射频微波电路导论 课件(西电版)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集总参数功率分配器

5.3分布参数功率分配器5.1功率分配器的基本原理

5.1.1功率分配器的技术指标 频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输出间的插入损耗、支路端口间的隔离度、每个端口的电压驻波比等。 (1)频率范围。

(2)承受功率。在大功率分配器/合成器中，最大功率是核心指标，它决定采用什么形式的传输线。一般传输线承受功率由小到大的次序是微带线、带状线、同轴线、空气带状线、空气同轴线。

(3)分配损耗。主路到支路的分配损耗实质上与功率分配器的功率分配比有关。如两等分功率分配器的分配损耗是3dB,四等分功率分配器的分配损耗是6dB。定义

(4)插入损耗。输入输出间的插入损耗是由于传输线（如微带线）的介质或导体不理想等因素,考虑输入端的驻波比所带来的损耗。令 Ai=A-Ad

A是实际测量值。在其他支路端口接匹配负载,测量主路到某一支路间的传输损耗。 A的理想值就是Ad。在功率分配器的实际工作中,几乎都是用A作为研究对象。

(5)隔离度。支路端口间的隔离度是功率分配器的另一个重要指标。如果从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出,而不应该从其他支路输出,这就要求支路之间有足够的隔离度。在主路和其他支路都接匹配负载的情况下，

(6)驻波比。每个端口的电压驻波比越小越好。

5.1.2功率分配器的原理 一分为二功率分配器是三端口网络结构。信号输入端的功率为P1,而其他两个输出端口的功率分别为P2和P3。P1=P2+P3。 如果P2（dBm）=P3（dBm），则 P2(dBm)=P3(dBm) =Pin(dBm)-3dB 功率分配器可分为等分型（P2=P3）和比例型（P2=kP3）两种类型。图5-1功率分配器示意图5.2集总参数功率分配器

5.2.1等分型功率分配器 根据电路使用元件的不同,可分为电阻式和L-C式两种情况。

1.电阻式 电阻式电路仅利用电阻设计,按结构可分成△形和Y形。图5-2△形和Y形电阻式功率分配器 Z0是电路特性阻抗。这种电路的优点是频宽大，布线面积小，设计简单；缺点是功率衰减较大（6dB）。对于Y形电阻式二等分功率分配器：(5-2)图5-3Y形电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，向着后面接有输出线的Z0/3电阻看去的阻抗Z是

S21=S31=S23=1/2，低于输入功率电平6dB；网络互易，散射矩阵对称

2.L-C式 利用电感及电容进行设计。按结构可分成高通型和低通型。图5-4L-C式集总参数功率分配器

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两个输出口的功率不相等。假定一个支路端口与主路端口的功率比为k，可按照下面公式设计图5-4（a）所示低通式L-C式集总参数比例功率分配器。(5-5)

5.2.3集总参数功率分配器的设计方法 集总参数功率分配器的设计就是要计算出各个电感、电容或电阻的值。图5-5低通L-C式功率分配器 设f0=750MHz，Z0=50Ω，k=0.1，要求在750±50MHz的范围内S11≤-10dB，S21≥-4dB,S31≥-4dB。

在电路实现上采用如图5-5所示结构。 应用公式（5-5），计算可得Zr=47.4Ω→Lr=10.065nH，选定Lr=10nHZp=150Ω→Cp=1.415pF，选定Cp=1.4pF 图5-6功率分配器电路图

图5-7功率分配器电路仿真结果5.3分布参数功率分配器

5.3.1微带线功率分配器 功率分配器/合成器有两路和多路情况。

1.两路功率分配器 下图是两路微带线威尔金森功率分配器示意图，这是一个功率等分器，R是隔离电阻。当信号从端口1输入时,功率从端口2和端口3等功率输出。如果有必要,输出功率可按一定比例分配,并保持电压同相,电阻R上无电流,不吸收功率。图5-8威尔金森功率分配器 与其他功分器相比，Wilkinson功分器做到输出端口都匹配且无耗 若端口2或端口3有失配,则反射功率通过分支叉口和电阻两路到达另一支路的电压等幅反相而抵消,在此点没有输出,从而可保证两输出端有良好的隔离。 考虑一般情况(比例分配输入功率),设端口3和端口2的输出功率比为，即（5-6） 端口2的电压U2与端口3的电压U3相等,即U2=U3。端口2和端口3的输出功率与电压的关系为

Z2、Z3为端口2和端口3的输入阻抗，若 则可满足式（5-9）。为保证端口1匹配,应有（5-10）（5-11） 同时由于 则 所以

（5-12）

为了实现端口2和端口3隔离,可选

在等功率分配的情况下,即P2=P3,k=1,于是 微带线功率分配器的实际结构可以是圆环形,便于加工和隔离电阻的安装。（5-13）

图5-9微带线功率分配器 设计实例： 设工作频率为f0=750MHz,特性阻抗为Z0=50Ω，功率比例为k=1,且要求在750±50MHz的范围内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频率特性。由图5-10(b)看出,当频带边缘频率之比f2/f1=1.44时,输入驻波比ρ<1.22，基本满足输出两端口隔离度大于20dB的指标要求。当f2/f1=2时,各部分指标也开始下降,隔离度只有14.7dB,输入驻波比也达到1.42。为了进一步加宽工作频带,可以用多节的宽频带功率分配器,即可以增加节数,即增加λg/4线段和相应的隔离电阻R的数目。 即使节数增加不多,各指标也可有较大改善,工作频带有较大的展宽。例如,n=2,当f2/f1=2时,驻波比ρ<1.11,隔离度大于27dB;n=4,当f2/f1=4时,驻波比ρ<1.10,隔离度大于26dB;n=7,当f2/f1=10时,驻波比ρ<1.21,隔离度大于19dB。多节宽带功率分配器的极限情况是渐变线形，如图5-11（b），隔离电阻用扇型薄膜结构。图5-11宽频带功率分配器（a）

多节功率分配器;（b）

渐变线功率分配器

功率分配器的设计是在假定支路口负载等于传输线特性阻抗的前提下进行的。如果负载阻抗不是这样,必须增加阻抗匹配元件。这一点直接影响功率分配器的效率。

图5-12N路功率分配器

2.多路功率分配器/合成器 N路功率分配器要满足条件：输入端口匹配无反射；各路输出功率之比已知，P1∶P2∶P3∶…∶Pn=k1∶k2∶k3∶…∶kn；各路输出电压U1、U2、U3、…、Un等幅同相。 取各路负载阻值为(5-14) 从而,可得各路的特性阻抗为(5-15) 多路功率分配器实际中常用的方法是采用两路功率分配器的级联,即一分为二,二分为四,四分为八等。 级联的设计方法有两种,区别在于微带线段的特性阻抗和隔离电阻值,由设计任务的尺寸等因素决定采用哪个方法。图5-13一分为四的两种形式 如果要设计输出端口为奇数的功率分配器,也可利用2n功率分配器方案进行设计。在级联的上一级做不等分,将少部分功率直接输出,大部分功率再做等分。合理调整分配比,可实现任意奇数个分配口输出。 三等分功率分配器可以采用图5-14所示结构。输入信号为中心点,可以用微带地板穿孔的方法实现,输入端与三个输出端的平面垂直。图5-14三等分功率分配器

5.3.2其他分布参数功率分配器 其他分布参数功率分配器的基本结构包括带状线、波导、同轴结构。空气带状线是大功率微波频率低端常用结构,原理与微带线威尔金森功率分配器相同,只是每段传输线的特性阻抗的实现要用到带状线计算公式。（承受大功率需加大各个结构尺寸）微波高端常用到波导T形接头。同轴结构加工困难，尽可能少用。E-T分支H-T分支E—T接头1、口输入，、等幅反相输出2、、等幅同相输入，口无输出3、、等幅反相输入，口有输出根据前述特性，的第一行乘以即又由的第一列，得为任意相角，取决于端口1和3参考面的位置的第三行乘以所以设的第三列，得为任意相角，取决于端口1和2参考面的位置，适当选择参考面，可使的第三行乘以由前述，可得设的第一列，得在这组特定的参考面下，E－T分支的用类似的方法可求得H－T分支的H—T接头1、③口输入，、等幅同相输出2、、等幅同相输入，③口有输出3、、等幅反相输入，③口无输出两路等分功分器的奇偶模分析（在输出端口用对称和反对称源驱动）：用Z0归一化所有阻抗偶模：Vg2＝Vg3＝2V0；奇模：Vg2＝－Vg3＝2V0，然后两模叠加，有效的激励是V