射頻微波電路導(dǎo)論 課件(西電版)第5章

第5章

功率分配器/合成器

5.1功率分配器的基本原理

5.2集總參數(shù)功率分配器

5.3分布參數(shù)功率分配器5.1功率分配器的基本原理

5.1.1功率分配器的技術(shù)指標(biāo) 頻率范圍、承受功率、主路到支路的分配損耗、輸入輸出間的插入損耗、支路端口間的隔離度、每個(gè)端口的電壓駐波比等。 (1)頻率范圍。

(2)承受功率。在大功率分配器/合成器中，最大功率是核心指標(biāo)，它決定采用什么形式的傳輸線。一般傳輸線承受功率由小到大的次序是微帶線、帶狀線、同軸線、空氣帶狀線、空氣同軸線。

(3)分配損耗。主路到支路的分配損耗實(shí)質(zhì)上與功率分配器的功率分配比有關(guān)。如兩等分功率分配器的分配損耗是3dB,四等分功率分配器的分配損耗是6dB。定義

(4)插入損耗。輸入輸出間的插入損耗是由于傳輸線（如微帶線）的介質(zhì)或?qū)w不理想等因素,考慮輸入端的駐波比所帶來的損耗。令 Ai=A-Ad

A是實(shí)際測(cè)量值。在其他支路端口接匹配負(fù)載,測(cè)量主路到某一支路間的傳輸損耗。 A的理想值就是Ad。在功率分配器的實(shí)際工作中,幾乎都是用A作為研究對(duì)象。

(5)隔離度。支路端口間的隔離度是功率分配器的另一個(gè)重要指標(biāo)。如果從每個(gè)支路端口輸入功率只能從主路端口輸出,而不應(yīng)該從其他支路輸出,這就要求支路之間有足夠的隔離度。在主路和其他支路都接匹配負(fù)載的情況下，

(6)駐波比。每個(gè)端口的電壓駐波比越小越好。

5.1.2功率分配器的原理 一分為二功率分配器是三端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。信號(hào)輸入端的功率為P1,而其他兩個(gè)輸出端口的功率分別為P2和P3。P1=P2+P3。 如果P2（dBm）=P3（dBm），則 P2(dBm)=P3(dBm) =Pin(dBm)-3dB 功率分配器可分為等分型（P2=P3）和比例型（P2=kP3）兩種類型。圖5-1功率分配器示意圖5.2集總參數(shù)功率分配器

5.2.1等分型功率分配器 根據(jù)電路使用元件的不同,可分為電阻式和L-C式兩種情況。

1.電阻式 電阻式電路僅利用電阻設(shè)計(jì),按結(jié)構(gòu)可分成△形和Y形。圖5-2△形和Y形電阻式功率分配器 Z0是電路特性阻抗。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是頻寬大，布線面積小，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是功率衰減較大（6dB）。對(duì)于Y形電阻式二等分功率分配器：(5-2)圖5-3Y形電阻式二等分功率分配器例：

假定所有端口都端接特征阻抗Z0，向著后面接有輸出線的Z0/3電阻看去的阻抗Z是

S21=S31=S23=1/2，低于輸入功率電平6dB；網(wǎng)絡(luò)互易，散射矩陣對(duì)稱

2.L-C式 利用電感及電容進(jìn)行設(shè)計(jì)。按結(jié)構(gòu)可分成高通型和低通型。圖5-4L-C式集總參數(shù)功率分配器

1)低通型

2)

高通型(5-3)(5-4)

5.2.2比例型功率分配器 比例型功率分配器的兩個(gè)輸出口的功率不相等。假定一個(gè)支路端口與主路端口的功率比為k，可按照下面公式設(shè)計(jì)圖5-4（a）所示低通式L-C式集總參數(shù)比例功率分配器。(5-5)

5.2.3集總參數(shù)功率分配器的設(shè)計(jì)方法 集總參數(shù)功率分配器的設(shè)計(jì)就是要計(jì)算出各個(gè)電感、電容或電阻的值。圖5-5低通L-C式功率分配器 設(shè)f0=750MHz，Z0=50Ω，k=0.1，要求在750±50MHz的范圍內(nèi)S11≤-10dB，S21≥-4dB,S31≥-4dB。

在電路實(shí)現(xiàn)上采用如圖5-5所示結(jié)構(gòu)。 應(yīng)用公式（5-5），計(jì)算可得Zr=47.4Ω→Lr=10.065nH，選定Lr=10nHZp=150Ω→Cp=1.415pF，選定Cp=1.4pF 圖5-6功率分配器電路圖

圖5-7功率分配器電路仿真結(jié)果5.3分布參數(shù)功率分配器

5.3.1微帶線功率分配器 功率分配器/合成器有兩路和多路情況。

1.兩路功率分配器 下圖是兩路微帶線威爾金森功率分配器示意圖，這是一個(gè)功率等分器，R是隔離電阻。當(dāng)信號(hào)從端口1輸入時(shí),功率從端口2和端口3等功率輸出。如果有必要,輸出功率可按一定比例分配,并保持電壓同相,電阻R上無電流,不吸收功率。圖5-8威爾金森功率分配器 與其他功分器相比，Wilkinson功分器做到輸出端口都匹配且無耗 若端口2或端口3有失配,則反射功率通過分支叉口和電阻兩路到達(dá)另一支路的電壓等幅反相而抵消,在此點(diǎn)沒有輸出,從而可保證兩輸出端有良好的隔離。 考慮一般情況(比例分配輸入功率),設(shè)端口3和端口2的輸出功率比為，即（5-6） 端口2的電壓U2與端口3的電壓U3相等,即U2=U3。端口2和端口3的輸出功率與電壓的關(guān)系為

Z2、Z3為端口2和端口3的輸入阻抗，若 則可滿足式（5-9）。為保證端口1匹配,應(yīng)有（5-10）（5-11） 同時(shí)由于 則 所以

（5-12）

為了實(shí)現(xiàn)端口2和端口3隔離,可選

在等功率分配的情況下,即P2=P3,k=1,于是 微帶線功率分配器的實(shí)際結(jié)構(gòu)可以是圓環(huán)形,便于加工和隔離電阻的安裝。（5-13）

圖5-9微帶線功率分配器 設(shè)計(jì)實(shí)例： 設(shè)工作頻率為f0=750MHz,特性阻抗為Z0=50Ω，功率比例為k=1,且要求在750±50MHz的范圍內(nèi)S11≤-20dB，S21≥-4dB，S31≥-4dB。由式（5-13）知Z02=Z03=70.7Ω，R=2Z0=100Ω。 功率分配器有一定的頻率特性。由圖5-10(b)看出,當(dāng)頻帶邊緣頻率之比f2/f1=1.44時(shí),輸入駐波比ρ<1.22，基本滿足輸出兩端口隔離度大于20dB的指標(biāo)要求。當(dāng)f2/f1=2時(shí),各部分指標(biāo)也開始下降,隔離度只有14.7dB,輸入駐波比也達(dá)到1.42。為了進(jìn)一步加寬工作頻帶,可以用多節(jié)的寬頻帶功率分配器,即可以增加節(jié)數(shù),即增加λg/4線段和相應(yīng)的隔離電阻R的數(shù)目。 即使節(jié)數(shù)增加不多,各指標(biāo)也可有較大改善,工作頻帶有較大的展寬。例如,n=2,當(dāng)f2/f1=2時(shí),駐波比ρ<1.11,隔離度大于27dB;n=4,當(dāng)f2/f1=4時(shí),駐波比ρ<1.10,隔離度大于26dB;n=7,當(dāng)f2/f1=10時(shí),駐波比ρ<1.21,隔離度大于19dB。多節(jié)寬帶功率分配器的極限情況是漸變線形，如圖5-11（b），隔離電阻用扇型薄膜結(jié)構(gòu)。圖5-11寬頻帶功率分配器（a）

多節(jié)功率分配器;（b）

漸變線功率分配器

功率分配器的設(shè)計(jì)是在假定支路口負(fù)載等于傳輸線特性阻抗的前提下進(jìn)行的。如果負(fù)載阻抗不是這樣,必須增加阻抗匹配元件。這一點(diǎn)直接影響功率分配器的效率。

圖5-12N路功率分配器

2.多路功率分配器/合成器 N路功率分配器要滿足條件：輸入端口匹配無反射；各路輸出功率之比已知，P1∶P2∶P3∶…∶Pn=k1∶k2∶k3∶…∶kn；各路輸出電壓U1、U2、U3、…、Un等幅同相。 取各路負(fù)載阻值為(5-14) 從而,可得各路的特性阻抗為(5-15) 多路功率分配器實(shí)際中常用的方法是采用兩路功率分配器的級(jí)聯(lián),即一分為二,二分為四,四分為八等。 級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)方法有兩種,區(qū)別在于微帶線段的特性阻抗和隔離電阻值,由設(shè)計(jì)任務(wù)的尺寸等因素決定采用哪個(gè)方法。圖5-13一分為四的兩種形式 如果要設(shè)計(jì)輸出端口為奇數(shù)的功率分配器,也可利用2n功率分配器方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。在級(jí)聯(lián)的上一級(jí)做不等分,將少部分功率直接輸出,大部分功率再做等分。合理調(diào)整分配比,可實(shí)現(xiàn)任意奇數(shù)個(gè)分配口輸出。 三等分功率分配器可以采用圖5-14所示結(jié)構(gòu)。輸入信號(hào)為中心點(diǎn),可以用微帶地板穿孔的方法實(shí)現(xiàn),輸入端與三個(gè)輸出端的平面垂直。圖5-14三等分功率分配器

5.3.2其他分布參數(shù)功率分配器 其他分布參數(shù)功率分配器的基本結(jié)構(gòu)包括帶狀線、波導(dǎo)、同軸結(jié)構(gòu)?？諝鈳罹€是大功率微波頻率低端常用結(jié)構(gòu),原理與微帶線威爾金森功率分配器相同,只是每段傳輸線的特性阻抗的實(shí)現(xiàn)要用到帶狀線計(jì)算公式。（承受大功率需加大各個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸）微波高端常用到波導(dǎo)T形接頭。同軸結(jié)構(gòu)加工困難，盡可能少用。E-T分支H-T分支E—T接頭1、口輸入，、等幅反相輸出2、、等幅同相輸入，口無輸出3、、等幅反相輸入，口有輸出根據(jù)前述特性，的第一行乘以即又由的第一列，得為任意相角，取決于端口1和3參考面的位置的第三行乘以所以設(shè)的第三列，得為任意相角，取決于端口1和2參考面的位置，適當(dāng)選擇參考面，可使的第三行乘以由前述，可得設(shè)的第一列，得在這組特定的參考面下，E－T分支的用類似的方法可求得H－T分支的H—T接頭1、③口輸入，、等幅同相輸出2、、等幅同相輸入，③口有輸出3、、等幅反相輸入，③口無輸出兩路等分功分器的奇偶模分析（在輸出端口用對(duì)稱和反對(duì)稱源驅(qū)動(dòng)）：用Z0歸一化所有阻抗偶模：Vg2＝Vg3＝2V0；奇模：Vg2＝－Vg3＝2V0，然后兩模疊加，有效的激勵(lì)是V