一种新型小体积均衡器的设计和运用

1 引言

行波管和大功率固态功率放大器作为雷达、干扰机的核心，其技术水平决定了这些装备的战术性能，是现代战争中的关键技术。但行波管和大功率固态功率放大器在工作频段内往往存在较大的增益波动，不能达到武器装备的要求。目前大都采用引入均衡网络的方法来解决这个问题，这个网络的特性恰好与信号的畸变特性相反，这样就可以使信号不发生幅度畸变，插入的这个网络就是功率均衡器。

由于微带枝节型均衡器具有体积小和高可靠性的优点，所以在微波频段得到了广泛的运用，但是由于该结构均衡器将电阻直接加载在了主传输线上，使得电路的反射大大增加，而且引入了较大的高端插损。本文提出了一种新颖的均衡器结构，该结构均衡器具有结构紧凑、体积小的优点，和传统枝节型均衡器相比，驻波系数和高端插损都有较大改善。

2 物理模型

一个均衡器实际上是由多个陷波器构成，从而实现我们需要的衰减曲线，因此，我们从单个陷波器出发，来分析均衡器的工作原理。如图1所示，是一个单枝节陷波器的电路模型及其频率响应特性，图1（b）中、分别代表频率响应特性的上下截止角频率，通过调节L和C，可以调节该陷波器的中心频率，而调节串联电阻R，可以调节陷波器的Q值，从而实现对衰减大小和陷波器的工作频段的调节。

我们将多个接地谐振回路级联起来，形成级联网络如图2所示，级联网络的T矩阵与各个谐振枝节T矩阵的关系如下：

（1）

再由T矩阵和S矩阵的转换关系，得到级联网络的S矩阵。如果每级陷波器的输入输出都是匹配的，则级联网络的s21可以写为：

（2）

根据级数展开理论，用无限多的陷波器子结构相级联，可以合成任意的响应特性波形。

图1 （a）陷波器电路模型

图1 （b）陷波器频率响应特性

因此，以谐振枝节加电阻陷波器单元作为均衡器子结构，然后通过级联的方式，实现均衡器的设计。通过调整各子结构的谐振频率和Q值从而逼近我们所需要的均衡曲线。

3 均衡器的设计

3.1 传统枝节均衡器

如图所示为传统枝节型均衡器的电路拓扑图，该结构均衡器以λ/4开路枝节作为谐振枝节，加电阻构成陷波单元，电路左端和右端加匹配电路，由于电阻是直接加载在主传输线上，所以造成该均衡网络的输入输出阻抗发生变化，因此两边需要添加匹配网络才能使驻波基本达到要求，而且用该结构设计的均衡器高端插损也很大。

图2 枝节型均衡器电路拓扑图

3.2 新结构均衡器子结构设计

图3是本文所提出的新结构均衡器的陷波器子结构，谐振器位于主传输线的正下方，由通孔和主传输线相连，在靠近通孔处加电阻，谐振器和接地板间留有0.3mm的缝隙，由于谐振器和主传输线是由通孔直接相连，二者之间存在宽边耦合，因此该结构谐振器具有强耦合特性，并且不会像传统开路枝节一样占用太多的空间。

图3 新结构陷波器模型

根据所要求的频率衰减特性，我们采用RF60介质基板，厚度为0.635mm，通孔直径为0.5mm。

图4为改变谐振枝节的长度和电阻的大小时的频率仿真曲线，可见当增大电阻时，陷波器的Q值减小，而减小谐振器的长度时，陷波器的中心频率升高。所以可以通过改变谐振器的长度和电阻的大小，实现对中心频率和Q值的调节，所以该结构能够达到均衡器子结构的要求。

图4 （a）谐振器长度对S21的影响

图4 （b）电阻大小对S21的影响

3.3 新结构均衡器设计和仿真结果

根据需要，我们采用三个陷波子结构级联设计制作了一个微带均衡器，图5是该型号均衡器的S21和S11仿真结果曲线，很明显可以看出，采用新结构设计制作的均衡器在工作频段内能保证S11小于-20dB，而高端插损小于-2dB，说明采用该结构能很好的改善均衡器的驻波和高端插损。

图5 （a）S21仿真结果

图5 （b）S11仿真结果

4 结论

本文采用一种新的结构设计制作了均衡器，将谐振器放于主传输线的正下方接地板上，增大了传输线和谐振器之间的耦合量。该结构不但大大节省了均衡器的体积，而且由于电阻不是直接加载在主传输线上，因而对整个电路的输入输出阻抗影响比较小，不需要在均衡器的两端添加匹配电路就能达到良好的匹配，大大减小了均衡器的设计难度。通过对仿真结果的分析，验证了该结构均衡器与传统结构相比驻波和高端插损都有较大改善。同时由于该结构是立体结构，为LTCC等新技术在均衡器设计中的运用提供了一个新的思路。