位于主傳輸線(xiàn)的正下方，由通孔和主傳輸線(xiàn)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(xiàn)是由通孔直接相連，二者之間存在寬邊耦合，因此該結構諧振器具有強耦合特性，并且不會(huì )像傳統開(kāi)路枝節一樣占用太多的空間。

　　圖3 新結構陷波器模型

　　根據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為改變諧振枝節的長(cháng)度和電阻的大小時(shí)的頻率仿真曲線(xiàn)，可見(jiàn)當增大電阻時(shí)，陷波器的Q值減小，而減小諧振器的長(cháng)度時(shí)，陷波器的中心頻率升高。所以可以通過(guò)改變諧振器的長(cháng)度和電阻的大小，實(shí)現對中心頻率和Q值的調節，所以該結構能夠達到均衡器子結構的要求。

　　圖4 (a)諧振器長(cháng)度對S21的影響

　　圖4 (b)電阻大小對S21的影響

　　3.3 新結構均衡器設計和仿真結果

　　根據需要，我們采用三個(gè)陷波子結構級聯(lián)設計制作了一個(gè)微帶均衡器，圖5是該型號均衡器的S21和S11仿真結果曲線(xiàn)，很明顯可以看出，采用新結構設計制作的均衡器在工作頻段內能保證S11小于-20dB，而高端插損小于-2dB，說(shuō)明采用該結構能很好的改善均衡器的駐波和高端插損。

　　圖5 (a)S21仿真結果

　　圖5 (b)S11仿真結果

　　4 結論

　　本文采用一種新的結構設計制作了均衡器，將諧振器放于主傳輸線(xiàn)的正下方接地板上，增大了傳輸線(xiàn)和諧振器之間的耦合量。該結構不但大大節省了均衡器的體積，而且由于電阻不是直接加載在主傳輸線(xiàn)上，因而對整個(gè)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計難度。通過(guò)對仿真結果的分析，驗證了該結構均衡器與傳統結構相比駐波和高端插損都有較大改善。同時(shí)由于該結構是立體結構，為L(cháng)TCC等新技術(shù)在均衡器設計中的運用提供了一個(gè)新的思路。