微波增益均衡网络及其应用

论文总字数：27073字

摘 要

随着通信技术的日益发展，雷达技术对行波管的性能要求越来越高。为了解决大功率行波管在工作频带内增益波动大的问题，增益均衡器应运而生，现已被广泛使用。本文对微波增益均衡网络进行了研究，详细阐述微波增益均衡器的原理、结构和应用，了解增益均衡器的发展动态并总结国内外研究事例，吸取专家学者研究的先进经验和方法。在此基础上着重分析微波均衡器的物理模型，采用微带线实现陷波响应，即用加载电阻的微带开路或短路线来构成基本陷波器单元，探究加载电阻阻值、微带线枝节的长度和宽度对陷波器单元的衰减量等特性的影响，最终形成基于微带的微波增益均衡器的电路结构，它由枝节谐振器、级间匹配和输入输出匹配电路构成。总结利用微带线构建增益均衡器的设计流程，并分析了几种简单电路的均衡特性。然后根据均衡网络原理设计了一款工作频率在2~4 GHz的均衡器，利用ADS软件进行原理图设计和仿真优化工作，仿真结果表明在工作频率内均衡斜率达到 2 dB/ GHz且端口驻波小于2.5的指标要求，最后在Altium Designer软件平台上对其进行PCB版图的绘制。

关键词：微波 增益均衡器

Microwave Gain Equalization Network and its Application

Abstract

With the increasingly development of communication technology, radar technology has higher and higher demand on the performance of the TWT. In order to solve the problem of large gain fluctuation of high power traveling wave tube in operating frequency band, gain equalizer is proposed and is now widely used. In this thesis, the microwave gain equalization network is studied. Principle, structure and application of microwave gain equalizer are deeply investigated. The development of gain equalizer and research examples of domestic and foreign research are summarized. Furthermore, the advanced experience and methods of expert and scholar are also studied. Based on this, the physical model of microwave equalizer is emphatically analyzed and the notch filter response is realized by microstrip line, in other words, the basic notch filter unit is comprised of resistor loaded open circuited or short circuited microstrip line. And the effect of loaded resistance, microstrip line length and width on the characteristics of the notch filter unit attenuation are also studied in the thesis. Eventually forming a circuit structure of microwave gain equalizer based on the microstrip, which consists of stub resonators, inter stage matching and input and output matching circuit. The design flow of the gain equalizer based on microstrip line is summarized, and the equalization properties of several simple circuits are analyzed. Then according to the principle of equalization network, an equalizer operating in 2~4GHz is designed and optimized by ADS software and simulated results show that gain slope of the equalizer is 2 dB/GHz and input/output VSWR is less than 2.5 over the 2-4 GHz frequency range. Finally, the PCB layout is designed by the Altium Designer software platform.

KEY WORDS: microwave, gain equalizer

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1微波增益均衡网络的研究背景和意义 1

1.2微波增益均衡网络的概念 1

1.2.1微波增益均衡器的原理和结构 1

1.2.2微波增益均衡器的分类 5

1.3微波增益均衡网络的国内外发展动态与研究实例 7

1.3.1国外发展动态与研究实例 7

1.3.2国内发展动态与研究实例 9

第二章 微波增益均衡网络的设计原理 13

2.1微波增益均衡网络的设计方法 13

2.1.1达林顿网络综合法 13

2.1.2实频数据法 13

2.1.3原型电路归纳法 14

2.1.4计算机优化设计法 15

2.2增益均衡器的物理模型 17

2.2.1利用微带线实现陷波响应 17

2.2.2基于微带的微波增益均衡器的电路模板 21

2.3微带线增益均衡器设计流程 22

第三章 微波增益均衡器的设计和仿真 24

3.1利用仿真软件分析各种均衡特性 24

3.2 2~4 GHz的均衡器设计 27

3.3 PCB版图设计 30

结论 33

致谢 34

参考文献（References） 35

第一章 绪 论

1.1微波增益均衡网络的研究背景和意义

随着通信系统与电子技术的快速发展，雷达技术发挥着越来越重要的作用，在民用、军用和电子现代化建设中都有着举足轻重的地位。目前雷达系统技术水平正在不断提升，而推动雷达科技不断发展进步的力量正是这些多种多样的实际需求，如任务多元化、目标多样化以及环境复杂化等。为应对这些挑战，现代雷达系统必须要求在降低成本的同时实现优越的性能和更高的可靠度，而雷达系统的噪声系数、脉冲功率、平均功率、工作带宽等关键参数在一定程度上影响着雷达在实际运用过程中的性能，这样就对雷达系统最重要的部件之一微波功率发射器件提出越来越高的要求。

微波功率放大器件极大地影响着雷达系统的实际操作性能，是雷达通信系统的核心部件之一，同样地，现代社会对于雷达技术不断应用的实际需求也间接地对微波功率器件的发展完善起到了良好的促进和激励作用。现在市面上的微波功率器件一般大致可以分为以下三类：微波电真空器件、固态功率器件和光导毫米波源等其他器件^[1]。目前微波电真空器件的应用面最为广泛，由于固态功率器件的输出功率远小于电真空器件，使得它对于雷达系统中目前发射功率所要求的频段都能满足。微波电真空器件的一个典型代表，大功率行波管等微波功率放大器，它们的技术指标也是影响雷达通信系统工作性能的重要因素之一。但是实际应用中雷达系统并不能完全达到设计要求，这是由于实际操作中存在误差等因素，使得大功率行波管在其工作频带内通常会存在一定程度的增益波动，导致信号传输的不稳定性。因此目前通用的解决方法是在原传输网络中插入增益均衡网络，这是一种管外均衡输出增益的技术，可以有效地保障大功率行波管在工作频率范围内的增益输出较为平坦。当然不仅仅是电真空器件，固态器件同样也会有增益波动问题，特别是在大宽带工作条件下，所以插入增益均衡网络的解决方法同样适用于固态器件。本文将要研究这个插入到原传输网络中的均衡网络，即微波增益均衡器^[2]。

1.2微波增益均衡网络的概念

1.2.1微波增益均衡器的原理和结构

如上所述，通过大功率行波管的信号在放大之后，由于行波管工作时存在的上述问题，信号便会出现幅度畸变和相位畸变，难以满足实际需要。以一个工作频率2-6 GHz的行波管为例，图1.2.1是其频率-增益特性曲线，如图所示，此宽带大功率行波管在2-6 GHz内的增益曲线具有不平坦的特性，具体地，在中间频段具有较高的增益，而频率低端和频率高端的增益却相比较小，并且这样不平坦增益波动基本都达到十几dB。显然为了保障雷达系统能够准确良好地工作，这种不平坦特性并不有利，已经使得行波管无法工作在正常稳定的状态，其稳定高效的性能不能完全发挥出来，整个雷达通信系统也无法保持其装备系统工作在良好的状态。

在实际的雷达通信系统工程应用中，大功率行波管要求工作在等激励的条件下，即要求在相等输入功率情况下，同时它为了避免过激励情况，还必须使工作频带内的各个频率点都达到额定输出功率（额定工作状态通常比饱和输出功率大约要低 0.5dB，电子注出现散焦现象就是过激励工作引起的，行波管射频输出功率会减小）。但是实际情况下，等激励信号在通过行波管之后，因为大功率行波管增益波动比较大，显然各个工作频点的输出功率变得不相等，也就是说工作频率范围内，在输出端得到的各个频率点的输出功率也不可能同时处于额定值，这就与理想值相矛盾。图1.2.1 所示的增益-频率特性也因此产生。

图1.2.1 2~6 GHz 大功率行波管特性曲线

以上阐述了宽带大功率行波管本身的增益特性所带来的问题，在实际应用中我们需要通过增益均衡网络来进行信号幅度校正，以此达到约束增益的不平坦度，确保信号传输质量提升的目的。其实简单来说，要想输入的信号通过行波管时不再发生较大的幅度畸变，只要原输出信号本身的幅频特性与插入的增益均衡网络的幅频特性恰好相反即可，增益均衡网络便可在行波管之外实现增益曲线平坦，即增益均衡。用均衡网络校正的具体方案是，大功率行波管在等激励条件下，即在相同功率输入工作条件下，在大功率行波管前面插入增益均衡器，输入信号即可通过均衡网络先进行适当的衰减工作，再进入大功率行波管输入端时，这些经过衰减处理过后的信号再通过行波管放大，此时的信号就能够实现在各个频点达到额定功率，整个工作频带内获得平坦的输出功率。这样的解决方法就可以使行波管便捷高效地发挥其功能特性，均衡器对大功率行波管进行了全工作频带上的适当补偿，等功率输出的目的也就达成了。增益均衡器的工作原理说明如图1.2.2 所示^[3]。

图1.2.2 增益均衡器原理说明图

通常情况下，微波增益均衡器在功率发射系统中的位置情况如图1.2.3 所示，连接在前级固态放大器之后，大功率行波管之前。

信号源

前级固态放大器

微波增益均衡器

馈线系统

大功率行波管

图1.2.3 功率发射系统结构图

微波增益均衡器通常应用在微波功率模块（MPM）中。应用中微波功率模块对其增益波动情况有具体要求，一旦其输出功率达不到良好的平坦度需要，我们便在MPM的驱动放大模块中插入合适的增益均衡网络，如图1.2.4 所示，如何确定这一增益均衡器的均衡目标，则需要对整个系统的输出增益曲线进行准确测量。

图1.2.4 微波功率模块系统框图

如图1.2.4 所示，放大器A₁ 表示固态低噪声放大器，放大器A₂ 代表固态功率放大器。设放大器A₁、A₂的增益用G₁()、G₂()表示，行波管A_T 的增益用G_T()表示，由于增益均衡器衰减的增益由A_T()表示，它与G_T()相反，则微波功率模块系统的总增益可以表示为下式：

G()G₁() A_T()G₂()G_T() （1-1）

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