专利名称：微带多路不等功率分配/合成器的制作方法
技术领域：
本发明属于阻抗网络，是一种具有两个以上分支端口的微带多路不等功率分配/合成器。
目前，微带多路等功率分配/合成器已较广泛地获得应用。随着技术的发展，在一些领域中，特别是在相控阵雷达系统中，要求其天线阵的馈电网络是一个多路不等功率分配/合成器，以使天线阵获得最大方向性增益和最低副瓣的辐射特性。单从分配的角度而言，实现多路不等功率的分配并不困难。但从功率合成的角度出发，因实际的支路端口源并非处于理想状态，所以要使各支路端口的微波功率能够无反射地传输到总的混合端口必需保证各支路间的相互隔离以及各支路有完全相同的传输相位。对于两路不等功率分配/合成器，在两支路间接一电阻即可实现支路间的隔离;但对于三路以上而言，因各支路间的相互影响比较复杂，仅采用隔离电阻是难以作到各支路间相互隔离的。所以，目前较成熟的微带多路不等功率分配/合成器仅限于两路的功率分配或合成。美国专利US4721929记载了一种两路不等功率分配/合成器，它由八节1/4波长线和两个电阻组成。实际上它是由两级两路不等功率分配/合成器组合而成，以期获得较大的分配比。就每一级而言，它包括一个插入支路汇交点和总的混合端口间的一节1/4波长线阻抗变换器、由支路汇交点延伸的两路阻抗不等的1/4波长线和位于两支路间的隔离电阻。从理论上讲，虽然可用多个两路不等功率分配/合成器进行组合，即一分为二，二分为四……。但这种以两路不等功率分配/合成器为基本单元进行多路不等功率分配或合成所存在的问题是1、路数只能是2n(n＝1，2，....)，这显然不能满足实际的路数要求;2、体积大;3、设计复杂;因此，到目前为止还未见到过这一类型的实例。所以，目前在相控阵雷达系统中或者采用多路等功率分配/合成器作馈电网络，或者在多路等功率分配/合成器各支路端口增加一复杂的衰减网络，来实现多路不等功率的分配或合成。前者不仅使系统的作用距离变短，使扫描空间缩小，而且还大大降低了信号分辨率;后者除了白白浪费掉宝贵的射频功率外，还成倍地增加了设备体积、重量和成本。
本发明的目的是提供一种可实现两路以上任意路数的微带不等功率分配/合成器。该微带不等功率分配/合成器的端口阻抗值可以是以微带准TEM模实现的任意值。
要实现两路以上的不等功率分配或合成，除了要求总的混合端口和各支路端口均处于完全匹配状态外，同时还要求各支路间相互隔离以及各支路有完全相同的传输相位，以保证在各支路微波源处于不理想状态时相互间不会产生不良影响，并保证器件的相位对称性。
本发明的目的就是根据上述要求按以下方式来实现的所提供的微带多路不等功率分配/合成器包括一个插入支路汇交点和总的混合端口间的阻抗变换器、由支路汇交点延伸的多路阻抗不等的1/4波长线和各支路隔离电阻Rn，本发明的特别之处是1、在前述的每一支路的1/4波长线和支路端口间插接一个微带移相器，其长度
，式中n-表示各支路代号的自然数;Δθn-由支路隔离电阻Rn的长度所引起的相移量;εen-支路端口微带线的有效介电常数;
2、每一支路端口均旁接一个由相移变压器和支路隔离电阻Rn串联而成的隔离支路，各隔离支路汇交于一点形成一个隔离网络;
2.1、各相移变压器的电压变换比T1，T2，…Tn应满足关系式(1/T1)∶(1/T2)……∶(1/Tn)＝(K1
)∶(K2
……∶(Kn
)，相移量均为π，式中n-表示各支路代号的自然数，Kn-各支路端口的功率传输比的平方根，Zn-支路端口阻抗;
2.2、各支路隔离电阻Rn＝(1/Tn)2·Zn;
3、前述每一支路的1/4波长线的阻抗
式中n-表示各支路代号的自然数;Kn-各支路端口的功率传输比的平方根;Zoi-支路汇交点处各支路的等效阻抗，其值按关系式 1/(Zo1) : 1/(Zo2) ……: 1/(Zon) ＝K21∶K22……∶K2n确定，Zn-支路端口阻抗。
下面结合附图对本发明的内容加以详细说明。
图1是本发明的原理图。
图2是本发明第一实施例的结构图之一。
图3是本发明第一实施例的结构图之二。
图4是本发明第二实施例的结构图。
如图1所示Zo是总的混合端口O处的阻抗，A为插入支路汇交点和总的混合端口间的阻抗变换器，它可以是偶数节1/16波长短阶梯阻抗变换器或偶数节的低通变阻滤波器，也可以是多节阶梯阻抗变换器，具体类型视总的混合端口阻抗和汇交点O1的阻抗变换比而定。
B1，……Bn是按规定路数设置的各支路，均采用1/4波长线，其作用是使各支路获得所设定的功率传输比，并实现汇交点O1和各支路端口的阻抗匹配。
设总的混合端口的阻抗为Zo，1～n支路端口阻抗分别为Z1，…Zn，为了使各支路端口功率传输比分别为K21，K22……，K2n，则支路汇交点O1处的各支路等效阻抗Zo1…Zon必须满足以下关系1/(Zo1) : 1/(Zo2) ……: 1/(Zon) ＝K21∶K22……∶K2n由此可求得各支路1/4波长线B1，……Bn的特性阻抗分别为Z11=K1Z1/Σi=1n1Zo1]]>……
Zn1=KnZ1/Σi=1n1Zo1]]>设r=Zo·Σi=1n1Zo1]]>为总的混合端口与支路汇交点的阻抗变换比，由此便可决定阻抗变换器A的类型为当1≤r≤2时采用一节1/4波长阻抗变换器。
当2≤r≤10时采用偶数节1/16波长短阶梯阻抗变换器或同样节数的低通阻抗滤波器。
当r≥10时采用多节切比雪夫阶梯阻抗变换器。
图1中的D1……Dn为旁接于各支路端口的相移变压器;R1…Rn为各支路隔离电阻。各相移变压器与隔离电阻所构成的隔离支路汇交于点O2，形成一个D-R隔离网络，其作用是当微波功率从总的混合端口O1向各支路端口传输时，D-R网络在各支路端口呈电开路状态，从而对各支路端口的传输功率和匹配状态均不产生影响;当微波功率从各支路向总的混合端口传输时，D-R网络吸收其向其余端口的传输功率，从而使各支路间处于相互不产生影响的隔离状态，以保证各支路输入的微波功率只单向传输给总的混合端口，同时还对各支路端口和总的混合端口的阻抗匹配不产生任何影响。
设在设计中心频率上总的混合端口和各支路端口之归一化入射波电压矢量为a0，a1……an，反射波电压矢量为b0，b1……bn，则两者间有如下关系
式中K1，K2，Kn为各支路的功传比的平方根;Sij(i、j为0、1、2…n的任意数)的含义是当i＝j时为功率分配/合成器0～n端口的反射系数;当i≠j时为功率分配/合成器0～n端口的互影响系数，即隔离系数。
若令Sij＝0，其中i＝j，则功率分配/合成器各端口处于完全匹配状态。
若令Sij＝0，其中i≠j，则功率分配/合成器处于完全隔离状态。由此便可求得各支路相移变压器D1，D2，…Dn的电压变换比T1，T2，…Tn应满足下列关系式(1/T1)∶(1/T2)……∶(1/Tn)＝(K1
)∶(K2
)……∶(Kn
)，相移量均为π，进而可求得各支路隔离电阻的值为Rn＝(1/Tn)2·Zn;
相移变压器D1，D2，…Dn可由两节阻抗不等或相等的1/4波长线组成。设第i端口相移变压器Di两节1/4波长线特性阻抗为Zi2，Zi3，则其必需满足下列关系式( (Z12)/(Z13) )( (Z22)/(Z23) )……( (Z12)/(Z13) )……( (Zn2)/(Zn3) )=( 1/(T1) ):( 1/(T2) ):……( 1/(T1) )……( 1/(Tn) )任选Ti中的一个，其它T值随之而定，任选一组( (Z12)/(Z13) )中的Zi2、Zi3值，其它各组Zi2、Zi3值随之而定。
图1中的C1，C2，…Cn为微带移相器，其作用是补偿各隔离电阻的长度尺寸所引起的微波信号相移量。
设各支路隔离电阻R1，R2…Rn的长度分别为LR1，LR2，LRn，则由其引起的相移量Δθ1，Δθ2，…Δθn分别为Δθ1＝ (2π)/(C) foLR1Δθ2＝ (2π)/(C) foLR2……
Δθn＝ (2π)/(C) foLRn式中fo为功率分配/合成器设计中心频率，C为光速。由此便可求出各支路微带移相器的长度为Ln=Δθn/ϵan]]>，式中n-表示各支路代号的自然数;Δθn-由支路隔离电阻Rn的长度所引起的相移量;
本多路功率分配/合成器可采用圆形微带印刷电路板制成，支路汇交点位于圆心，各支路端口的阻抗值可以微带准TEM模任选。对大多数的实际应用，一般有两种最佳选择一种是各支路端口阻抗和总的混合端口阻抗相等，即Z1＝Z2＝……Zn＝Z0;另一种是各支路端口阻抗Z1，Z2，……Zn和各支路的功率传输比满足下列关系式Z1∶Z2∶……Zn＝K21∶K22…K2n本发明的实例一如图2、图3所示。本实例具有三个支路，是在两块紧贴在一起的圆形微带印刷电路板1、2上光刻成形的。其中两电路板的中间公共面接地，各支路1/4波长线B1、B2、B3、移相器C1、C2、C3及相移变压器D1、D2、D3的第一节1/4波长线D11、D12、D13设在一个电路板1上，相移变压器的第二节1/4波长线D21、D22、D23及隔离电阻设在另一电路板2上。各相移变压器的二节1/4波长线之间用穿过绝缘孔3的金属丝焊接在一起，这样可在电路板上布置较多的支路。电路板2可比电路板1小，使较大的电路板1的底面露出一部分，以便于安装和接地。
电路板1、2采用聚四氟乙烯双面敷铜板，其厚度h＝1mm，相对介电常数εr＝2.8。本实例的设计中心频率fo＝1.0GHz，总的混合端口阻抗Zo和各支路端口阻抗Z1，Z2，Z3均等于50Ω，各支路功率传输比为K21＝ 1/4.5 ，K21＝ 2/4.5 ，K21＝ 1.5/4.5 ，支路汇交点O1位于圆心，根据上述设计条件，查微波工程手册和由本发明的前述计算公式计算得
支路汇交点O1和总的混合端口O间的阻抗变换器A采用四节1/16波长线，每节的宽度分别为4、15、2、7毫米;长度分别为11.9、17.3、12.2、11.6毫米。
各支路1/4波长线B1、B2、B3的宽度分别为1.1、1.9、1.5毫米;长度分别为50.4、49.3、50毫米。
各移相器C1、C2、C3的长度均等于2.5毫米。
各相移变压器D1、D2、D3的第一节1/4波长线D11、D12、D13为直角U形，其宽度分别为1.8、2.4、2.6毫米;长度分别为49.7、49.3、48.9毫米。第二节1/4波长线D21、D22、D23为直线形，其宽度分别为1.4、4.3、2.7毫米;长度分别为50、48、49毫米隔离电阻R1＝62Ω、R2＝50Ω、R3＝35Ω，选用1/2W，长度为11毫米的微带电阻。
实测结果在0.8～1.1GHz频带内插入损耗小于0.4dB，支路隔离度大于22.5dB。在中心频率上的插入损耗小于0.25dB，支路隔离度分别为31dB、33dB、31.6dB。
实例二如图4所示。本实例是在一块与实例一相同材质的双面敷铜板上制作的三路不等功率分配/合成器。支路汇交点O1和隔离支路的汇交点O2均位于圆心，其间用云母片4绝缘。设计中心频率fo＝1.1GHz，支路端口阻抗Z1＝100Ω、Z2＝50Ω、Z3＝10Ω，功率传输比为K21＝1/16，K22＝10/16，K23＝5/16。阻抗变换器A仍采用四节1/16波长线;相移变压器D1、D2、D3仍采用两节1/4波长线;其结构形式和实例一相同。实测结果在0.95～1.2GHz频带内插入损耗小于0.35dB，支路隔离度大于21dB。在中心频率上的插入损耗小于0.35dB，支路隔离度分别为31dB、32dB、35dB。
从以上可以看出，本发明的功率分配与支路隔离只决定于各支路1/4波长线的特性阻抗值、相移变压器的电压变比值和隔离电阻的大小，而各端口的阻抗可以是以设定的准TEM模实现的任意值。因此在实现其支路耦合度大于-20dB以内任意数值时，不仅在中心频率上能实现预定功率分配和支路隔离，而且也可在一定频带内满足工程要求，同时又可方便地与设备中其它电路或器件连接。
本发明不仅隔离度较高，分配比较大，而且体积小、易于制作;由于可采用微带电阻作隔离电阻，所以制造成本较低。从理论上讲，本发明可实现任意路数的不等功率分配或合成。在实际制作时，由于受空间的限制，通常在一块微带电路板上可制作10路以内的不等功率分配/合成器。但由于本发明的设计计算并不复杂，制作也容易，所以可以很方便地通过多级组合来实现任意路数的不等功率分配或合成。
本发明主要用于相控阵雷达系统中，也可在其它通讯、测控、导航等方面来替代传统的结构复杂、体积大、成本高的定向耦合器。
权利要求
1.微带多路不等功率分配/合成器，包括一个插入支路汇交点和总的混合端口间的阻抗变换器(A)、由支路汇交点延伸的多路阻抗不等的1/4波长线(Bn)和各支路隔离电阻Rn，其特征是1.1、在前述每一支路的1/4波长线(Bn)和支路端口间插接一个微带移相器(Cn)，其长度
，式中n-表示各支路代号的自然数；Δθn-由支路隔离电阻Rn的长度所引起的相移量；εan-支路端口微带线的有效介电常数；1.2、每一支路端口均旁接一个由相移变压器(Dn)和支路隔离电阻Rn串联而成的隔离支路，各隔离支路汇交于一点形成一个隔离网络；1.2.1、各相移变压器(Dn)的电压变换比T1，T2，…Tn应满足下列关系式(1／T1)(1／T2)……(1／Tn)=(K1
):(K2
)……(Kn
)，相移量均为π，式中n-表示各支路代号的自然数，Kn-各支路端口的功率传输比的平方根，Zn-支路端口阻抗；1.2.2、各支路隔离电阻Rn=(1/Tn)2·Zn；1.3、前述各支路的1/4波长线(Bn)的阻抗
式中n-表示各支路代号的自然数；Kn-各支路端口的功率传输比的平方根；Zoi-支路汇交点处各支路的等效阻抗，其值按关系式 1/(Zo1) : 1/(Zo2) …… 1/(ZOn) =K21:K22……:K2n确定，Zn-支路端口阻抗。
2.如权利要求1所述的不等功率分配/合成器，其特征是所说的相移变压器(Dn)是由两节阻抗不等的1/4波长线组成。
3.如权利要求2所述的不等功率分配/合成器，其特征是相移变压器(Dn)的第一节1/4波长线为直角U形，第二节1/4波长线为直线形。
4.如权利要求3所述的不等功率分配/合成器，其特征是本微带不等功率分配/合成器是在两块紧贴在一起的圆形微带印刷电路板1、2上成形的，其中两电路板的中间公共面接地，支路汇交点O1位于圆心，各支路1/4波长线(B1、B2、B3)、移相器(C1、C2、C3)及相移变压器(D1、D2、D3)的第一节1/4波长线(D11、D12、D13)设在一个电路板1上，相移变压器的第二节1/4波长线(D21、D22、D23)及隔离电阻设在另一电路板2上。
全文摘要
本发明是一种具有两个以上分支端口的微带多路不等功率分配／合成器。它包括一个插入支路汇交点和总的混合端口间的阴抗变换器，各支路采用阻抗不等的1/4波长线，每一支路端口均旁接了一个由相移变压器和隔离电阻串联而成的隔离支路，各隔离支路汇交于一点，形成一个隔离网络。另外，在各支路端口还插接了一个移相器，用于补偿隔离电阻的尺寸所引起的信号相移。本发明可实现任意路数、任意端口阻抗的微波不等功率分配或合成。
文档编号H03H7/48GK1065761SQ9210238
公开日1992年10月28日 申请日期1992年4月16日 优先权日1992年4月16日
发明者杭靠文, 李学博, 王晓民 申请人:李学博, 杭靠文, 王晓民