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技術(shù)攻略:結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的均衡器設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2014-12-09 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】在雷達(dá)和干擾機(jī)等戰(zhàn)略技術(shù)方面,行波管和大功率固態(tài)功率放大器作為核心,是戰(zhàn)斗裝備的關(guān)鍵所在。但是行波管和大功率固態(tài)放大器的工作頻段往往不能滿足武器裝備的要求。均衡器就是這樣產(chǎn)生的。本文提出了結(jié)構(gòu)緊湊且體積小的均衡器設(shè)計(jì)方案。

行波管和大功率固態(tài)功率放大器作為雷達(dá)、干擾機(jī)的核心,其技術(shù)水平?jīng)Q定了這些裝備的戰(zhàn)術(shù)性能,是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)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(nèi)往往存在較大的增益波動(dòng),不能達(dá)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(hào)的畸變特性相反,這樣就可以使信號(hào)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(jié)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(yùn)用,但是由于該結(jié)構(gòu)均衡器將電阻直接加載在了主傳輸線上,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(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)均衡器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的優(yōu)點(diǎn),和傳統(tǒng)枝節(jié)型均衡器相比,駐波系數(shù)和高端插損都有較大改善。

物理模型

一個(gè)均衡器實(shí)際上是由多個(gè)陷波器構(gòu)成,從而實(shí)現(xiàn)我們需要的衰減曲線,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。

我們將多個(gè)接地諧振回路級(jí)聯(lián)起來(lái),形成級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示,級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的T矩陣與各個(gè)諧振枝節(jié)T矩陣的關(guān)系如下:
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再由T矩陣和S矩陣的轉(zhuǎn)換關(guān)系,得到級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的S矩陣。如果每級(jí)陷波器的輸入輸出都是匹配的,則級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的s21可以寫為:
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根據(jù)級(jí)數(shù)展開理論,用無(wú)限多的陷波器子結(jié)構(gòu)相級(jí)聯(lián),可以合成任意的響應(yīng)特性波形。

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圖1(a):陷波器頻率響應(yīng)特性
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圖1 (b)陷波器頻率響應(yīng)特性
 
因此,以諧振枝節(jié)加電阻陷波器單元作為均衡器子結(jié)構(gòu),然后通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式,實(shí)現(xiàn)均衡器的設(shè)計(jì)。通過(guò)調(diào)整各子結(jié)構(gòu)的諧振頻率和Q值從而逼近我們所需要的均衡曲線。
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傳統(tǒng)枝節(jié)均衡器

如圖所示為傳統(tǒng)枝節(jié)型均衡器的電路拓?fù)鋱D,該結(jié)構(gòu)均衡器以λ/4開路枝節(jié)作為諧振枝節(jié),加電阻構(gòu)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(dá)到要求,而且用該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的均衡器高端插損也很大。

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圖2 枝節(jié)型均衡器電路拓?fù)鋱D
 
新結(jié)構(gòu)均衡器子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

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圖3 新結(jié)構(gòu)陷波器模型
 
根據(jù)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。
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圖4為改變諧振枝節(jié)的長(zhǎng)度和電阻的大小時(shí)的頻率仿真曲線,可見當(dāng)增大電阻時(shí),陷波器的Q值減小,而減小諧振器的長(zhǎng)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(zhǎng)度和電阻的大小,實(shí)現(xiàn)對(duì)中心頻率和Q值的調(diào)節(jié),所以該結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到均衡器子結(jié)構(gòu)的要求。

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圖4 (a)諧振器長(zhǎng)度對(duì)S21的影響
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圖4 (b)電阻大小對(duì)S21的影響
 
新結(jié)構(gòu)均衡器設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果

根據(jù)需要,我們采用三個(gè)陷波子結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)制作了一個(gè)微帶均衡器,圖5是該型號(hào)均衡器的S21和S11仿真結(jié)果曲線,很明顯可以看出,采用新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作的均衡器在工作頻段內(nèi)能保證S11小于-20dB,而高端插損小于-2dB,說(shuō)明采用該結(jié)構(gòu)能很好的改善均衡器的駐波和高端插損。

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圖5 (a)S21仿真結(jié)果
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圖5 (b)S11仿真結(jié)果
 
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