1 引言

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。

2 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。如圖1所示，是一個(gè)單枝節(jié)陷波器的電路模型及其頻率響應(yīng)特性，圖1（b）中、分別代表頻率響應(yīng)特性的上下截止角頻率，通過(guò)調(diào)節(jié)L和C，可以調(diào)節(jié)該陷波器的中心頻率，而調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻R，可以調(diào)節(jié)陷波器的Q值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減大小和陷波器的工作頻段的調(diào)節(jié)。

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：

（1）

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：

（2）

根據(jù)級(jí)數(shù)展開(kāi)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。

圖1 （a）陷波器電路模型

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。

3 均衡器的設(shè)計(jì)

3.1 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(kāi)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。

圖2 枝節(jié)型均衡器電路拓?fù)鋱D

3.2 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(kāi)路枝節(jié)一樣占用太多的空間。

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。

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(jiàn)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。

圖4 （a）諧振器長(zhǎng)度對(duì)S21的影響

圖4 （b）電阻大小對(duì)S21的影響

3.3 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。

圖5 （a）S21仿真結(jié)果

圖5 （b）S11仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文采用一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)不但大大節(jié)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(duì)整個(gè)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(dá)到良好的匹配，大大減小了均衡器的設(shè)計(jì)難度。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)均衡器與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比駐波和高端插損都有較大改善。同時(shí)由于該結(jié)構(gòu)是立體結(jié)構(gòu)，為L(zhǎng)TCC等新技術(shù)在均衡器設(shè)計(jì)中的運(yùn)用提供了一個(gè)新的思路。