实验04：功分器(Power Divider)

实验四：功分器（Power Divider） *一、 实验目的：1、 了解功分器的原理及基本设计方法。2、 用实验模组实际测量以了解功分器的特性。3、 学会使用MICROWAVE软件对功分器设计及仿真，并分析结果。二 预习内容：1、熟悉功率分接的理论知识。2、熟悉功分器的理论知识。三 实验设备： 项次设备名称数量备注1MOTECH RF2000 测量仪1套亦可用网络分析仪2功分器模组1A、2A2组RF2KM4-1A RF2KM4-2A350终端负载1个LOAD4THRU端子1个THRU（RF2KM）550 BNC 连接线2条CA-1、CA-261M BNC 连接线2条CA-3、CA-47MICROWAVE软件1套微波软件四 理论分析： （一）功分器的原理: 功分器是三端口网络结构（3-port network），如图4-1所示。信号输入端（Port-1）的功率为P1，而其他两个输出端（Port-2及Port-3）的功率分别为P2及P3。由能量守恒定律可知P1=P2 + P3。 若P2=P3并以毫瓦分贝（dBm）来表示三端功率间的关系，则可写成： P2(dBm) = P3(dBm) = Pin(dBm) 3dBPort-2P2PowerDividerPort-1P1Port-3P3图4-1 功率衰减器方框图当然P2并不一定要等于P3，只是相等的情况在实际电路中最常用。因此，功分器在大致上可分为等分型（P2=P3）及比例型（P2=kP3）两种类型。其设计方法说明如下：（1） 等分型：根据电路使用元件的不同，可分为电阻式、L-C式及传输线式。A. 电阻式：此类电路仅利用电阻设计。按结构可分成形,Y形，如图4-2(a)(b)所示。Port -3Port -1ZoZoZoPort -2P1P2P3Port -2P1P2P3Port -1Port -3Zo/3Zo/3Zo/3(a)(b)图4-1(a)形电阻式等功分器 图（b）Y形电阻式等功分器其中Zo就是电路特性阻抗（Characteristic Impedance），在高频电路中，在不同的使用频段，电路中的特性阻抗不相同。在本实验中，皆以50为例。此型电路的优点是频宽大、布线面积小、及设计简单，而缺点是功率衰减较大（6dB）。V12V2V32Zo/3Zo/3Zo/3ZoZoVo2 理论推导如下: 2 3 1 3 4 2 V0 = V1 = V1 3 4 V2 = V3 = V0 1V2 2 V1 V2 = V120log = -6dBB. L-C式此类电路可利用电感及电容进行设计。按结构可分成高通型和低通型，如图4-3(a)(b)所示。其设计公式分别为：a.低通型（Low-pass）： 其中 fo操作频率（operating frequency） Zo电路特性阻抗（characteristic impedance） Ls串联电感（series-inductor） Cp并联电容（shunt-capacitor） b.高通型（High-pass）： 其中 fo操作频率（operating frequency） Zo电路特性阻抗（characteristic impedance） Lp并联电感（shunt-inductor） Cs串联电容（series-capacitor）Port-1P1P3Port-3Port-2P2LsLsCpCpZo(a)low-passPort-1P1Port-2P2P3Port-3CsCsLpLpZo(b)high-pass 图4-2(a) 低通L-C式等功分器; (b) 高通L-C式等功分器C传输线式（Transmission-line Type） 此种电路按结构可分为威尔金森型和支线型，如图4-3(a)(b)所示。其设计公式分别为：a. 威尔金森型（Wilkinson Pattern）Port-1P1Port-2P2P3Port-32Zo2Zo2Zo/ 4P2 = P3 = P1 - 3dBZo： 特 性 阻 抗 ：输入信号波长图4-3（a）威尔金生型等功分器b支线型（Branch-line pattern）ZsZsZpZpZoZoZoZoZoPort-1P1P3Port-3Port-1P2/ 4/ 4 设计公式: 图4-3(b)支线型等功分器（2）比例型此种电路按结构可分为支线型及威尔金森耦合线型，如图4-4(a)(b)所示。其设计公式如下：ZsZsZpZpZoZoZoZoZoPort-1PinP3Port-3Port-2P2/ 4/ 4 设计公式: 图4-4(a)分支线型比例功分器 （注: ZP及Zr也可以是电容或电感。请参考 L-C型等功分器。）ZoZoZoZ1Z3Z5Z4Z2R/ 4/ 4/ 4PinP2P3图4-4(b)威尔金森耦合线比例功分器 设计公式:五、硬件测量（RF2KM4-1A,RF2KM4-2A）：1. 测量MOD-4A（RF2KM4-1A）的S11及S21,以了解简易的功分电路的特性；测量MOD-4B(RF2KM4-2A)的S11及S21测量以了解标准的功分电路的特性。2. 准备电脑，测量软件，RF2000,及若干小器件。3. 测量步骤: MOD-4A的P1端子的S11测量：设定频段：BAND-3；将LOAD-1及LOAD-2分别接在模组P2及P3端子；对模组P1端子做S11测量，并将测量结果记录于表（4-1）中。MOD-4A的P1及P2端子的S21测量：设定频段：BAND-3；将LAOD-1接在P3端子上；对模组P1及P2端子做S21测量，并将测量结果记录于表（4-2）中。 MOD-4A的P1及P3端子的S21测量：设定频段：BAND-3；将LOAD-1接在模组P2端子上；对模组P1及P3端子做S21测量，并将测量结果记录于表（4-3）中。 MOD-4B的P1端子的S11测量：设定频段：BAND-4；将LOAD-1及LOAD-2分别接在模组P2及P3端子上。对模组P1端子做S11测量，并将测量结果记录于表（5-1）中。 MOD-4B的P1及P2端子的S21测量：设定频段：BAND-4；将LOAD-1接在P3端子上；对模组P1及P2端子做S21测量，并将测量结果记录于表（5-2）中。MOD-4B的P1及P3端子的S21测量：设定频段：BAND-4；将LOAD-1接在模组P2端子上；对模组P1及P3端子做S21测量，并将测量结果记录于表（5-3）中。4. 实验记录表4-1、4-2、4-3均为以下表： 5、 已经测量的结果建议如下为合格： RF2KM4-1A MOD-4A(50-300MHZ) S11-14dB S21=-61dB S31=-61dB MOD-4A(300-500MHZ)S11-14dB S21-7dB S31-7dB RF2KM4-2A MOD-4B(75050MHZ) S11-10dB S21-4dB S31-4dB 6、待测模组方框图:电阻式功分器 威尔金森型功分器六、软件仿真：1、在这里以支路型等功分器为例。2、先决定操作频率（f0）,特性阻抗（Z0）及功率比例（k）:f0=750MHz,Z0=50,k=0.1。3 如下图图4-5所列公式： Port-1P1P3Port-3Port-2P2LrLrCpCpZo图4-5 支路型等功分器 设计公式： 计算可得： Zr=47.4 Lr=10.065nH 选定 Lr=10nH Zp=150 Cp=1.415Pf 选定 Cp=1.4pF4 然后利用MICROWAVE软件模拟理想设计电路，然后进行仿真，结果应接近实际测量所得到的仿真图形和指标。5、利用MICROWAVE软件计算出微带线（microstrip line type）电路的实际尺寸。 6、电路图和相应的仿真图可参照图4-5。 支路型等功分器电路图支路型等功分器的仿真图七、实例分析：请设计支路型等功分器，其特性阻抗Z0=50,f0=75