无源器件基础

1、1 无源器件和射频基础知识无源器件和射频基础知识 武武 汉汉 邮邮 电电 科科 学学 研研 究究 院院 武汉虹信通信技术有限责任公司武汉虹信通信技术有限责任公司 2 无源器件无源器件 p无源器件的分类 p无源器件电气指标的定义 p微带器件与腔体器件的比较 3 无源无源微波器件微波器件产品类别产品类别 p功率分配器功率分配器: :微带微带/ /腔体腔体 p定向耦合器定向耦合器: :微带微带/ /腔体腔体 p异频合路器异频合路器 p同频合路器同频合路器 p3dB3dB电桥电桥 p负载负载 p衰减器衰减器 p滤波器滤波器 p合路单元合路单元 4 1.按照结构分类:微带/腔体功分器 2.按照输出端口分

2、类:二、三、四路功率分配器 3.按照器件使用频段分类: 1）806960MHz 频段 2）8062200MHz频段 3）8062500MHz频段 4）17102500MHz频段（小灵通频段） 功率分配器功率分配器: : 5 6 7 耦合器耦合器 1、微带定向耦合器 （5dB/6dB/7dB/10dB/15dB/20dB/25dB/30dB/40dB/50dB） 2、腔体定向耦合器 （5dB/6dB/7dB/10dB/15dB/20dB/25dB/30dB/40dB/50dB） 3、基站腔体定向耦合器(DIN接头) （5dB/6dB/7dB/10dB/15dB/20dB/25dB/30dB/40

3、dB/50dB） 8 若按照使用频段划分: 1）806960MHz 频段定向耦合器 2）8062200MHz频段定向耦合器 3）8062500MHz频段定向耦合器 4）17102500MHz频段定向耦合器（小灵通频段） 9 10 11 合路器合路器: :异频合路器异频合路器/ /同频合路器同频合路器 1）异频合路器: 二、三、四、五路合路器 （GSM、CDMA、DCS、PHS 、3G、WLAN 频段任意组合） 2）同频合路器（ 3dB电桥）: （2路输入/3路输入/4路输入 ） 12 异频合路器可分为二合一,三合一,四合一,五合 一,五合四合路器等。 根据网络覆盖的需求，CDMA、GSM、DC

4、S、 PHS、WCDMA、WLAN可以实现多网多路合路。 13 五路合一合路器 14 四路合一合路器 15 同频合路器（ 3dB电桥） 同频合路器 3dB电桥 16 无源器件电气指标的定义无源器件电气指标的定义 功率分配器的定义功率分配器的定义 功分器是一种将一路输入信号能量分成两路或多 路输出相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量 合成一路输出，此时也可称为合路器。一个功分器的 输出端口之间应保证一定的隔离度。 功分器通常为能量的等值分配，通过阻抗变换线 的级联与隔离电阻的搭配，具有很宽的频带特性。功 分器基本分配路数为2路、3路和4路，通过它们的级联 可以形成多路功率分配。 17 微带二

5、功分器的微带二功分器的电气指标电气指标 带内波动(dB)0.2 隔离度(dB)20 驻波比1.22 回波损耗(dB)20 幅度平衡度(dB)0.2 相位平衡度()5 阻抗()50 三阶互调(dBc)-140+43dBm2 接口类型N-F 功率容量(W)100 工作温度()-30+70 外形尺寸(mm)2166816 重量(kg)0.27 18 功分器电气指标参数说明功分器电气指标参数说明 插入损耗：插入损耗：器件直通损耗，其计算公式为所有路数的 输出功率之和与输入功率的比值，或单路的实际直通 损耗减去理想的分配损耗，一般理想分配损耗由下式 获得： 理想分配损耗（理想分配损耗（dB)=10log

6、(1/N) dB)=10log(1/N) N为功分器路数 功分器种类插损分配损耗总损耗 二功分0.2533.25 三功分0.34.85.1 四功分0.566.5 八功分0.899.8 19 隔离度：隔离度：当主路接匹配负载时，各输出口的对端隔离。 幅度平衡幅度平衡：指频带内所有输出端口之间的幅度误差最大 值。 驻波比：驻波比：指沿着信号传输方向的电压最大值和相邻电压 最小值之间的比率。 注:驻波比和回波损耗是描述器件同一电气指标的两种不 同的表达方式。 VSWR 1.201.221.251.301.351.401.50 回波损 耗(dB) 21201917.616.615.614 20 功分器

7、的功率容量、承载功率与输入功率功分器的功率容量、承载功率与输入功率 在分布系统中，功分器作为下行信号来说是个功率分 配器，对上行信号来讲又是个(小信号)合路器。功率 分配器上标注的功率是指输入端口的最大输入功率， 而作为(小信号)合路器来讲，不能在输出端口按标注 的功率输入信号。 21 功分器为什么不能作大功率合路器使用？功分器为什么不能作大功率合路器使用？ 一般来讲，功分器也可以作合路器使用。区别在 于承受的功率不同。以二功分器为例说明。如图： 信号从IN输入，当信号到达A、B二点时为同频同 相信号。所以R上无电流流过即无功率损耗。信号被平 均分配到out1和out2上。而此时的功率容量主要

8、取决 于微带线承载的功率。当然R值的选取还应考虑out端 开路、短路情况。 IN out2 B out1 A 22 而上图作为合路器来讲，信号分别从out1和 out2输入。由于out1和out2是两个不同的信号 源，它们在A、B两点的频率和相位均不相同。 此时R上就有电流流过。经理论计算，R上承载 的功率是1/2out11/2out2。如果out1和out2 分别输入10W功率，那么R至少要选10W以上的功 率电阻。同理说明out1和out2到达“IN”的功 率只能是1/2out11/2out2 23 有一种情况INout1out2是可以成立的。 下图是一个100W功率放大器的原理图。 放

9、大 器 2 放 大 器 1 A 假如放大器1和放大器2管子配对无相位差，由于放大的 是同一个激励信号。在A、B两点是一个同频同相的50W 信号。R上无功率损耗。因此能量被全部合成到C端口。 24 由于功分器通常采用微带结构，平衡电阻R一般 取值不大。且散热面也不够大。所以功分器不宜 作大功率合成使用。而两个大功率的载波信号合 成建议采用3dB电桥。由于3dB电桥可采用腔体结 构，且可采用大功率外接负载适合大功率信号合 成使用。 25 定向耦合器的定义定向耦合器的定义 定向耦合器常用于对规定流向微波信号进行取样。 在无内负载时，定向耦合器往往是一四端口网络。 26 7dB定向耦合器的电气指标参数

10、定向耦合器的电气指标参数 频率范围(MHz)806960/17102200/22002500 耦合度(dB)7 插入损耗(dB)1.34 带内波动(dB)0.8 方向性(dB)20 回波损耗(dB)20 阻抗()50 三阶互调(dBc)-140+43dBm2 接口类型N-F 功率容量(W)50 工作温度()-30+70 外形尺寸(mm)1465219 重量(kg)0.32 27 耦合器电气指标的参数说明耦合器电气指标的参数说明 耦合度：耦合度：当其余端口接匹配负载时，耦合端输出功率 与主线输入功率之比。 耦合损耗：耦合损耗：由于一定能量传输到耦合端而引起主线输 出功率减小，它等于主线插入损耗的

11、理论值。主线插 入损耗的最小理论值与耦合度的关系如下： 28 主线损耗：主线损耗：我们又称之为直通端插入损耗。当匹配负 载接主线外各端口时，主线插入损耗包括能量耦合损 耗和能量耗散损耗两方面。 n如7dB耦合器的主线损耗为： n主线损耗（典型值）=0.9665+0.25=1.2665 dB n若考虑波动（设波动为0.5 dB），则7dB耦合器的 主干损耗应为1.35 dB。 29 隔离度：隔离度：当输入端接匹配负载时，输出口与耦合口之 间的隔离 。 方向性：方向性：当功率在指定方向上传输时，耦合端口的输 出功率与同样功率在相反方向传输时同一耦合端口的 输出功率之差。 方向性隔离度耦合度 例如:

12、6dB的隔离度是38dB，耦合度实测是6.5dB， 则方向性隔离度耦合度386.5=31.5dB 30 驻波比：驻波比：指沿着信号传输方向的电压最大值和相邻电 压最小值之间的比率。 注:驻波比和回波损耗是描述器件同一电气指标的两 种不同的表达方式。 功率容量（承载功率）：功率容量（承载功率）：同样指在耦合器上标注的功 率是指输入端口的最大输入功率，输出口和耦合端口 不能用标注的最大功率输入。输出口和耦合端口的最 大输入功率由耦合度和负载电阻决定。 31 合路器技术指标的定义合路器技术指标的定义 合路器分为同频合路器和异频段合路器两种。 异频段合路器是指两个不同频段的信号功率进行合 成所用。 例

13、如，WCDMA和GSM功率合成。由于两个信号频率间 隔较大，可以选用谐振腔选频方式来合成，其优点是 插损小，带外抑制度高，而带外抑制指标是合路器较 重要的指标之一，如带外抑制不够，会造成GSM与 WCDMA之间的相互干扰。 32 GSM&WCDMA 二路合一合路器技术规格 33 GSM通道 34 3G通道 35 同频合路器同频合路器 对同频合路器来讲，由于信道间隔很小（250KHz），不 能采用谐振腔选频方式来合路，因此只能采用宽带合路 器件，经典的作法是采用3dB电桥。 3dB电桥有两个输入口和两个输出口，两载频合路后， 两个输出口可作信号输出用，若只需要一个输出信号， 则另一输出口需要负载

14、吸收，此时的负载功率根据输入 信号的功率来定，不能小于两个信号功率电平和的1/2。 四载频的合路需要3只3dB电桥来完成。 36 3dB电桥电桥 37 当电桥作为同频合路使用时，其中一个端口需 要接一个承载功率足够大的负载 38 负载 39 衰减器 40 双工器 41 滤波器 42 POI 合路单元 43 腔体器件与微带器件的比较腔体器件与微带器件的比较 腔体耦合器的特点腔体耦合器的特点 腔体耦合器与微带耦合器相比最大优点是插 入损耗小。由于损耗少及导热面积大，它的承 载功率也较微带器件要大得多。此外，由于耦 合带的截面积较大，在制造工艺中，可以采用 接插件与耦合带线螺纹连接，使连接的可靠性

15、大为增加，无虚焊的可能性，即使连接件内导 体松动也不至影响器件的使用。 44 腔体功分器与微带功分器相比最大优点是 插入损耗小。无隔离电阻的腔体功分器使室 内分布系统的可靠性提高。 腔体功分器的特点腔体功分器的特点 45 室内室内分布系统功分器的选择分布系统功分器的选择 功分器在室内分布系统中有广泛应用，它可以 将基站的发射信号（Tx）分配成多路送到多个 天线，同时可以将天线接收到的信号（Rx）返 回基站接收机。 典型的二路功分器有微带（Wilkinson）和腔 体（电抗）两种，二者各有特点。 46 电抗电抗功分器的特点功分器的特点 电抗功分器电抗功分器一般为同轴结构，它将输入的50阻抗 变换

16、为25（使用内外导体的不同比率），25阻 抗可以与两个输出50的并联阻抗良好匹配。 47 Wilkinson功分器功分器通常用微带结构设计，由 一对1/4波长阻抗为70.7的微带线组成，输 出端口之间串联一个100的电阻。 Wilkinson功分器的特点功分器的特点 48 端口端口1 1（Port 1Port 1）输入的）输入的TxTx信号信号 在腔体功分器中, Port 1 的输入信号变换为25， 可以与输出口Port 2（50）和Port 3（50）的并 联阻抗良好地匹配，使输入端口具有良好的驻波VSWR。 在微带功分器中，信号平均分成等幅同相的两路 Port 2 和 3。因为在电阻的两端

17、电压相同，没有电流 通过电阻。1/4波长线的特性阻抗是70.7（2*50）， 当Port 2 和 3接50负载时，输入端具有良好的驻波 VSWR。 49 端口端口2 2（ Port 2Port 2）输入的）输入的RxRx信号信号 在腔体功分器中，Port 2 的输入信号是失配的， 25%的信号会被反射掉， 25%的信号将传到输出口 Port 3，50%将直接送到Port 1，等效为Rx信号损 耗3 dB。 在微带功分器中，Port 2的信号是50匹配的，但 功率被负载电阻和Port 1平均分配。电阻的作用是 Port 2 和 Port 3的退耦，但同时对Rx信号有50% （3 dB）损耗。 50 插损插损 腔体功分器内导体的材料用黄铜，表面镀银， 外壳用铜或铝，用空气介质， 可以认为是损 耗最小的传输线（除超导），损耗通常为0.05 dB或更小，但通常标为0.1 dB，因为要测试这 么小的插损非常困难。 微带功分器采用微带设计，具有固有的0.3 到 0.5 dB的损耗。听起来并不大，但经过多个功 分器的累积，结果是很大的。 51 系统的可靠性和安全性系统的可靠性和安全性 对微带功分器来说，如果电缆或天线损坏，可能造成 功分器的开路或短路。但因为输出间有隔离，一个臂