基于Gysel功分網(wǎng)絡(luò)兼容實(shí)現(xiàn)幅度均衡功能的應(yīng)用設(shè)計(jì)

作者：彭高森，汪邦金，季飛

1 問(wèn)題的提出

Gysel功分網(wǎng)絡(luò)的理論闡述早在20世紀(jì)70年代由Ulrich Gysel H提出，是Wilkinson功分網(wǎng)絡(luò)的一種變形，但是發(fā)展出平面型的微帶Gysel功分網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間并不長(zhǎng)，還是比較薪型的功分器。由于其在高功率性能方面的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。通常用在傳輸功率較大而幅相一致性要求又很高的網(wǎng)絡(luò)里面，例如功率組件中最后一級(jí)的驅(qū)動(dòng)功分或固態(tài)發(fā)射機(jī)的激勵(lì)功分網(wǎng)絡(luò)。這種功分網(wǎng)絡(luò)常用的1：2電路拓?fù)湫问饺鐖D1所示，也可根據(jù)實(shí)際電路布局對(duì)形狀做些變形。

1口為輸入口，2，3口為功率輸出口；隔離口的終端負(fù)載可以直接接地便于散熱，因此終端負(fù)載可以選擇大功率容量的電阻，這樣GyseI功分網(wǎng)絡(luò)兩功分口輸出的信號(hào)具有良好的幅相一致性，又具有很高的功率容量．而且輸出端口的不平衡度可同時(shí)監(jiān)測(cè)。

Gysel的傳統(tǒng)用法為：

Z0=50 Ω（均相對(duì)中心頻率）；

Z1=70.7 Ω，長(zhǎng)度為1／4λ；

Z2=50 Ω，長(zhǎng)度為1／4λ；

Z3=25 Ω，長(zhǎng)度為1／2λ；

信號(hào)在實(shí)際的傳輸過(guò)程中，會(huì)不可避免地發(fā)生幅度和相位畸變（即不平坦），特別在功率傳輸系統(tǒng)小，功率管的增益G（ω）是與一頻率有關(guān)的復(fù)數(shù)而非常數(shù)，幅度上必然存在較大的離散，多級(jí)級(jí)聯(lián)之后將進(jìn)一步惡化，典型的功率管增益曲線(xiàn)如圖2的B曲線(xiàn)所示。如糶使已經(jīng)畸變的信號(hào)經(jīng)過(guò)幅度均衡網(wǎng)絡(luò)，而均衡網(wǎng)絡(luò)的衰減特性在有用頻帶內(nèi)與傳輸網(wǎng)絡(luò)的衰減特性相反，如圖2的A曲線(xiàn)所示，這樣相互補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果，使兩者總的幅度特性滿(mǎn)足了無(wú)畸變條件，即幅度平坦要求，理想狀態(tài)如圖2的C曲線(xiàn)所示。

功率均衡網(wǎng)絡(luò)按傳輸介質(zhì)分有波導(dǎo)式、同軸式和集成傳輸式3種，集成傳輸式均衡網(wǎng)絡(luò)在微帶或帶狀線(xiàn)上形成均衡電路，具有體積小、重量輕、方便與固態(tài)電路集成的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。在如今的功率組件沒(méi)計(jì)中，用微帶幅度均衡網(wǎng)絡(luò)合理地控制每級(jí)功率管的激勵(lì)功率并對(duì)頻帶內(nèi)的增益進(jìn)行均衡，已成為確保功率組件高電性能、可靠性的一種不可或缺的設(shè)計(jì)手段。

而在實(shí)際的功率組件設(shè)計(jì)中，往往由于空間尺寸的限制，功率放大鏈最后一級(jí)無(wú)法設(shè)置幅度均衡網(wǎng)絡(luò)。為了滿(mǎn)足幅度帶內(nèi)起伏0.8 dB的設(shè)計(jì)要求，是否可以將Gysel功分網(wǎng)絡(luò)做一些變形，兼顧幅度均衡功能，進(jìn)行兩者的一體化設(shè)計(jì)？

2 設(shè)計(jì)思路

均衡網(wǎng)絡(luò)按均衡性質(zhì)分類(lèi)有反射式和吸收式兩大類(lèi)，無(wú)論反射式還是吸收式都有能量的衰減。反射式均衡網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)耗均衡網(wǎng)絡(luò)加隔離器的電路形式，均衡網(wǎng)絡(luò)將部分功率反射到隔離器上消耗來(lái)達(dá)到帶內(nèi)均衡。一般而言，Gysel功分網(wǎng)絡(luò)的輸入端都裝有隔離器，同時(shí)隔離端口接終端負(fù)載可以吸收因?yàn)檩敵龆笋v波比變差引起的反射功率。

這里可以恰當(dāng)?shù)馗淖僄ysel功分網(wǎng)絡(luò)的T型頭結(jié)構(gòu)以及Z1，Z2和Z3的阻抗值，Z1，Z2和Z3不取傳統(tǒng)意義上的典型值，用微波軟件進(jìn)行仿真，如果Gysel功分網(wǎng)絡(luò)的幅頻曲線(xiàn)能達(dá)到圖2的A曲線(xiàn)要求，理論上可以考慮將兩者進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

3 軟件仿真

用微波軟件Microwave Office進(jìn)行仿真，第一步先建立傳統(tǒng)意義上的Gysel 1：2功分網(wǎng)絡(luò)的電路模型。如圖3所示。

除了關(guān)心其S21和S31幅頻特性外，各端口駐波特性對(duì)最終產(chǎn)品的工作穩(wěn)定性尤為重要。其散射參數(shù)如圖4和圖5所示。

可以看到，典型的1：2 Gysel各端口的反射系數(shù)優(yōu)于-20 dB，S21和S31一致性很好，插損在-3.11 dB和-3.17 dB之間，起伏非常小甚至可以忽略不計(jì)，這是Gysel的常規(guī)用法。

為了達(dá)到設(shè)計(jì)目的，Z1，Z2和Z3不取傳統(tǒng)意義上的阻抗值，把其長(zhǎng)度L和寬度W均設(shè)為可調(diào)節(jié)的變量，并且采用分頻段設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)的方法來(lái)滿(mǎn)足特殊的幅度均衡要求。

優(yōu)化結(jié)果非常接近我們的設(shè)置目標(biāo)。改進(jìn)型1：2 Gysel散射參數(shù)見(jiàn)圖6和圖7。

除輸入端低頻端駐波略差外，其余均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，因?yàn)镚ysel的輸入端外接有隔離器，對(duì)外圍電路的穩(wěn)定性不會(huì)有影響。而S21和S31的幅值在-3.3 dB和-4.2 dB之間，很好地滿(mǎn)足了帶內(nèi)起伏0.8 dB的設(shè)計(jì)要求。Z2優(yōu)化后非常接近于50 Ω，因此只需對(duì)Z1和Z3的優(yōu)化即可。

由此可見(jiàn)，改進(jìn)的Gysel功分網(wǎng)絡(luò)具有幅度均衡功能，換言之，可以實(shí)現(xiàn)功分網(wǎng)絡(luò)和均衡網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計(jì)。

對(duì)稱(chēng)微帶T型接頭在不同的應(yīng)用場(chǎng)合可以等效為各種形式的三端口網(wǎng)絡(luò)，而不對(duì)稱(chēng)T型接頭的分析則更為復(fù)雜，這里嘗試性地對(duì)Gysel功分網(wǎng)絡(luò)的T型接頭做些改動(dòng)，結(jié)構(gòu)形式偏離其固化狀態(tài)，用HFSS微波軟件進(jìn)行三維仿真，可以得到更加接近優(yōu)化目標(biāo)的結(jié)果。

4 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際測(cè)試的改進(jìn)型1：4 Gysel功分網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果較為吻合，本電路已大量應(yīng)用于多個(gè)產(chǎn)品中，收到了良好的預(yù)期效果。實(shí)物圖見(jiàn)圖8。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文打破傳統(tǒng)用法，創(chuàng)新性地提出了一種Gysel微帶功分網(wǎng)絡(luò)與幅度均衡網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計(jì)思路。在大功率場(chǎng)合，可對(duì)多級(jí)功率放大鏈惡化后幅度特性進(jìn)行一定的功率分配和幅度補(bǔ)償，完成對(duì)后一級(jí)功率管的近似等激勵(lì)驅(qū)動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)電路的小型化。有較大的實(shí)用價(jià)值。

同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，S21和S31的幅頻特性為單調(diào)變化且?guī)挷怀^(guò)20％，這種一體化設(shè)計(jì)具有一定的局限性，對(duì)于帶寬較寬或有特殊要求的應(yīng)用，有待于進(jìn)一步深入研究。

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