微帶功率分配器設(shè)計(jì)講解

1、設(shè)計(jì)資料項(xiàng)目名稱(chēng)：微帶功率分配器設(shè)計(jì)方法擬 制：審 核：會(huì) 簽：批 準(zhǔn)：二 00 六年一月微帶功率分配器設(shè)計(jì)方法1. 功率分配器論述：1.1 定義：功率分配器是一種將一路輸入信號(hào)能量分成兩路或多路信號(hào)能 量輸出的器件， 也可反過(guò)來(lái)將多路信號(hào)能量合成一路輸出， 此時(shí)也可 稱(chēng)為合路器。1.2 分類(lèi)：1.2.1功率分配器按路數(shù)分為： 2 路、3路和 4路及通過(guò)它們級(jí)聯(lián)形成 的多路功率分配器。1.2.2功率分配器按結(jié)構(gòu)分為：微帶功率分配器及腔體功率分配器。1.2.2根據(jù)能量的分配分為：等分功率分配器及不等分功率分配器。1.2.3根據(jù)電路形式可分為：微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)、同軸腔功率分配器。1.3 概述：常用的

2、功率分配器都是等功率分配， 從電路形式上來(lái)分， 主要有 微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)、同軸腔功率分配器，幾者間的區(qū)別如下： （1）同軸腔功分器優(yōu)點(diǎn)是承受功率大，插損小，缺點(diǎn)是輸出端駐波 比大，而且輸出端口間無(wú)任何隔離。微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)功分器優(yōu)點(diǎn)是價(jià) 格便宜，輸出端口間有很好的隔離，缺點(diǎn)是插損大，承受功率小。 （2）微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)和同軸腔的實(shí)現(xiàn)形式也有所不同：同軸腔功分 器是在要求設(shè)計(jì)的帶寬下先對(duì)輸入端進(jìn)行匹配，到輸出端進(jìn)行分路； 而微帶功分器先進(jìn)行分路，然后對(duì)輸入端和輸出端進(jìn)行匹配。面對(duì)微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)功率分配器的原理及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析。2設(shè)計(jì)原理： 2.1 分配原理：微帶線(xiàn)、 帶狀線(xiàn)的功分器設(shè)計(jì)原理是相同的，

3、 只是帶狀線(xiàn)的采用 的是對(duì)稱(chēng)性空氣填充或介質(zhì)板填充， 而微帶線(xiàn)的主要采用的是非對(duì)稱(chēng) 性部分介質(zhì)填充和部分空氣填充。 下面我們以一分二微帶線(xiàn)功率分配 的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析。 傳輸線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如下圖所示， 它是通過(guò)阻抗變換 來(lái)實(shí)現(xiàn)的功率的分配。在現(xiàn)有的通信系統(tǒng)中，終端負(fù)載均為 50，也就是說(shuō)在分支處 的阻抗并聯(lián)后到阻抗結(jié)處應(yīng)為 50。如上圖匹配網(wǎng)絡(luò)，從輸入端口 看 Zin Z0 50 ，而 Zin Zin1 / Zin2 50 ，且是等分的，所以 Zin1=Zin2， 處 Zin1 、處 Zin 2的輸入阻抗應(yīng)為 100，這樣由、處到輸出終 端 50需要通過(guò)阻抗變換來(lái)實(shí)現(xiàn)匹配。2.2 階梯阻抗變換：在微

4、波電路中， 為了解決阻抗不同的元件、 器件相互連接而又不 使其各自的性能受到嚴(yán)重的影響， 常用各種形式的阻抗變換器。 其中 最簡(jiǎn)單又最常用的四分之一波長(zhǎng)傳輸線(xiàn)階梯阻抗變換器（圖2）。它的特性阻抗 Z1 為待匹配的阻抗。Z0 Z1 Z2圖 2： /4 阻抗變器示意圖Z2根據(jù)特性阻抗匹配原理： Zin Z01 ，其中 Zin 為匹配后的輸入阻抗，in RL inZ01為四分之一波長(zhǎng)傳輸線(xiàn)特性阻抗 , RL為負(fù)載阻抗，則 Z1 Z0 Z2 ， 其長(zhǎng)度 L 為中心頻率導(dǎo)引波長(zhǎng)的 1/4，即 L=g/4 。相當(dāng)于電長(zhǎng)度 為=/2。這種變換器的顯著特點(diǎn)就是簡(jiǎn)單， 用任一種形式的傳輸線(xiàn)均能實(shí) 現(xiàn)，但當(dāng)頻率偏

5、離中心時(shí)， 其電長(zhǎng)度不再是 /2 ，變換特性也隨之惡 化。它對(duì)頻率的敏感，使它僅適合于窄帶運(yùn)用。在需要寬帶匹配的場(chǎng) 合，應(yīng)采用多節(jié)階梯阻抗變換器或各種漸變線(xiàn)變換器。 我們常用的通 信頻率范圍較寬， 所以經(jīng)常采用多節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)， 下面對(duì)多節(jié)阻抗變化器 進(jìn)行分析。在多節(jié)階梯阻抗變換器中，各阻抗階梯所產(chǎn)生的反射波彼此抵 消，于是匹配的頻帶得以展寬。 多節(jié)階梯阻抗變換器中最常用的是每 節(jié)長(zhǎng)度為 1/4 波長(zhǎng)變換器（圖 3）。圖 3：多節(jié) /4 阻抗變器示意圖對(duì)于阻抗變化器， 衡量其性能與設(shè)計(jì)所根據(jù)的指標(biāo)，通常是：匹配帶寬、帶內(nèi)最大電壓駐波比以及插入損耗等。同樣，一個(gè)功分器也 是一個(gè)阻抗變換器，也是從這幾個(gè)

6、方面來(lái)考慮設(shè)計(jì)的。 多節(jié)階梯阻抗變化器帶內(nèi)的電壓駐波比響應(yīng)特性常用的是最平 坦響應(yīng)和切比雪夫響應(yīng)兩種， 但與帶通濾波器不同的是它對(duì)帶外抑制 沒(méi)什么要求。參考圖 3，設(shè)待匹配的阻抗值為 Z0 和 Zn+1，其設(shè) Zn+1Z0。為了設(shè)計(jì)計(jì)算方便，我們把阻抗值對(duì) Z0 進(jìn)行歸一化。這樣，待匹配的 阻抗值就分別為 1 和 R= Zn+1/Z0，R 也稱(chēng)為阻抗變換比。如圖 1，從 100到 50的阻抗變換比 R=100/50=2 。我們知道，對(duì)于單節(jié)的 1/4 波長(zhǎng)阻抗匹配， Z1 Z0 R2 （Z0=R2=50）所以 Z1 Z0 R2 2 50 =70.7 。對(duì)于多節(jié)的， 計(jì)算原理同單節(jié)的， 每一節(jié)的

7、阻抗都等于前后阻抗的幾何平均值， 即 Zn Zn 1 Zn 1 。無(wú)耗傳輸線(xiàn)構(gòu)成的四分之一波長(zhǎng)階梯阻抗變換器，一般設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是許可的最大電壓駐波比 m，和所需的帶寬 。=2（g1-g2）/ （g1+g2）=2（f2-f1 ）/（f2+f1） g1和g2 分別為實(shí)際頻帶的下限和上限頻率的導(dǎo)引波長(zhǎng) ,即 f1 、f2 分別為下限和上限頻率， 根據(jù)m和可以確定所需要的節(jié)數(shù)。進(jìn)行完阻抗變換后，如果一個(gè)功分器各輸出路之間沒(méi)有隔離， 信號(hào)就會(huì)相互干擾， 無(wú)法實(shí)現(xiàn)功分， 那么下面我們將對(duì)如何實(shí)現(xiàn)隔離 進(jìn)行分析。2.2 隔離原理： 上面運(yùn)用階梯阻抗變換器原理僅僅對(duì)功分器的傳輸進(jìn)行了匹配，5而每個(gè)輸出端口間

8、并沒(méi)有進(jìn)行匹配， 所以端口間沒(méi)有隔離。 為了實(shí)現(xiàn) 隔離可以通過(guò)輸出路與路間的阻抗匹配 （常稱(chēng)為隔離電阻） 達(dá)到要求，那么下面采用奇、偶模法來(lái)進(jìn)行分析?？棺儞Q器傳輸， 理論上隔離電阻上是沒(méi)信號(hào)的，路是完全匹配的+V/2圖 4 ：激勵(lì)響應(yīng)示意圖如上圖，當(dāng)輸出端加激勵(lì) U 時(shí)，可等效為偶模激勵(lì)和奇模激勵(lì)的前面已經(jīng)分析這個(gè)電如圖 6，當(dāng)奇模電壓激勵(lì)時(shí)，兩路的相位相差 180 度，則信號(hào)沿 隔離電阻傳輸，要達(dá)到匹配，則需對(duì)隔離電阻進(jìn)行分析當(dāng)節(jié)數(shù) m=1 時(shí)，在分配原理中已經(jīng)進(jìn)行了分析，如圖 6，此時(shí)1/4 波長(zhǎng)阻抗為 100，則 R/100 = Z0=50，隔離電阻 R=100當(dāng) m=2 時(shí)，隔離電阻的

9、計(jì)算公式如下：圖 7：兩節(jié)二功分器示意圖2Z1Z2Z1 Z2 Z2 Z1 cot22R2 Z1 Z2 R2 Z1 Z2 2Z212當(dāng) m3 時(shí)，我們可以運(yùn)用二端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，只是隔離電阻 的計(jì)算相當(dāng)繁瑣， 可以查附表， 阻抗分別為 Z0歸一化值。 還給出了 輸入和輸出端口的最大電壓駐波比 0，2,3。3. 設(shè)計(jì)步驟 ：功分器的設(shè)計(jì)可以分為以下幾個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行3.1 確定相對(duì)帶寬：根據(jù)頻率范圍，確定中心頻率：fmfa fb( fa, fb 分別為下，上限頻率 )，主通帶的相對(duì)帶寬：b afm3.2 確定各個(gè)端口的波紋系數(shù)：輸入端口： 0(max) 設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)波紋大小 m輸出端口 ：2(max)=

10、 3(max) 1+0.2(m-1)輸出端口最小隔離度近似為： I（min） 20log 2.35 dBm13.3確定 T 型節(jié)處的阻抗變換比： 根據(jù)上面分配原理可知，對(duì)于公分器在 T 型節(jié)處，阻抗比為： 一分二： R=2一分三： R=3一分四： R=43.4確定 1/4 波長(zhǎng)阻抗變換器的節(jié)數(shù)：根據(jù) 、 查表（見(jiàn)附錄），可以確定采用四分之一波長(zhǎng)的節(jié)數(shù) m，一般也可以根據(jù) m=f2/f1（f2 為終止頻率， f1 為起始頻率）來(lái)確 定。3.5計(jì)算每一級(jí) 1/4 波長(zhǎng)的阻抗（對(duì)輸入輸出端駐波進(jìn)行匹配） ： 根據(jù)上述階梯阻抗原理對(duì)每一級(jí) 1/4 波長(zhǎng)進(jìn)行匹配，確定每一級(jí) 的阻抗，從而根據(jù)線(xiàn)路板的厚度

11、及介電常數(shù)確定好傳輸線(xiàn)的寬度， 傳 輸線(xiàn)的長(zhǎng)度是中心頻率的 1/4 導(dǎo)波長(zhǎng)。3.6 計(jì)算每一級(jí)的隔離電阻（對(duì)輸出端間進(jìn)行匹配） ： 根據(jù)上述隔離原理可以通過(guò)阻抗變換對(duì)輸出端口間進(jìn)行匹配， 從 而使設(shè)計(jì)滿(mǎn)足需要的隔離。3.7 插入損耗分析：插入損耗主要指理論損耗與附加損耗， 理論損耗指理論上即存在 的，是不可以消除的，這從能量守恒原理可知，對(duì)于功分器理論損耗 為： 理想分配損耗（ dB）=10log（1/N）N 為功分器路數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮如何盡量減小由接頭、 線(xiàn)路板、電阻等引起的 附加損耗，這就要求對(duì)材料進(jìn)行分析， 選擇合適的材料也是很重要的。8表：常見(jiàn)功分器的理論損耗功分器種類(lèi)二功分三功分

12、四功分八功分理論損耗3dB4.8dB6dB9dB3.8 功分器功率分析：我們知道， 當(dāng)從功率分配器的輸入端加一功率， 由于每一路間的 信號(hào)是同幅同相的， 而且理論上電路是完全匹配的， 所以隔離電阻上 無(wú)功率通過(guò)， 也就是說(shuō)不承受功率， 所以功分器的功率容量主要根據(jù) 插入損耗計(jì)算出在傳輸線(xiàn)上損耗的能量， 從而計(jì)算出能夠承受的最大 功率即可。當(dāng)功分器作為合路器使用時(shí)我們可以根據(jù)以上隔離電阻原理進(jìn) 行分析，計(jì)算出隔離電阻上所承受的功率。下面以一分二功分器作為合路器 ， 以 10W功率輸入為例：(1) 當(dāng)一輸出端輸入 10W,其它端口接負(fù)載時(shí)，輸入端輸出的功率為 5W,另一端口輸出功率為 0，隔離電阻

13、消耗功率為 5W。(2) 當(dāng)功分器兩輸出端輸入同幅同相 10W 功率信號(hào)，輸入端輸出功 率為 20W,隔離電阻不消耗功率。( 3)功分器兩輸出端輸入同幅反相 10W 功率信號(hào)， 輸入端輸出功率 為 0,隔離電阻消耗功率為 20W 。4、設(shè)計(jì)實(shí)例： 以 0.8G-2.5G 微帶一分二的設(shè)計(jì)為例：4.1 計(jì)算節(jié)數(shù)：要實(shí)現(xiàn)兩路功分，兩路輸入阻抗應(yīng)為 100，并聯(lián)后為 50 這樣從輸入端到輸出端要實(shí)現(xiàn)匹配的阻抗比 R=100/ 50 =2,9要實(shí)現(xiàn)的帶寬為 0.8G-2.5G. 中心頻率為 1.65GHz,相對(duì)帶寬 (2.5GHz-0.8GHz)/1.65GHz=1.03 由以上條件可以查表，我們知道

14、，頻帶要做的越寬，所需四 分之一波長(zhǎng)的節(jié)數(shù)也越多，但有個(gè)制約條節(jié)，如果節(jié)數(shù)多了 ，那樣 引起的插損也就越大，所以在做到帶寬的同時(shí)，應(yīng)盡量減少節(jié)數(shù)。另外，要根據(jù)指標(biāo)，查到相應(yīng)的節(jié)數(shù)， 在附表中查到的 1.2 ， R=2的最大電壓駐波比 VSWR=1.2最, 少用三節(jié)，理論能做到 1.2 的駐 波比，但實(shí)際中還是很難做到駐波比 1.2 的指標(biāo)，在設(shè)計(jì)時(shí)采用了四 節(jié)，在表中查到 1.2 ，R=2時(shí)最大電壓駐波比 VSWR=1.。14.2 計(jì)算每節(jié)歸一化阻抗：要查到每一節(jié)的阻抗及其長(zhǎng)度， 阻抗是用來(lái)確定微帶線(xiàn)的寬度， 依據(jù)表格可以查到每節(jié)的歸一化阻抗(設(shè)計(jì)都是對(duì) 50阻抗進(jìn)行歸 一化)：Z1 1.08

15、829Z2 1.29123Z3 RZ 1.54891Z4 RZ 1.837754.3 算出每節(jié)的阻抗值 :Z1 1.08829 50 54.41Z2 1.29123 50 64.56Z3 1.54891 50 77.45Z4 1.83775 50 91.89104.4 依據(jù)阻抗值和每節(jié)四分之一波長(zhǎng)，算出每節(jié)的長(zhǎng)度和寬度（可以利用微帶線(xiàn)計(jì)算軟件），線(xiàn)路板厚 0.8mm,介電常數(shù) 2.45。c=fT=1/fW1 1.97mmL1 31.94mmW2 1.48mmL2 32.25mmW3 1.06mmL3 32.6mmW4 0.74mmL4 32.94mm4.5 計(jì)算隔離電阻：通過(guò)表可知，對(duì)于上面的

16、 0825 一分二功分器，有四個(gè)隔離電 阻，R4=2.06*50100，R3=3.45*50170，R2=5.83*50 290，R3=9.64*50480。在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，最后一節(jié)要接接頭了， 兩路的變換節(jié)距離比較遠(yuǎn)， 貼片電阻無(wú)法焊接。 我們一般把最后一節(jié)隔離電阻去掉， 這樣只留三 個(gè)電阻，也能滿(mǎn)足指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)匹配。4.6 在軟件中建立模型，進(jìn)行仿真、優(yōu)化： 選擇一種適合的軟件，將計(jì)算出的電路尺寸在軟件中進(jìn)行建模， 通過(guò)仿真可以看出各個(gè)端口的駐波及隔離、 插入損耗等。 通過(guò)軟件的 優(yōu)化功能可以對(duì)計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化， 根據(jù)加工工藝等確定 好適合的尺寸及阻值。4.7 繪制線(xiàn)路板：根據(jù)最終確

17、定的尺寸及以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)， 繪制出符合加工要求及11滿(mǎn)足指標(biāo)的線(xiàn)路板進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。表：等功率分配器各節(jié)歸一化阻抗值及隔離電阻值m223347f2/f11.22.02.03.04.010.00(max)1.0361.1061.0291.1051.1001.2062,3(max)1.0071.0211.0151.0381.0391.098I(min) dB36.627.338.727.926.819.4Z11.19981.21971.11241.14971.11571.1274Z21.66701.63981.41421.41421.29571.2051Z31.79791.73961.54351.3

18、017Z41.79261.4142Z51.5364Z61.6597Z71.7740R15.31634.820410.00008.00009.64328.8496R21.86431.96023.74604.22925.832612.3229R31.90482.14363.45248.9246R42.06336.3980R54.3516R62.5924R74.9652備注：N=2,m=2、3、4、7（N為功分器路數(shù)， m為功分器級(jí)數(shù) ）5、設(shè)計(jì)總結(jié)：以上對(duì)功率分配器的設(shè)計(jì)原理、 設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行了論述， 特別以等 功率分配的二路功率分配器進(jìn)行了實(shí)例分析， 那么其他的功率分配器 設(shè)計(jì)上有什么不同呢？下面將對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的概述：5.1 功率不等分功率分配器：12對(duì)于不等分功率分配器的每一路功率是不相等的， 但是依然可以 根據(jù)上面的分配原理進(jìn)行計(jì)算， 只是由于功率的不等分引起了阻抗的 不相等，我們可以根據(jù)每一路的功率比計(jì)算出阻抗比， 從而通過(guò)阻抗 變換節(jié)對(duì)每一路進(jìn)行阻抗匹配。 解決了不等分的路數(shù)分配后， 其他的 隔離原理等計(jì)算方法同等功率分配器的完全相同。5.2 功率分配器的路數(shù)：功率分配器常見(jiàn)的路數(shù)有 2 路、 3 路、4 路、8 路等，也就是說(shuō) 功率分配器的路數(shù)主要由 2路或 3路派生出來(lái)的。我們知道 2路功率分配器的設(shè)計(jì)步驟， 對(duì)于路數(shù)是 2 路功率