微帶功率分配器--微帶阻抗及隔離電阻值

1、設(shè)計(jì)資料微帶功率分配器設(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)也可稱為合路器.1.2 分類：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.1.2.3 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.1.2.4 根據(jù)電路形式可分為：微帶線、帶狀線、同軸腔功率分配器.1.3 概述：常用的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、帶狀線、同軸腔功率分配器,幾者間

2、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、帶狀線功分器優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格廉價(jià),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、帶狀線和同軸腔的實(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.F面對(duì)微帶線、帶狀線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、帶狀線的功分器設(shè)計(jì)原理是相同的,只是帶狀線的采用的是對(duì)稱性空氣填充或介質(zhì)板填充,而微帶線的主要采用的是非對(duì)稱性局部介質(zhì)填充和局部空氣填充.

3、下面我們以一分二微帶線功率分配的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析.傳輸線的結(jié)構(gòu)如下列圖所示,它是通過(guò)阻抗變換來(lái)實(shí)現(xiàn)的功率的分配.圖1:一分二功分器示意圖在現(xiàn)有的通信系統(tǒng)中,終端負(fù)載均為50Q,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50Q.如上圖匹配網(wǎng)絡(luò),從輸入端口看Zin=Zo=50C,而Zin=ZiniZin2=5,且是等分的,所以Zini二Zin2,處乙nl、處Zm的輸入阻抗應(yīng)為100Q,這樣由、處到輸出終端50Q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

4、波長(zhǎng)傳輸線階梯阻抗變換器圖2.它的特性阻抗Z1為待匹配的阻抗.、Z0Z1Z2I圖2:入/4阻抗變器示意圖Z2根據(jù)特性阻抗匹配原理：Zin=3,其中2所為匹配后的輸入阻抗,RlZ01為四分之一波長(zhǎng)傳輸線特性阻抗,Rl為負(fù)載阻抗,那么Z1八運(yùn)0Z,其長(zhǎng)度L為中央頻率導(dǎo)引波長(zhǎng)的1/4,即L=Xg/4.相當(dāng)于電長(zhǎng)度0為0=兀/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均能實(shí)現(xiàn),但當(dāng)頻率偏離中央時(shí),其電長(zhǎng)度不再是兀/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)

5、,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)入/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)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+1>Z0.為了設(shè)計(jì)計(jì)算方便,我們把阻抗值對(duì)Z

6、0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也稱為阻抗變換比.如圖1,從100Q至U50Q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=JZ0MR2(Z0=R2=5(D)所以Z1=/Z0mR2=j550Q=70.7Q.對(duì)于多節(jié)的,計(jì)算原理同單節(jié)的,每一節(jié)的阻抗都等于前后阻抗的幾何平均值,即Zn:jZn必*.無(wú)耗傳輸線構(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p和所需的帶寬.=2(入g1-入g2)/(入g1+入g2)=2(f2-f1)/(f2+f1)入g1和入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

7、f1、f2分別為下限和上限頻率,根據(jù)pm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,而每個(gè)輸出端口間并沒(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為隔離電阻到達(dá)要求,那么下面采用奇、偶模法來(lái)進(jìn)行分析./廣十¥LR占偶模圖4:鼓勵(lì)響應(yīng)示意圖如上圖,當(dāng)輸出端加鼓勵(lì)U時(shí),可等效為偶模鼓勵(lì)和奇模鼓勵(lì)的疊加.1rZZu開(kāi)路開(kāi)路7I-圖5:偶模電壓鼓勵(lì)等效圖如圖5,當(dāng)偶模電壓鼓勵(lì)時(shí),兩路

8、的相位相同,那么信號(hào)沿階梯阻抗變換器傳輸,理論上隔離電阻上是沒(méi)信號(hào)的,前面已經(jīng)分析這個(gè)電路是完全匹配的.T圖6:奇模電壓鼓勵(lì)等效圖那么信號(hào)沿如圖6,當(dāng)奇模電壓鼓勵(lì)時(shí),兩路的相位相差180度,隔離電阻傳輸,要到達(dá)匹配,那么需對(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100Q,那么R/100Q=Z°=50Q,隔離電阻R=100Q圖7:兩節(jié)二功分器示意圖二2ZZ,Z1Z2Z2-Z1cot2：當(dāng)m=2時(shí),隔離電阻的計(jì)算公式如下：c2R2Z1Z2R1二R2Z1Z2-2Z21f2./f1-1Ia1-2f2f11當(dāng)mA3時(shí),我們可以運(yùn)用二端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)

9、行分析,只是隔離電阻的計(jì)算相當(dāng)繁瑣,可以查附表H,阻抗分別為Z.歸一化值.還給出了輸入和輸出端口的最大電壓駐波比p.,p2,p33.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：一f八根據(jù)頻率范圍,確定中央頻率：%=22b(fa,fb分別為下,上限頻率),主通帶的相對(duì)帶寬：0=昆二&0fm3.2 確定各個(gè)端口的波紋系數(shù)：輸入端口：p0(max)=設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)波紋大小pm輸出端口：p2(max)=p3(max)=1+0.2(pmd)輸出端口最小隔離度近似為：I(min)=2021g2.35dBm-13.3 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

10、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)卯、p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)線路板的厚度及介電常數(shù)確定好傳輸線的寬度,傳輸線的長(zhǎng)度是中央頻率的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)滿足需要的隔離.3.7 插入損耗分

11、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,選擇適宜的材料也是很重要的.表I：常見(jiàn)功分器的理論損耗功分器種類二功分三功分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

12、耗計(jì)算出在傳輸線上損耗的能量,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

13、入阻抗應(yīng)為100Q,并聯(lián)后為50Q這樣從輸入端到輸出端要實(shí)現(xiàn)匹配的阻抗比R=100Q/50Q=2,要實(shí)現(xiàn)的帶寬為0.8G-2.5G.中央頻率為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,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.遍少用三節(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.

14、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)50Q阻抗進(jìn)行歸一化)：Z1=1.08829Zo=1.29123=1.54891Z7=RZ-11.837754.3 算出每節(jié)的阻抗值：Z1=1.0882950.-54.41I,1Z2=1.2912350；.；-64.56',1Z3=1.5489150-77.45'.1Z4=1.8377550c=91.89'?4.4 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計(jì)算軟件,線路板厚0.8m

15、m,介電常數(shù)2.45.W1=1.97mmL1=31.94mmW2=1.48mmL2=32.25mmW3=1.06mmL3=32.6mmW4=0.74mmL432.94mm4.5 計(jì)算隔離電阻：通過(guò)表II可知,對(duì)于上面的0825一分二功分器,有四個(gè)隔離電阻,R4=2.06*50Q=100Q,R3=3.45*50Q=170Q,R2=5.83*50Q=290Q,R3=9.64*50Q=480Q.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)距離比擬遠(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

16、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)端口的駐涉及隔離、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 繪制線路板：根據(jù)最終確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滿足指標(biāo)的線路板進(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/fl1.22.02.03.04.010.0p0(max)1.0361.1061.0291.1051.1001.206p2,p3(max)1.0071.0211.0151.0381.0391.098I(min)dB36.627.338.727.926.8

17、19.4Zi1.19981.21971.11241.1497(57.485)1.1157(55.785)1.1274Z21.66701.63981.41421.4142(70.71)1.2957(64.785)1.2051Z31.79791.7396(86.98)1.5435(77.175)1.3017Z41.7926(89.63)1.4142Z51.5364Z61.6597Z71.7740Ri5.31634.820410.0000(500)8.0000(400)9.64328.8496R21.86431.96023.7460(187)4.2292(211.46)5.832612.3229R3

18、1.9048(95)2.1436(107.18)3.45248.9246R42.06336.3980R54.3516R62.5924R74.9652備注：N=2,m=2、3、4、7N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：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