第三章 微带线功率分配器

1、电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线功率分配器 p概述概述 u功率分配器概念：功率分配器概念： 将将输入信号分成相等或不等输入信号分成相等或不等的多路的多路功率功率输输 出网络出网络 u功率分配器应用功率分配器应用 高功率合成高功率合成 MMIC PAMMIC PA； 功率功率分配分配 相控阵雷达相控阵雷达将发射功率分配到各天将发射功率分配到各天 线线单元；单元； 共共用同一本振的多通道收发系统用同一本振的多通道收发系统 功率功率合成合成（功率合成器功率合成器） 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线功率分配器 p概述概述 u功率分配器主要技术指标

2、：功率分配器主要技术指标： 支路数支路数 功率分配比功率分配比 隔离度隔离度 损耗损耗 驻波驻波 功率容量功率容量 u功率分配器类型功率分配器类型 二进制树形，级联型，二进制树形，级联型，N-N-路路 型，型， 等功率型，非等功率型等功率型，非等功率型 隔离型，非隔离隔离型，非隔离型型 波导波导型，同轴型，微带型型，同轴型，微带型 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线功率分配器 pWilkinson N-way Hybrid power dividerWilkinson N-way Hybrid power divider A coaxial line in which

3、 the hollow inner conductor has been split into A coaxial line in which the hollow inner conductor has been split into n splines splines of length of length /4. /4. A shorting plate connects the splines at the input end, and resistors are A shorting plate connects the splines at the input end, and r

4、esistors are connected in a radial manner between each spline at the output end and a connected in a radial manner between each spline at the output end and a common junctioncommon junction Output connectors are shown connected to the splines in an “in line ” mannerOutput connectors are shown connec

5、ted to the splines in an “in line ” manner 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线功率分配器 p微带微带Wilkinson Wilkinson 功分功分器器 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线三端口功率分配器 p微带线微带线wilkinson wilkinson 功率分配功率分配 器结构与功能器结构与功能 u平衡平衡工作状态：工作状态：通过选择不同通过选择不同Z02和和Z03的的 g/4线，并配接合适线，并配接合适 的负载的负载R2和和R3，实现不同比例的实现不同比例的功率分配功率分配/ /功率合成，并使

6、功率合成，并使(2)(2)、 (3)(3)端口间无压差，电阻端口间无压差，电阻R R上上无电流无电流 u由由T/YT/Y型结，特性阻抗为型结，特性阻抗为Z02 和和Z03的的 g/4线线、电阻、电阻R R构成的构成的 三三端口端口功率分配网络功率分配网络: (1: (1) )为输为输 入端口，入端口， (2)(2)、 (3 (3) )为输出端口为输出端口 u非平衡工作状态非平衡工作状态： (2) (2)、(3)(3)端口端口间存在电压差，电阻间存在电压差，电阻R R上有电流上有电流 流过。由流过。由(2)(2)口输入的信号分为两路口输入的信号分为两路达到达到(3)(3)端口端口：一路：一路Z0

7、2 g/4 线线Z03 g/4线，一路通过电阻线，一路通过电阻R R，并在，并在(3)(3)端口实现相互抵消。端口实现相互抵消。 即实现即实现(2)-(3)(2)-(3)端口隔离端口隔离 隔离电阻隔离电阻 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线三端口功率分配器 p微带线微带线wilkinson wilkinson 功率分配功率分配 器网络分析器网络分析 u功率分配比与支路阻抗的关系功率分配比与支路阻抗的关系 设设(2)、(3)端口功率分配比：端口功率分配比： 2 3 2 P K P 平衡工作状态，平衡工作状态，(2)、(3)端口无电压差：端口无电压差： Z2 Z3 V2

8、V3 22 32 23 23 VV PP ZZ ， 23 VV 2 2 3 Z K Z V1 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线功率分配器 Z2 Z3 V2 V3 2 23 ZK Z V1 Zin3 Zin2 Zin2 和和 Zin3为在为在(1)(1)处分别向处分别向 支路支路(1)-(2)(1)-(2)和支路和支路(1)-(3(1)-(3) )的输的输 入阻抗：入阻抗： 22 in2022in3033 ZZZZZZ， 在在(1)处处分别流向支路分别流向支路(1)-(2)(1)-(2)和支路和支路 (1)-(3(1)-(3) )的功率比值：的功率比值： 2 2 in

9、30321in22 22 31in3in2023 1ZZPVZZ PVZZZZK 2 02 03 Z K Z u功率分配比与支路阻抗的关系功率分配比与支路阻抗的关系 功率功率分配比与支路阻抗的分配比与支路阻抗的关系：关系： 2 3022 2033 PZZ K PZZ 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线三端口功率分配器 p微带线微带线wilkinson wilkinson 功率分配器功率分配器 Z2 Z3 V2 V3 V1 Zin3 Zin2u输入端匹配要求输入端匹配要求 在在输入端输入端(1),(1),支路支路(1)-(2)(1)-(2)和和支支 路路(1)-(3(1

10、)-(3) )为并联关系：为并联关系： Z0=Zin2 / Zin3 22 0203 222 230203 2222 020323 23 1 = 11 ZZ ZZZZK ZZKZKZ ZZ 2 3022 2033 PZZ K PZZ 2 02200330 2 1 11+ZZZKZZZ K ， 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线三端口功率分配器 p微带线微带线wilkinson wilkinson 功率分配器功率分配器 Z2 Z3 V2 V3 V1 Zin3 Zin2u阻抗关系确定阻抗关系确定 选择合适的选择合适的Z2、Z3，根据要，根据要 求的功率分配比为求的功率分配

11、比为K2，可，可 得到各分支路特性阻抗：得到各分支路特性阻抗： 2 3022 2033 PZZ K PZZ 2030 1 ZKZZZ K 、 2 020 2 030 3 1 1 ZZK K K ZZ K 例如：例如：3dB功分器（等功率分功分器（等功率分 配配），），K=1，Z0=50欧姆，欧姆，有有： 23 230 02030 =50 2=70.7 PP ZZZ ZZZ 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线三端口功率分配器 p微带线微带线wilkinson wilkinson 功率分配器功率分配器 u不等分功率分配器设计不等分功率分配器设计 K1，Z2 Z0， Z3

12、Z0 2030 1 ZKZZZ K 、 2 020 2 030 3 1 1 ZZK K K ZZ K Z2 Z3 04200 05300 = 1 = ZZZKZ ZZZZ K 采用采用 /4阻抗变换段实现同阻抗变换段实现同 一系统端口一系统端口阻抗阻抗 Z0要求要求 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线三端口功率分配器 p微带线微带线wilkinson wilkinson 功率分配器功率分配器 u隔离电阻隔离电阻R R 通过求解通过求解端口端口(2)-(3)(2)-(3)之间的之间的 传输系数来确定电阻传输系数来确定电阻R R的大的大 小小 并联并联二端口二端口网络，采

13、用导纳矩网络，采用导纳矩 阵分析阵分析 212121 ()()0 RT yyy 1112 2122 RT yy yyy yy i=0 us 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线三端口功率分配器 (1)(1)串联电阻串联电阻y矩阵矩阵 23 11 11 R RR yZ Z RR (2)T(2)T形网络形网络y矩阵矩阵 0 0203 44 gg T Z aaaa 先求解级联先求解级联A A矩阵；再利用矩阵；再利用A-YA-Y转转 换求解换求解 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线三端口功率分配器 (2 (2-1 -1 ) T) T形网络形网络a矩阵矩

14、阵 02 2 02 4 2 02 0 0 g Z j Z a Z j Z 0 03 02 0203 02 003 0 Z Z Z a Z ZZ ZZ 03 3 03 4 3 03 0 0 g Z j Z a Z j Z 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线三端口功率分配器 (2 (2-2 -2 ) T) T形网络形网络a矩阵矩阵 0230203 032 023 032 023 0 T ZZZ Z ZZZZ Z a ZZ ZZ 30232 023032 023 0203 023 032 1 1 1 T ZZZZ ZZZZ ZZ Zda y bZ Za ZZ ZZ (2 (

15、2-3 -3) T) T形网络形网络y矩阵矩阵 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线三端口功率分配器 (3)(3)并联二端口网络并联二端口网络y矩阵矩阵 1112 2122 RT yy yyy yy 212121 0 RT yyy i=0 us 23023 0203 0 Z ZZZ Z RZ Z 0203 0 Z Z R Z 隔离电阻隔离电阻 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线三端口功率分配器 隔离电阻隔离电阻 2 000 11K RZKZZ KK Z2Z0 Z3Z0 /K 2 020 23 030 1 1 ZZK K ZZKK 20 30 1

16、 ZKZ ZZ K 选取： 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线三端口功率分配器 p微带线微带线wilkinson wilkinson 功率分配器功率分配器 u设计公式设计公式 Z2Z0 Z3Z0 /K 2 32 20 30 2 020 23 030 00 1 1 1 1 PK P ZKZ ZZ K ZZK K ZZKK RKZZ K 例如：例如：3dB功分器（等功率分功分器（等功率分 配配），），K=1，Z0=50欧姆，欧姆，有有： 23 230 02030 0 =50 2=70.7 R=2=100 PP ZZZ ZZZ Z 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义

17、3.5 微带线带线三端口功率分配器 p宽带宽带微带线微带线wilkinson wilkinson 功率分配器功率分配器 u微带微带Wilkinson Wilkinson 功率分配器相于阻抗功率分配器相于阻抗 变换器变换器 1230 2 / 1 K ZZZZ K 0102030 2 / 1 K ZZZZ K 0101 ZZZ 显然： 单级微带单级微带Wilkinson Wilkinson 功率分配器带宽一般为功率分配器带宽一般为30%30%左右，左右， 可增加可增加“阻抗变换级阻抗变换级”段段级级数获得宽带性能数获得宽带性能 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5微带线带线三端口功率分

18、配器 p宽带宽带微带线微带线wilkinson wilkinson 功率分配器功率分配器 u增加增加“阻抗变换段阻抗变换段”级数方法级数方法 N-N-节宽带功率分配器节宽带功率分配器 输入端增加四分之一波长阻抗变换器输入端增加四分之一波长阻抗变换器 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线三端口功率分配器 p宽带宽带微带线微带线wilkinson wilkinson 功率分配器功率分配器 u输入端增加输入端增加“四分之一波长阻抗变四分之一波长阻抗变 换段换段”的方法的方法 可看做两级四分之一波长阻抗可看做两级四分之一波长阻抗 变换器级联变换器级联 Za 2 01 1 a Z Z Z 2 01 0 a Z Z Z 0 1 a a ZZ r ZZ 选取相同阻抗变换比： 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 3.5 微带线带线三端口功率分配器 u输入端增加输入端增加“四分之一波长阻抗变换段四分之一波长阻抗变换段”的宽带的宽带wilkinsonwilkinson功分功分 器设计公式器设计公式 2 32 20 30 1 4 010 2 31 2 44 020 15 2 44 030 00 1 1 (1) (1