文 献 综 述
- 引言
作为一种关键的无源器件，Gysel功分器 (功率分配 /合成器 )具有物理结构容易实现、可外接隔离负载、可通过隔离端口检测不平衡性的优点，是微波通信和雷达系统中的常用部件，可广泛应用于功率放大器、混频器、天线阵列、半导体器件的功率合成、馈线系统中。典型的功分器是威尔金森（Wilkinson）和吉塞尔（Gysel）功分器，它布局简单，成本低。就两个输出端之间的相位差而言，威尔金森（Wilkinson）和吉塞尔（Gysel）功率分配器被分成反相或者反相功率分配器。前者的不同配置和设计方法在过去几十年中得到了广泛的研究。因为功率分配器是一种常用的具有公共端口和分配端口的三端口网络，为了满足实际需要，在公共端口激励的输入功率在分配端口上等分或不等分。输出分配端口之间的隔离是关键性能，由于隔离电阻的寄生电容，隔离的Wilkinson [1]功率分配器在使用低功耗情况下受到限制，吉塞尔在1975年引入了一个改进的大功率应用概念[2]，从实践的角度来看，它被证明是高功率应用的良好选择。但是，一些相关的研究主要集中在微带电路[3]。在文献[4]中介绍了基于SIW技术的输出端口之间具有隔离性能的功率分配器，然而这种功率分配器具有功率转换率低、在较高频率下操作困难的缺点。针对此问题，有研究提出了新型的Gysel功率分配器[5]，该产品是基板集成波导（SIW）上实现的第一台Gysel功率分配器，具有平面结构，成本低、重量轻、耦合减少、功率输出显著的特点。然而，[5]中的刨床结构尺寸有点大，特别是在较低的频率上。由于采用了LTCC多层技术，又提出了一种新型的基于SIW的Gysel功率分配器，该技术被提出用于有限空间的高功率应用。为了进一步减小尺寸，接着提出了两种基于低温共烧陶瓷(LTCC)技术的不同的SIW Gysel 功率分配器。首先，采用文献[6]中介绍的方法设计平面SIW Gysel功率分配器，然后展示一种基于多层LTCC技术的新型非平面SIW Gysel功率分配器。
本次的课题有两个部分。一是了解功分器的基本原理，先从Wilkinson功分器入手，理解功分器两路等分以及不等分时功率分配的情况，重点是理解各矩阵，尤其是ABCD矩阵的含义；二是在Wilkinson功分器的基础上对Gysel功分器进行推导及理解，重点是理解各矩阵的推导过程；三是学习ADS以及HFSS软件，对Gysel功分器进行仿真。
- 研究背景
Gysel功分器 (功率分配 /合成器 )具有物理结构容易实现、可外接隔离负载、可通过隔离端口检测不平衡性的优点 [7], 因而在大功率微波合成技术领域得到广泛应用, 尤其是近几年在相控阵天线的馈电方面也得到了应用 [ 8]。 作为非常常见的组件，功率分配器（PD）和合成器在微波通信和雷达系统中广泛应用。功率分配器是一种常用的具有公共端口和分配端口的三端口网络。为了满足实际需要，在公共端口激励的输入功率在分配端口上等分或不等分。输出分配端口之间的隔离是关键性能，然而，由于隔离电阻带来的不可避免的寄生电容，使用传统的隔离型Wilkinson功率分配器来实现高功率处理能力非常困难[9]。所以需要引入一种新型的功率分配器。为了获得带宽更宽、隔离度更好的功率分配/合成器,通过对Gysel功分器拓扑结构的改进，提出一种新型的功率分配/合成器;目的是提高其隔离度、回波损耗等指标的宽带特性。为了进一步减小尺寸，并且适应空间有限的情况，提出了基于SIW 的Gysel 功率分配器。
- 研究意义
目前，不等分功分器两路输出的设计居多[5]，而对于多路输出的设计，参考文献较少且大部分是基于两路结构。相比Wilkinson功分器，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，且具有宽频带、低损耗及高隔离度等优点。在传统的Gysel功分器的基础上，针对不同要求、适应不同情况的新型Gysel功分器不断出现，随着技术的发展，功分器的带宽越来越大、隔离度越来越高、平面结构、低成本、高功率容量、重量轻、低耦合等优点，近年来得到了广泛的研究。
- 发展概况及研究现状
对Gysel功分器的研究是基于对Wilkinson功分器的研究，传统的Wilkinson功分器是利用奇偶模分析法进行两路等分或不等分的推导[10]，接着由两路增加为三路甚至N路[11]，一般的Gysel功分器相对于Wilkinson功分器，带宽上存在一定的劣势，于是设计了一种Wilkinson功分器和Gysel功分器相结合的不等分功分器[12]，利用文献[13]中奇偶模分析法对该结构进行分析，实现不等功分的设计。该功分器可以实现任意功分比、超宽带特性、大功率容量。在窄带情况下,当传输线损耗相同时,Gysel形式的损耗值约为0.12dB,威尔金森则为0.1 dB,驻波也稍大一些[14]。其次,在输入输出端口回波损耗小于-20dB的原则下,Gysel功率分配/合成器的相对带宽为20%左右[15],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，张兆华,郑新对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。张轶江, 陈军分析了总口、分口、隔离口特性阻抗都相等的不等分 Gysel功分器的模型, 确定了其中4段传输线的特性阻抗值, 简化了Gysel功分器的设计。之后开始进行在频带上的研究，Ali Darwish1,Kenneth McKnight1,Mona Zaghloul,Edward Viveiros 等人提出了一种耦合Gysel，它利用单个耦合线来显著扩展带宽而不增加插入损耗，这个新概念依赖于在设计中使用单个耦合线段，在保持低损耗、易于设计和灵活性的同时，实现带宽的显著提高[16]。Zahra Nahvy和 Kambiz Afrooz 针对在[17]中提取的一些方程来确定传输线的特性阻抗可能存在的错误提取了新的方程，并设计了三个双频Gysel PD / PC，新方程设计的Gysel比[17]中具有更好的性能。Hamed Shahi Gharehaghaji 和 Hossein Shamsi [18]介绍了一个不等的双频段GPD，所提出的PD的主要特征是宽IW，可接受频率比，高PHC和小的电路尺寸。Hong chang Xiao , Yuan Quan, Shiyong Chen[19]等人介绍了一种功率分配不均和反相特性的微带Gysel功率分配器，使用传输线理论，分析了所提出的电路并导出了设计方程，所提出的Gysel功率分配器的功率分配仅由传输线的电气长度决定，提高了平衡电路的性能，很容易与其他微带电路集成。在文献[20]中，通过引入有用的耦合谐振器电路模型，首次提出了BTB滤波吉赛尔功率分配器。但是，[20]中提出的组件仍然利用半波长线来抑制CM信号，这种配置使得谐振器工作在二阶谐振上，这增加了所提出的FPD的尺寸。Ming Luo，Xin Xu,Xiao-Hong Tang和Yong-Hong Zhang等人在此基础上提出了一种紧凑均衡的滤波功率分配器(FPD)，它由三个半波谐振器和一个短截线负载谐振器（SSLR）组成，体积小巧，对CM信号的抑制能力广泛和深刻。之后又将Gysel功分器置于SIW上进行研究，Haidong Chen, Wenquan Che ,Yihua Zhou 提出并设计了一种基于LTCC技术的小型化衬底集成波导（SIW）Gysel功分器，在[21]阐述了这种功率分配器的拓扑结构，并制作了一个原型、进行了测试。为了减小基片集成波导（SIW）Gysel功率分配器（PD）的尺寸，基于SIW的平面Gysel 功率分配器在基于低温共烧陶瓷（LTCC）上进行了重新设计，Haidong Chen， Wenquan Che 等人出了两种基于低温共烧陶瓷(LTCC)技术的不同的SIW Gysel 功率分配器，首先，采用文献[22]中介绍的方法设计平面SIW Gysel功率分配器，然后展示一种基于多层LTCC技术的新型非平面SIW Gysel功率分配器，为了进一步的Ku波段应用，在LTCC基底上设计了平面配置的SIW Gysel功率分配器。此外，还提出了一种基于LTCC技术的新型的适用于空间有限的情况的SIW Gysel功率分配器。
5.总结
Gysel的应用前景好，是目前功分器研究的热点，也是难点，关于Gysel功分器研究方向很多，每个方向的研究都很有价值。本次课题的研究是开展多路不等分Gysel功分器的推导并学习ADS以及HFSS软件，完成Gysel功分器的仿真设计，对Gysel的多路不等分的研究也是研究的一个重点，要通过大量的阅读，掌握功分器的详细推导过程，了解他人的设计方法，对自己的设计过程也有益处。
参考文献
[1] E. J. Wilkinson, 'An N-Way Hybrid Power Divider,' IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.8, pp. 116-118, 1960.
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