一种短波宽带七路同相功率合成器的设计

罗良金，任晓飞，李文超

(中国电波传播研究所，青岛 266107)

一种短波宽带七路同相功率合成器的设计

罗良金，任晓飞，李文超

(中国电波传播研究所，青岛 266107)

摘要：分析了传输线变压器混合网络特性，通过多级传输线网络组合，实现了短波宽带七路同相功率合成器。该合成器在工作频带1.5～30 MHz范围内，具有阻抗平稳、低插入损耗、高隔离度的特点，实际测试结果表明：合成器最大插损小于0.4 dB，各端口幅度不一致性小于0.2 dB，相位不一致性小于1°，能够实现无失真功率输出。

关键词：功率合成器；传输线变压器；混合网络

0引言

当前波束合成技术是雷达、通信领域研究的热点之一，在现有的体系架构下有数字波束合成与模拟合成2种类型。模拟波束合成具有接收信号无失真、合成波束可共用的特点，目前在一些场合具有重要的使用价值。在模拟波束合成中，同相功率合成器是构成波束合成网络的重要组成部分，其多为无源网络结构。一个理想的功率合成电路应满足功率相加条件和隔离条件。传输线变压器构成的混合网络可以满足这2个条件，并且传输线变压器体积小、结构简单、频带宽、损耗小，因而传输线变压器构成的混合网络是功率合成电路的重要形式之一[1]。

同相功率合成器多为2路等功率合成或以其为基本组成单元的2n路等功率合成。目前很少有专门介绍七路同相功率合成器设计的文献资料。本文分析传输线变压器混合网络特性，以传输线变压器混合网络为基本单元，通过多级组合设计了一种短波宽带七路同相功率合成器。

1传输线变压器混合网络

传输线变压器是把一对以上的互相绝缘的双导线均匀地并绕或绞绕在一个铁氧体磁环上，把线的两端适当连接而成[2]。图1是其典型电路原理图。

图1　传输线变压器电路原理图

图2　传输线变压器D端激励

图3　传输线变压器B端激励

根据图2列出如下方程：

kU+U=IARA

(1)

(2)

联立式(1)、(2)，解得：

(3)

D端输入时，平衡端口A无输出， IA=0，由式(3)知，只有RB-kRC=0时，IA=0，即：

RB=kRC

(4)

把IA=0代入式(1)、(2)得:U=0，即B、D、C3点等电位，相当于短路。由于RD是电源内阻，对电源来说负载电阻为RB、RC并联。为获得最大功率输出，则：

(5)

式(4)代入式(5)，得：

(6)

信号源输出功率为：

(7)

(8)

(9)

PB+PC=PD

(10)

由式(10)知，D端输入功率传到了B、C端，而且B、C端的功率之和等于D端的功率。传输线变压器利用这种特性可以构成不等功率分配或合成。

根据图3列出如下方程：

kU+U=IARA

(11)

(12)

B端输入时，C端口无输出， IA-I=0，即：

IA=I

(13)

将式(6)、(11)、(13)代入式(12)解得：

(14)

通过对传输线变压器的分析知传输线变压器混合网络满足功率相加条件和隔离条件，而且其4个端口中的3个端口同相，与输入端隔离的端口必与其它3个端口反相。

D端的输入阻抗为：

(15)

(16)

将式(16)代入式(15)得：

(17)

当 RB=Rc=50Ω时，RD=25Ω。

2合成器设计

因为利用传输线变压器混合网络的特性可以进行不等功率的分配或合成，所以设计七路同相功率合成器可以采用传输线变压器混合网络分级合成方式进行。考虑对称性，本文采用两极合成的方式。第1级由2次二路等功率合成一路信号和1次三路等功率信号合成一路信号组成。第2级由1次三路不等功率合成一路信号组成。为了减少阻抗失配引起的损耗，在第1、2级之间，第2级与输出级之间进行阻抗变换。传输线变压器的线圈间会有漏感，为了补偿高频特性，实际电路中还应加入电容与漏感构成谐振回路。为了满足合路器工作频率范围1.5～30 MHz的要求，以及考虑合路器的对称性，构成传输线变压器的磁芯选择磁导率为1 000的双孔磁芯[4-8]。

图4为七路同相功率合成原理图，图5为七路同相功率合成框图。

图4　七路同相功率合成原理图

图5　七路同相功率合成框图

2.1　变压器匝数及隔离电阻设计

七路同相功率合成器包含7种传输线变压器。其中T1、T2、T4、T5变压器实现功率合成，T3、T6、T7实现阻抗变换。具体而言，T2、T4实现等功率合成，所以线圈匝数比均为1∶1；T1、T5是不等功率合成，根据功率比可以推出T1的线圈匝数比为1∶2，T5的线圈匝数比为3∶4；根据阻抗比可以推出T3的线圈匝数比为7∶5，T6的线圈匝数比为2∶1，T7的线圈匝数比为7∶4。

R=50 Ω，由公式(6)、(14)可以推出平衡电阻R1=100 Ω、R2=150 Ω、R3=67 Ω、R4=117 Ω、R5=58 Ω。

2.2　印制板设计

印制板长28 cm，宽11.8 cm，板厚0.2 cm，板的介电常数4.6，图6为七路等功率合成印制板图。A面是元件和连线，B面是接地层和焊盘。为了保证幅度、相位的一致性，各输入到输出之间的路径要尽量保证一致。

图6　七路等功率合成印制板图

3实测结果

根据以上设计电路焊接好所需元器件后，用网络分析仪对实际电路进行了驻波比、隔离度、插入损耗、幅度和相位一致性的调试测试，为了改善高频特性，加了C1～C4电容，C1=27 PF，C2=22 PF，C3=47 PF，C4=56 PF，表1～表6为实际测试数据。

表1　七路同相功率合成器驻波比

表2　七路同相功率合成器隔离度

需要注意：表4、表5中频率单位为MHz，1、2、3、4、5、6、7分别对应为输入1-输出、输入2-输出、输入3-输出、输入4-输出、输入5-输出、输入6-输出、输入7-输出通道。

表3　七路同相功率合成器插入损耗

表4　七路同相功率合成器幅度

表5　七路同相功率合成器相位

表6　七路同相功率合成器幅度、相位不一致性

本文设计的七路同相功率合成器通过实际测试，其工作频带在1.5～30 MHz范围内，驻波比小于1.2，隔离度大于30 dB，插入损耗小于0.4 dB，幅度不一致性小于0.2 dB，相位不一致性小于1°。

4结束语

本文采用传输线变压器混合网络方式设计出了一种短波宽带七路同相功率合成器，其在整个短波波段内具有较低的驻波比和插入损耗，较高的隔离度以及较好的幅相一致性，实现了七路等幅同相信号的功率合成，对短波波束合成技术应用具有重要的参考价值。

参考文献

[1]吴恒恒.传输线变压器相位补偿技术及其应用[J].微波学报，2009,25(5):51-55.

[2]王元坤，李玉权.线天线的宽频带技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,1995.

[3]睦聿文.同相功率合成网络的特性研究[J].贵州工业大学学报(自然科学版)，2001,36(6):71-73.

[4]张纪纲.射频铁氧体宽带器件[M].北京:科学出版社，1984.

[5]董书佩，郝树田.共用天线电视系统[M].北京:人民邮电出版社，1984.

[6]周杨.超宽带高功率合成器的设计研究[J].贵州大学学报(自然科学版)，2008,25(5):528-530.

[7]戴宾.功率相位合成技术在卫星传输系统中的应用[J].卫星与网络，2011(6):54-57.

[8]高雪.宽带传输线变压器的分析与设计[J].电波科学学报，2001,16(4):447-449.

Design of A Shortwave Wideband 7-channel In-phase Power Synthesizer

LUO Liang-jin，REN Xiao-fei，LI Wen-chao

(China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107,China)

Abstract:This paper analyzes the characteristics of mixed network for transmission line transformer,realizes the shortwave wideband 7-channel in-phase power synthesizer by means of multiple transmission line net combination.The power synthesizer has the characteristics of steady impedance,smaller insert loss,higher isolation in operating frequency band of 1.5~30 MHz.The practical test results show:for the synthesizer,the max insert loss is less than 0.4 dB,amplitude uniformity of each port is less than 0.2 dB,phase uniformity is less than 1°,which can realize the distortionless of power output.

Key words:power synthesizer;transmission line transformer;mixed network

收稿日期:2015-01-13

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.025

中图分类号：TN73

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2015)03-0090-05