微波电路西电雷振亚老师的功率分配器合成器

微波电路西电雷振亚老师的功率分配器合成器第1页/共58页第2页/共58页第3页/共58页4负载贴片电阻、负载、衰减器的专业制造商产品功率大、频率宽频率：2G2.5G3G3.5G4.4G18G功率：3W10W20W30W60W75W80W100W120W150W250W500W800W封装形式多样

第4页/共58页5衰减器

衰减范围：0-30dB频率范围：2-40GHz分段功率：2-50W调节方式：机械式连续可调和步进方式可电驱动第5页/共58页第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第6页/共58页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 功率分配器的技术指标包括频率范围、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。这是各种射频/微波电路的工作前提,功率分配器的设计结构与工作频率密切相关。必须首先明确分配器的工作频率,才能进行下面的设计。

第7页/共58页 (2)承受功率。在大功率分配器/合成器中,电路元件所能承受的最大功率是核心指标，它决定了采用什么形式的传输线才能实现设计任务。一般地,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,要根据设计任务来选择用何种传输线。

(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。定义第8页/共58页

式中

(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。定义 Ai=A-Ad

其中,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。 可以想象,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。第9页/共58页

(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,i口和j口的隔离度定义为 隔离度的测量也可按照这个定义进行。

(6)驻波比。每个端口的电压驻波比越小越好。第10页/共58页

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,如图5-1所示。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。由能量守恒定律可知P1=P2+P3。 如果P2（dBm）=P3（dBm）,三端功率间的关系可写成 P2(dBm)=P3(dBm) =Pin(dBm)-3dB（5-1）

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,功率分配器可分为等分型（P2=P3）和比例型（P2=kP3）两种类型。第11页/共58页图5-1功率分配器示意图第12页/共58页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,如图5-2(a)、(b)所示。第13页/共58页图5-2△形和Y形电阻式功率分配器第14页/共58页

图5-2中Z0是电路特性阻抗,在高频电路中,不同的使用频段,电路中的特性阻抗是不相同的,这里以50Ω为例。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）。以Y形电阻式二等分功率分配器为例(见图5-3),计算如下：(5-2)第15页/共58页图5-3Y形电阻式二等分功率分配器第16页/共58页 2.L-C式 这种电路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5-4(a)、(b)所示。下面分别给出其设计公式。第17页/共58页图5-4L-C式集总参数功率分配器第18页/共58页 1)低通型

2)高通型(5-3)(5-4)第19页/共58页 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。

第20页/共58页(5-5)第21页/共58页 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。可以使用现成软件MicrowaveOffice或Mathcad。也可以查手册或手工解析计算。下面给出使用Mathcad的计算结果和MicrowaveOffice的仿真结果。

第22页/共58页图5-5低通L-C式功率分配器第23页/共58页

设工作频率为f0=750MHz,特性阻抗为Z0=50Ω,功率比例为k=0.1,且要求在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。 将公式（5-5）写入Mathcad,计算可得

Zr=47.4Ω→Lr=10.065nH选定Lr=10nH Zp=150Ω→Cp=1.415pF选定Cp=1.4pF

采用MicrowaveOffice进行仿真,电路图如图5-6所示。第24页/共58页图5-6功率分配器电路图第25页/共58页

仿真结果如图5-7所示。

图5-7功率分配器电路仿真结果第26页/共58页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或三路情况,下面分别介绍。

1.两路功率分配器 图5-8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,P2=P3=P1-3dB,Z0是特性阻抗,λg是信号的波导波长,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。第27页/共58页图5-8威尔金森功率分配器第28页/共58页

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k2,即（5-6）第29页/共58页

由于端口1到端口2与端口1到端口3的线长度相等,故端口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 将上式代入式（5-6）,得

（5-7）

（5-8）

第30页/共58页

即 Z2=k2Z3

（5-9）

式中,Z2、Z3为端口2和端口3的输入阻抗,若选 则可以满足式（5-9）。为了保证端口1匹配,应有

（5-10）（5-11）第31页/共58页

同时考虑到

则 所以

（5-12）

第32页/共58页

为了实现端口2和端口3隔离,即端口2或端口3的反射波不会进入端口3或端口2,可选

在等功率分配的情况下,即P2=P3,k=1,于是（5-13）

第33页/共58页

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,如图5-9所示。

第34页/共58页图5-9微带线功率分配器第35页/共58页

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）可知Z02=Z03=Z0=70.7Ω,R=2Z0=100Ω。采用微波设计软件进行仿真,功率分配器电路图及仿真结果如图5-10所示。第36页/共58页WilkinsonPowerSplitters2-3第37页/共58页WilkinsonPowerSplitters2-6第38页/共58页图5-10功率分配器电路图及仿真结果(a)功率分配器电路图；

(b)仿真结果

第39页/共58页PowerSplitters4ZoZoZoZ1Z3Z5Z4Z2Rλ/4λ/4λ/4PinP2P3

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以上对功率分配器的分析都是对中心频率而言的情形,和其他的微带电路元件一样,功率分配器也有一定的频率特性。图中5-10(b)给出了上面讨论过的单节二等分功率分配器的频率特性。由图中可以看出,当频带边缘频率之比f2/f1=1.44时,输入驻波比ρ<1.22，能基本满足输出两端口隔离度大于20dB的指标要求。但是当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,即和其他一些宽频带器件一样,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,如图5-11（a）所示。第41页/共58页

分析结果表明,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,即对于二节的功率分配器,当f2/f1=2时,驻波比ρ<1.11,隔离度大于27dB;n=4,即对于二节的功率分配器,当f2/f1=4时,驻波比ρ<1.10,隔离度大于26dB;n=7,即对于二节的功率分配器,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）所示,隔离电阻用扇型薄膜结构。第42页/共58页

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

第43页/共58页

功率分配器的设计是在假定支路口负载相等且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,然后进行设计。这一点在功率合成器中尤为重要,直接影响功率合成器的合成效率,请参见第8章射频/微波功率放大器一节。

2.多路功率分配器/合成器 有的时候需要将功率分成N份,这就需要N路功率分配器,如图5-12所示。

第44页/共58页图5-12N路功率分配器第45页/共58页

与两路功率分配器相似,N路功率分配器要满足如下条件：输入端口要匹配无反射；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。 与两路功率分配器的推导过程相似,我们可得N路功率分配器电路的相关参数。取各路负载阻值为(5-14)第46页/共58页

从而,可得各路的特性阻抗为(5-15)第47页/共58页

通过计算后可得各路的隔离电阻值。 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。 一分为四的结构如图5-13所示,级联