一种改进型Gysel功率分配／合成器的设计

0引言

在微波电路中，功率分配／合成器是非常重要的器件，它广泛应用于馈线系统、混频及功率放大器中。Gysel功率分配／合成器由Ulrich H．Gysel于1975年提出，其拓扑结构介于分支线耦合器结构和威尔金森结构之间，与分支线耦合器一样，其终端负载可以通过一段任意长度，且特性阻抗与负载阻抗相同的传输线引到电路上的任意位置，因而负载可以根据需要外接在电路上，便于大功率负载的使用；同时具有和威尔金森功率分配／合成器一样的相对带宽。此外，Gysel功率分配／合成器可以采用同轴线、带状线、空气板线及微带线等多种形式实现。但是，Gysel功率分配／合成器也存在一些缺点：首先，Gysel形式在20％相对带宽情况下，其插入损耗、驻波等指标比威尔金森形式要好，显示出较好的宽带特性。但窄带情况下，当传输线损耗相同时，Gysel形式的损耗值约为0.12 dB，威尔金森则为0.1 dB，驻波也稍大一些。其次，在输入输出端口回波损耗小于-20 dB的原则下，Gysel功率分配／合成器的相对带宽为20％左右，在一些宽频带应用的场合，Gysel功率分配／合成器的带宽仍需要提高。另外，在设计Gysel功率分配／合成器时，各个微带支节的阻抗值不是完全确定的，其中两个隔离电阻间的λ0／2微带线的阻值随带宽、隔离度等指标的要求变化，不利于设计和应用。

本文对Gysel功率分配／合成器进行了改进，目的是提高其隔离度、回波损耗等指标的宽带特性。通过对整个拓扑的改进，新功率分配／合成器的插入损耗、回波损耗、隔离度等指标明显优于Gysel功分器，而且各个微带支节的阻抗值是确定的，非常便于设计。

1 结构及原理分析

传统微带型Gysel功分器的结构如图1所示，由4个λ₀／4微带线及1个λ₀／2微带支节构成。对于Gysel功分器典型的分析方法是奇偶模分析法及单位元素(Unit Elements)分析方法。一般来说，Gysel功率分配／合成器各个微带支节的阻抗值可以取：


1.1 奇偶模分析

为简单起见，用端口1的特性阻抗Z0归一化所有阻抗。归一化及对称形式下的改进型Gysel功率分配／合成器如图3所示，在输出端口接电压源，当Vg2与Vg3等幅同相时，为偶模激励。此时，中心对称平面相当于一个磁壁(开路)。当Vg2与Vg3等幅反相时，为奇模激励。此时，中心对称平面相当于一个电壁(短路)。


偶模状态下，取V_g2=V_g3=2V₀，其等效电路如图4(a)所示。由λ₀／4微带阻抗变换作用可知，在端口3处相当于短路，从而隔离网络在端口2处相当于开路。从端口2向端口1的阻抗为：




1.2 带宽、隔离度及插入损耗的比较分析

奇偶模分析方法不能够解释传输线的结效应，而且采用何种类型的传输线结对整个功率分配／合成器的带宽性能有非常重要的影响。本文利用Agilent ADS软件进行仿真优化，得到改进型Gysel功分器的性能曲线，并将其与传统Gysel功分器的性能进行了比较，结果如图5～图7所示。因为功率分配／合成器的结构是对称的，S21与S31的曲线基本上完全一致，所以本文只给出了S21的仿真曲线。