射頻微波電路導論 課件(西電版)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集總參數(shù)功率分配器

5.3分布參數(shù)功率分配器5.1功率分配器的基本原理

5.1.1功率分配器的技術(shù)指標 頻率范圍、承受功率、主路到支路的分配損耗、輸入輸出間的插入損耗、支路端口間的隔離度、每個端口的電壓駐波比等。 (1)頻率范圍。

(2)承受功率。在大功率分配器/合成器中，最大功率是核心指標，它決定采用什么形式的傳輸線。一般傳輸線承受功率由小到大的次序是微帶線、帶狀線、同軸線、空氣帶狀線、空氣同軸線。

(3)分配損耗。主路到支路的分配損耗實質(zhì)上與功率分配器的功率分配比有關(guān)。如兩等分功率分配器的分配損耗是3dB,四等分功率分配器的分配損耗是6dB。定義

(4)插入損耗。輸入輸出間的插入損耗是由于傳輸線（如微帶線）的介質(zhì)或?qū)w不理想等因素,考慮輸入端的駐波比所帶來的損耗。令 Ai=A-Ad

A是實際測量值。在其他支路端口接匹配負載,測量主路到某一支路間的傳輸損耗。 A的理想值就是Ad。在功率分配器的實際工作中,幾乎都是用A作為研究對象。

(5)隔離度。支路端口間的隔離度是功率分配器的另一個重要指標。如果從每個支路端口輸入功率只能從主路端口輸出,而不應該從其他支路輸出,這就要求支路之間有足夠的隔離度。在主路和其他支路都接匹配負載的情況下，

(6)駐波比。每個端口的電壓駐波比越小越好。

5.1.2功率分配器的原理 一分為二功率分配器是三端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。信號輸入端的功率為P1,而其他兩個輸出端口的功率分別為P2和P3。P1=P2+P3。 如果P2（dBm）=P3（dBm），則 P2(dBm)=P3(dBm) =Pin(dBm)-3dB 功率分配器可分為等分型（P2=P3）和比例型（P2=kP3）兩種類型。圖5-1功率分配器示意圖5.2集總參數(shù)功率分配器

5.2.1等分型功率分配器 根據(jù)電路使用元件的不同,可分為電阻式和L-C式兩種情況。

1.電阻式 電阻式電路僅利用電阻設(shè)計,按結(jié)構(gòu)可分成△形和Y形。圖5-2△形和Y形電阻式功率分配器 Z0是電路特性阻抗。這種電路的優(yōu)點是頻寬大，布線面積小，設(shè)計簡單；缺點是功率衰減較大（6dB）。對于Y形電阻式二等分功率分配器：(5-2)圖5-3Y形電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，向著后面接有輸出線的Z0/3電阻看去的阻抗Z是

S21=S31=S23=1/2，低于輸入功率電平6dB；網(wǎng)絡(luò)互易，散射矩陣對稱

2.L-C式 利用電感及電容進行設(shè)計。按結(jié)構(gòu)可分成高通型和低通型。圖5-4L-C式集總參數(shù)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兩個輸出口的功率不相等。假定一個支路端口與主路端口的功率比為k，可按照下面公式設(shè)計圖5-4（a）所示低通式L-C式集總參數(shù)比例功率分配器。(5-5)

5.2.3集總參數(shù)功率分配器的設(shè)計方法 集總參數(shù)功率分配器的設(shè)計就是要計算出各個電感、電容或電阻的值。圖5-5低通L-C式功率分配器 設(shè)f0=750MHz，Z0=50Ω，k=0.1，要求在750±50MHz的范圍內(nèi)S11≤-10dB，S21≥-4dB,S31≥-4dB。

在電路實現(xiàn)上采用如圖5-5所示結(jié)構(gòu)。 應用公式（5-5），計算可得Zr=47.4Ω→Lr=10.065nH，選定Lr=10nHZp=150Ω→Cp=1.415pF，選定Cp=1.4pF 圖5-6功率分配器電路圖

圖5-7功率分配器電路仿真結(jié)果5.3分布參數(shù)功率分配器

5.3.1微帶線功率分配器 功率分配器/合成器有兩路和多路情況。

1.兩路功率分配器 下圖是兩路微帶線威爾金森功率分配器示意圖，這是一個功率等分器，R是隔離電阻。當信號從端口1輸入時,功率從端口2和端口3等功率輸出。如果有必要,輸出功率可按一定比例分配,并保持電壓同相,電阻R上無電流,不吸收功率。圖5-8威爾金森功率分配器 與其他功分器相比，Wilkinson功分器做到輸出端口都匹配且無耗 若端口2或端口3有失配,則反射功率通過分支叉口和電阻兩路到達另一支路的電壓等幅反相而抵消,在此點沒有輸出,從而可保證兩輸出端有良好的隔離。 考慮一般情況(比例分配輸入功率),設(shè)端口3和端口2的輸出功率比為，即（5-6） 端口2的電壓U2與端口3的電壓U3相等,即U2=U3。端口2和端口3的輸出功率與電壓的關(guān)系為

Z2、Z3為端口2和端口3的輸入阻抗，若 則可滿足式（5-9）。為保證端口1匹配,應有（5-10）（5-11） 同時由于 則 所以

（5-12）

為了實現(xiàn)端口2和端口3隔離,可選

在等功率分配的情況下,即P2=P3,k=1,于是 微帶線功率分配器的實際結(jié)構(gòu)可以是圓環(huán)形,便于加工和隔離電阻的安裝。（5-13）

圖5-9微帶線功率分配器 設(shè)計實例： 設(shè)工作頻率為f0=750MHz,特性阻抗為Z0=50Ω，功率比例為k=1,且要求在750±50MHz的范圍內(nèi)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頻率特性。由圖5-10(b)看出,當頻帶邊緣頻率之比f2/f1=1.44時,輸入駐波比ρ<1.22，基本滿足輸出兩端口隔離度大于20dB的指標要求。當f2/f1=2時,各部分指標也開始下降,隔離度只有14.7dB,輸入駐波比也達到1.42。為了進一步加寬工作頻帶,可以用多節(jié)的寬頻帶功率分配器,即可以增加節(jié)數(shù),即增加λg/4線段和相應的隔離電阻R的數(shù)目。 即使節(jié)數(shù)增加不多,各指標也可有較大改善,工作頻帶有較大的展寬。例如,n=2,當f2/f1=2時,駐波比ρ<1.11,隔離度大于27dB;n=4,當f2/f1=4時,駐波比ρ<1.10,隔離度大于26dB;n=7,當f2/f1=10時,駐波比ρ<1.21,隔離度大于19dB。多節(jié)寬帶功率分配器的極限情況是漸變線形，如圖5-11（b），隔離電阻用扇型薄膜結(jié)構(gòu)。圖5-11寬頻帶功率分配器（a）

多節(jié)功率分配器;（b）

漸變線功率分配器

功率分配器的設(shè)計是在假定支路口負載等于傳輸線特性阻抗的前提下進行的。如果負載阻抗不是這樣,必須增加阻抗匹配元件。這一點直接影響功率分配器的效率。

圖5-12N路功率分配器

2.多路功率分配器/合成器 N路功率分配器要滿足條件：輸入端口匹配無反射；各路輸出功率之比已知，P1∶P2∶P3∶…∶Pn=k1∶k2∶k3∶…∶kn；各路輸出電壓U1、U2、U3、…、Un等幅同相。 取各路負載阻值為(5-14) 從而,可得各路的特性阻抗為(5-15) 多路功率分配器實際中常用的方法是采用兩路功率分配器的級聯(lián),即一分為二,二分為四,四分為八等。 級聯(lián)的設(shè)計方法有兩種,區(qū)別在于微帶線段的特性阻抗和隔離電阻值,由設(shè)計任務(wù)的尺寸等因素決定采用哪個方法。圖5-13一分為四的兩種形式 如果要設(shè)計輸出端口為奇數(shù)的功率分配器,也可利用2n功率分配器方案進行設(shè)計。在級聯(lián)的上一級做不等分,將少部分功率直接輸出,大部分功率再做等分。合理調(diào)整分配比,可實現(xiàn)任意奇數(shù)個分配口輸出。 三等分功率分配器可以采用圖5-14所示結(jié)構(gòu)。輸入信號為中心點,可以用微帶地板穿孔的方法實現(xiàn),輸入端與三個輸出端的平面垂直。圖5-14三等分功率分配器

5.3.2其他分布參數(shù)功率分配器 其他分布參數(shù)功率分配器的基本結(jié)構(gòu)包括帶狀線、波導、同軸結(jié)構(gòu)?？諝鈳罹€是大功率微波頻率低端常用結(jié)構(gòu),原理與微帶線威爾金森功率分配器相同,只是每段傳輸線的特性阻抗的實現(xiàn)要用到帶狀線計算公式。（承受大功率需加大各個結(jié)構(gòu)尺寸）微波高端常用到波導T形接頭。同軸結(jié)構(gòu)加工困難，盡可能少用。E-T分支H-T分支E—T接頭1、口輸入，、等幅反相輸出2、、等幅同相輸入，口無輸出3、、等幅反相輸入，口有輸出根據(jù)前述特性，的第一行乘以即又由的第一列，得為任意相角，取決于端口1和3參考面的位置的第三行乘以所以設(shè)的第三列，得為任意相角，取決于端口1和2參考面的位置，適當選擇參考面，可使的第三行乘以由前述，可得設(shè)的第一列，得在這組特定的參考面下，E－T分支的用類似的方法可求得H－T分支的H—T接頭1、③口輸入，、等幅同相輸出2、、等幅同相輸入，③口有輸出3、、等幅反相輸入，③口無輸出兩路等分功分器的奇偶模分析（在輸出端口用對稱和反對稱源驅(qū)動）：用Z0歸一化所有阻抗偶模：Vg2＝Vg3＝2V0；奇模：Vg2＝－Vg3＝2V0，然后兩模疊加，有效的激勵是V