無源器件基礎(chǔ)

無源器件和射頻基礎(chǔ)知識(shí)武漢郵電科學(xué)研究院武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司1無源器件無源器件的分類無源器件電氣指標(biāo)的定義微帶器件與腔體器件的比較2無源微波器件產(chǎn)品類別功率分配器:微帶/腔體定向耦合器:微帶/腔體異頻合路器同頻合路器3dB電橋負(fù)載衰減器濾波器合路單元31.按照結(jié)構(gòu)分類:微帶/腔體功分器2.按照輸出端口分類:二、三、四路功率分配器3.按照器件使用頻段分類:1）806～960MHz頻段2）806～2200MHz頻段3）806～2500MHz頻段4）1710～2500MHz頻段（小靈通頻段）功率分配器:4

56耦合器1、微帶定向耦合器（5dB/6dB/7dB/10dB/15dB/20dB/25dB/30dB/40dB/50dB）2、腔體定向耦合器（5dB/6dB/7dB/10dB/15dB/20dB/25dB/30dB/40dB/50dB）3、基站腔體定向耦合器(DIN接頭)（5dB/6dB/7dB/10dB/15dB/20dB/25dB/30dB/40dB/50dB）7若按照使用頻段劃分:1）806～960MHz頻段定向耦合器2）806～2200MHz頻段定向耦合器3）806～2500MHz頻段定向耦合器4）1710～2500MHz頻段定向耦合器（小靈通頻段）8

910合路器:異頻合路器/同頻合路器

1）異頻合路器:二、三、四、五路合路器（GSM、CDMA、DCS、PHS、3G、WLAN頻段任意組合）2）同頻合路器（3dB電橋）:（2路輸入/3路輸入/4路輸入）11異頻合路器可分為二合一,三合一,四合一,五合一,五合四合路器等。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的需求，CDMA、GSM、DCS、PHS、WCDMA、WLAN可以實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)多路合路。12五路合一合路器

13四路合一合路器

14同頻合路器（3dB電橋）同頻合路器3dB電橋15無源器件電氣指標(biāo)的定義功率分配器的定義功分器是一種將一路輸入信號(hào)能量分成兩路或多路輸出相等能量的器件，也可反過來將多路信號(hào)能量合成一路輸出，此時(shí)也可稱為合路器。一個(gè)功分器的輸出端口之間應(yīng)保證一定的隔離度。功分器通常為能量的等值分配，通過阻抗變換線的級(jí)聯(lián)與隔離電阻的搭配，具有很寬的頻帶特性。功分器基本分配路數(shù)為2路、3路和4路，通過它們的級(jí)聯(lián)可以形成多路功率分配。

16微帶二功分器的電氣指標(biāo)17功分器電氣指標(biāo)參數(shù)說明插入損耗：器件直通損耗，其計(jì)算公式為所有路數(shù)的輸出功率之和與輸入功率的比值，或單路的實(shí)際直通損耗減去理想的分配損耗，一般理想分配損耗由下式獲得：

理想分配損耗（dB)=10log(1/N)N為功分器路數(shù)18隔離度：當(dāng)主路接匹配負(fù)載時(shí)，各輸出口的對(duì)端隔離。幅度平衡：指頻帶內(nèi)所有輸出端口之間的幅度誤差最大值。駐波比：指沿著信號(hào)傳輸方向的電壓最大值和相鄰電壓最小值之間的比率。注:駐波比和回波損耗是描述器件同一電氣指標(biāo)的兩種不同的表達(dá)方式。

VSWR1.201.221.251.301.351.401.50回波損耗(dB)21201917.616.615.61419功分器的功率容量、承載功率與輸入功率在分布系統(tǒng)中，功分器作為下行信號(hào)來說是個(gè)功率分配器，對(duì)上行信號(hào)來講又是個(gè)(小信號(hào))合路器。功率分配器上標(biāo)注的功率是指輸入端口的最大輸入功率，而作為(小信號(hào))合路器來講，不能在輸出端口按標(biāo)注的功率輸入信號(hào)。20功分器為什么不能作大功率合路器使用？一般來講，功分器也可以作合路器使用。區(qū)別在于承受的功率不同。以二功分器為例說明。如圖：

信號(hào)從IN輸入，當(dāng)信號(hào)到達(dá)A、B二點(diǎn)時(shí)為同頻同相信號(hào)。所以R上無電流流過即無功率損耗。信號(hào)被平均分配到out1和out2上。而此時(shí)的功率容量主要取決于微帶線承載的功率。當(dāng)然R值的選取還應(yīng)考慮out端開路、短路情況。21

而上圖作為合路器來講，信號(hào)分別從out1和out2輸入。由于out1和out2是兩個(gè)不同的信號(hào)源，它們?cè)贏、B兩點(diǎn)的頻率和相位均不相同。此時(shí)R上就有電流流過。經(jīng)理論計(jì)算，R上承載的功率是1/2out1＋1/2out2。如果out1和out2分別輸入10W功率，那么R至少要選10W以上的功率電阻。同理說明out1和out2到達(dá)“IN”的功率只能是1/2out1＋1/2out222有一種情況IN＝out1＋out2是可以成立的。下圖是一個(gè)100W功率放大器的原理圖。假如放大器1和放大器2管子配對(duì)無相位差，由于放大的是同一個(gè)激勵(lì)信號(hào)。在A、B兩點(diǎn)是一個(gè)同頻同相的50W信號(hào)。R上無功率損耗。因此能量被全部合成到C端口。23

由于功分器通常采用微帶結(jié)構(gòu)，平衡電阻R一般取值不大。且散熱面也不夠大。所以功分器不宜作大功率合成使用。而兩個(gè)大功率的載波信號(hào)合成建議采用3dB電橋。由于3dB電橋可采用腔體結(jié)構(gòu)，且可采用大功率外接負(fù)載適合大功率信號(hào)合成使用。24定向耦合器的定義

定向耦合器常用于對(duì)規(guī)定流向微波信號(hào)進(jìn)行取樣。在無內(nèi)負(fù)載時(shí)，定向耦合器往往是一四端口網(wǎng)絡(luò)。257dB定向耦合器的電氣指標(biāo)參數(shù)26耦合器電氣指標(biāo)的參數(shù)說明耦合度：當(dāng)其余端口接匹配負(fù)載時(shí)，耦合端輸出功率與主線輸入功率之比。

耦合損耗：由于一定能量傳輸?shù)今詈隙硕鹬骶€輸出功率減小，它等于主線插入損耗的理論值。主線插入損耗的最小理論值與耦合度的關(guān)系如下：

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主線損耗：我們又稱之為直通端插入損耗。當(dāng)匹配負(fù)載接主線外各端口時(shí)，主線插入損耗包括能量耦合損耗和能量耗散損耗兩方面。如7dB耦合器的主線損耗為：主線損耗（典型值）=0.9665+0.25=1.2665dB若考慮波動(dòng)（設(shè)波動(dòng)為±0.5dB），則7dB耦合器的主干損耗應(yīng)為1.35dB。

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隔離度：當(dāng)輸入端接匹配負(fù)載時(shí)，輸出口與耦合口之間的隔離

。方向性：當(dāng)功率在指定方向上傳輸時(shí)，耦合端口的輸出功率與同樣功率在相反方向傳輸時(shí)同一耦合端口的輸出功率之差。方向性＝隔離度－耦合度例如:6dB的隔離度是38dB，耦合度實(shí)測(cè)是6.5dB，

則方向性＝隔離度－耦合度＝38－6.5=31.5dB29

駐波比：指沿著信號(hào)傳輸方向的電壓最大值和相鄰電壓最小值之間的比率。注:駐波比和回波損耗是描述器件同一電氣指標(biāo)的兩種不同的表達(dá)方式。

功率容量（承載功率）：同樣指在耦合器上標(biāo)注的功率是指輸入端口的最大輸入功率，輸出口和耦合端口不能用標(biāo)注的最大功率輸入。輸出口和耦合端口的最大輸入功率由耦合度和負(fù)載電阻決定。30合路器技術(shù)指標(biāo)的定義

合路器分為同頻合路器和異頻段合路器兩種。異頻段合路器是指兩個(gè)不同頻段的信號(hào)功率進(jìn)行合成所用。例如，WCDMA和GSM功率合成。由于兩個(gè)信號(hào)頻率間隔較大，可以選用諧振腔選頻方式來合成，其優(yōu)點(diǎn)是插損小，帶外抑制度高，而帶外抑制指標(biāo)是合路器較重要的指標(biāo)之一，如帶外抑制不夠，會(huì)造成GSM與WCDMA之間的相互干擾。

31GSM&WCDMA二路合一合路器技術(shù)規(guī)格

32GSM通道333G通道34同頻合路器

對(duì)同頻合路器來講，由于信道間隔很?。?50KHz），不能采用諧振腔選頻方式來合路，因此只能采用寬帶合路器件，經(jīng)典的作法是采用3dB電橋。3dB電橋有兩個(gè)輸入口和兩個(gè)輸出口，兩載頻合路后，兩個(gè)輸出口可作信號(hào)輸出用，若只需要一個(gè)輸出信號(hào)，則另一輸出口需要負(fù)載吸收，此時(shí)的負(fù)載功率根據(jù)輸入信號(hào)的功率來定，不能小于兩個(gè)信號(hào)功率電平和的1/2。四載頻的合路需要3只3dB電橋來完成。353dB電橋36

當(dāng)電橋作為同頻合路使用時(shí)，其中一個(gè)端口需要接一個(gè)承載功率足夠大的負(fù)載37負(fù)載38衰減器39雙工器40濾波器41POI合路單元42腔體器件與微帶器件的比較腔體耦合器的特點(diǎn)

腔體耦合器與微帶耦合器相比最大優(yōu)點(diǎn)是插入損耗小。由于損耗少及導(dǎo)熱面積大，它的承載功率也較微帶器件要大得多。此外，由于耦合帶的截面積較大，在制造工藝中，可以采用接插件與耦合帶線螺紋連接，使連接的可靠性大為增加，無虛焊的可能性，即使連接件內(nèi)導(dǎo)體松動(dòng)也不至影響器件的使用。43

腔體功分器與微帶功分器相比最大優(yōu)點(diǎn)是插入損耗小。無隔離電阻的腔體功分器使室內(nèi)分布系統(tǒng)的可靠性提高。腔體功分器的特點(diǎn)44室內(nèi)分布系統(tǒng)功分器的選擇

功分器在室內(nèi)分布系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用，它可以將基站的發(fā)射信號(hào)（Tx）分配成多路送到多個(gè)天線，同時(shí)可以將天線接收到的信號(hào)（Rx）返回基站接收機(jī)。典型的二路功分器有微帶（Wilkinson）和腔體（電抗）兩種，二者各有特點(diǎn)。45電抗功分器的特點(diǎn)

電抗功分器一般為同軸結(jié)構(gòu)，它將輸入的50Ω阻抗變換為25Ω（使用內(nèi)外導(dǎo)體的不同比率），25Ω阻抗可以與兩個(gè)輸出50Ω的并聯(lián)阻抗良好匹配。46

Wilkinson功分器通常用微帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由一對(duì)1/4波長(zhǎng)阻抗為70.7Ω的微帶線組成，輸出端口之間串聯(lián)一個(gè)100Ω的電阻。

Wilkinson功分器的特點(diǎn)47端口1（Port1）輸入的Tx信號(hào)

在腔體功分器中,Port1的輸入信號(hào)變換為25Ω，可以與輸出口Port2（50Ω）和Port3（50Ω）的并聯(lián)阻抗良好地匹配，使輸入端口具有良好的駐波VSWR。

在微帶功分器中，信號(hào)平均分成等幅同相的兩路

Port2和3。因?yàn)樵陔娮璧膬啥穗妷合嗤瑳]有電流通過電阻。1/4波長(zhǎng)線的特性阻抗是70.7Ω（√2*50），當(dāng)Port2和3接50Ω負(fù)載時(shí)，輸入端具有良好的駐波VSWR。

48端口2（Port2）輸入的Rx信號(hào)在腔體功分器中，Port2的輸入信號(hào)是失配的，25%的信號(hào)會(huì)被反射掉，25%的信號(hào)將傳到輸出口Port3，50%將直接送到Port1，等效為Rx信號(hào)損耗3dB。

在微帶功分器中，Port2的信號(hào)是50Ω匹配的，但功率被負(fù)載電阻和Port1平均分配。電阻的作用是Port2和

Port3的退耦，但同時(shí)對(duì)Rx信號(hào)有50%（3dB）損耗。49插損腔體功分器內(nèi)導(dǎo)體的材料用黃銅，表面鍍銀，外殼用銅或鋁，用空氣介質(zhì)，

可以認(rèn)為是損耗最小的傳輸線（除超導(dǎo)），損耗通常為0.05dB或更小，但通常標(biāo)為0.1dB，因?yàn)橐獪y(cè)試這么小的插損非常困難。

微帶功分器采用微帶設(shè)計(jì)，具有固有的0.3到0.5dB的損耗。聽起來并不大，但經(jīng)過多個(gè)功分器的累積，結(jié)果是很大的。

50系統(tǒng)的可靠性和安全性對(duì)微帶功分器來說，如果電纜或天線損壞，可能造成功分器的開路或短路。但因?yàn)檩敵鲩g有隔離，一個(gè)臂的問題不會(huì)影響到另一臂。但是，還有一種情況是Tx信號(hào)被反射，而Tx信號(hào)比R