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功率放大器作為雷達、干擾機的核心，其技術水平決定了這些裝備的戰術性能，是現代戰爭中的關鍵技術。但行波管和大功率固態功率放大器在工作頻段內往往存在較大的增益波動，不能達到武器裝備的要求。目前大都采用引入均衡網絡的方法來解決這個問題，這個網絡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生幅度畸變，插入的這個網絡就是功率均衡器。

　　由于微帶枝節型均衡器具有體積小和高可靠性的優點，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、體積小的優點，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

　　一個均衡器實際上是由多個陷波器構成，從而實現我們需要的衰減曲線，因此，我們從單個陷波器出發，來分析均衡器的工作原理。如圖1所示，是一個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，通過調節L和C，可以調節該陷波器的中心頻率，而調節串聯電阻R，可以調節陷波器的Q值，從而實現對衰減大小和陷波器的工作頻段的調節。

　　我們將多個接地諧振回路級聯起來，形成級聯網絡如圖2所示，級聯網絡的T矩陣與各個諧振枝節T矩陣的關系如下：

(1)

　　再由T矩陣和S矩陣的轉換關系，得到級聯網絡的S矩陣。如果每級陷波器的輸入輸出都是匹配的，則級聯網絡的s21可以寫為：

(2)

　　根據級數展開理論，用無限多的陷波器子結構相級聯，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，然后通過級聯的方式，實現均衡器的設計。通過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。

　　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上，所以造成該均衡網絡的輸入輸出阻抗發生變化，因此兩邊需要添加匹配網絡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，因此該結構諧振器具有強耦合特性，并且不會像傳統開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度和電阻的大小時的頻率仿真曲線，可見當增大電阻時，陷波器的Q值減小，而減小諧振器的長度時，陷波器的中心頻率升高。所以可以通過改變諧振器的長度和電阻的大小，實現對中心頻率和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，我們采用三個陷波子結構級聯設計制作了一個微帶均衡器，圖5是該型號均衡器的S21和S11仿真結果曲線，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的正下方接地板上，增大了傳輸線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上，因而對整個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。同時由于該結構是立體結構，為LTCC等新技術在均衡器設計中的運用提供了一個新的思路。