微波電路西電雷振亞老師的課件5章功率分配器合成器市公開課獲獎?wù)n件省名師優(yōu)質(zhì)課賽課一等獎?wù)n件

1/572/57負載貼片電阻、負載、衰減器專業(yè)制造商產(chǎn)品功率大、頻率寬頻率：2G2.5G3G3.5G4.4G18G功率：3W10W20W30W60W75W80W100W120W150W250W500W800W封裝形式多樣

3/573衰減器

衰減范圍：0-30dB頻率范圍：2-40GHz分段功率：2-50W調(diào)整方式：機械式連續(xù)可調(diào)和步進方式可電驅(qū)動4/574第5章

功率分配器/合成器

5.1功率分配器基本原理

5.2集總參數(shù)功率分配器

5.3分布參數(shù)功率分配器5/575.1功率分配器基本原理 5.1.1功率分配器技術(shù)指標(biāo) 功率分配器技術(shù)指標(biāo)包含頻率范圍、承受功率、主路到支路分配損耗、輸入輸出間插入損耗、支路端口間隔離度、每個端口電壓駐波比等。

(1)頻率范圍。這是各種射頻/微波電路工作前提,功率分配器設(shè)計結(jié)構(gòu)與工作頻率親密相關(guān)。必須首先明確分配器工作頻率,才能進行下面設(shè)計。

6/57 (2)承受功率。在大功率分配器/合成器中,電路元件所能承受最大功率是關(guān)鍵指標(biāo)，它決定了采取什么形式傳輸線才能實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)。普通地,傳輸線承受功率由小到大次序是微帶線、帶狀線、同軸線、空氣帶狀線、空氣同軸線,要依據(jù)設(shè)計任務(wù)來選擇用何種傳輸線。

(3)分配損耗。主路到支路分配損耗實質(zhì)上與功率分配器功率分配比相關(guān)。如兩等分功率分配器分配損耗是3dB,四等分功率分配器分配損耗是6dB。定義7/57

式中

(4)插入損耗。輸入輸出間插入損耗是因為傳輸線（如微帶線）介質(zhì)或?qū)w不理想等原因,考慮輸入端駐波比所帶來損耗。定義

Ai=A-Ad

其中,A是實際測量值。在其它支路端口接匹配負載,測量主路到某一支路間傳輸損耗。 能夠想象,A理想值就是Ad。在功率分配器實際工作中,幾乎都是用A作為研究對象。8/57

(5)隔離度。支路端口間隔離度是功率分配器另一個主要指標(biāo)。假如從每個支路端口輸入功率只能從主路端口輸出,而不應(yīng)該從其它支路輸出,這就要求支路之間有足夠隔離度。在主路和其它支路都接匹配負載情況下,i口和j口隔離度定義為

隔離度測量也可按照這個定義進行。

(6)駐波比。每個端口電壓駐波比越小越好。9/57

5.1.2功率分配器原理 一分為二功率分配器是三端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖5-1所表示。信號輸入端功率為P1,而其它兩個輸出端口功率分別為P2和P3。由能量守恒定律可知P1=P2+P3。 假如P2（dBm）=P3（dBm）,三端功率間關(guān)系可寫成

P2(dBm)=P3(dBm) =Pin(dBm)-3dB（5-1）

當(dāng)然,P2并不一定要等于P3,只是相等情況在實際電路中最慣用。所以,功率分配器可分為等分型（P2=P3）和百分比型（P2=kP3）兩種類型。10/57圖5-1功率分配器示意圖11/575.2集總參數(shù)功率分配器 5.2.1等分型功率分配器 依據(jù)電路使用元件不一樣,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,如圖5-2(a)、(b)所表示。12/57圖5-2△形和Y形電阻式功率分配器13/57

圖5-2中Z0是電路特征阻抗,在高頻電路中,不一樣使用頻段,電路中特征阻抗是不相同,這里以50Ω為例。這種電路優(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）。以Y形電阻式二等分功率分配器為例(見圖5-3),計算以下：(5-2)14/57圖5-3Y形電阻式二等分功率分配器15/57 2.L-C式 這種電路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,如圖5-4(a)、(b)所表示。下面分別給出其設(shè)計公式。16/57圖5-4L-C式集總參數(shù)功率分配器17/57 1)低通型

2)高通型(5-3)(5-4)18/57 5.2.2百分比型功率分配器 百分比型功率分配器兩個輸出口功率不相等。假定一個支路端口與主路端口功率比為k,可按照下面公式設(shè)計圖5-4（a）所表示低通式L-C式集總參數(shù)百分比功率分配器。

19/57(5-5)20/57 5.2.3集總參數(shù)功率分配器設(shè)計方法 集總參數(shù)功率分配器設(shè)計就是要計算出各個電感、電容或電阻值。能夠使用現(xiàn)成軟件MicrowaveOffice或Mathcad。也能夠查手冊或手工解析計算。下面給出使用Mathcad計算結(jié)果和MicrowaveOffice仿真結(jié)果。

21/57圖5-5低通L-C式功率分配器22/57

設(shè)工作頻率為f0=750MHz,特征阻抗為Z0=50Ω,功率百分比為k=0.1,且要求在750±50MHz范圍內(nèi)S11≤-10dB,S21≥-4dB,S31≥-4dB。

在電路實現(xiàn)上采取如圖5-5所表示結(jié)構(gòu)。 將公式（5-5）寫入Mathcad,計算可得

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

采取MicrowaveOffice進行仿真,電路圖如圖5-6所表示。23/57圖5-6功率分配器電路圖24/57

仿真結(jié)果如圖5-7所表示。

圖5-7功率分配器電路仿真結(jié)果25/575.3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或三路情況,下面分別介紹。

1.兩路功率分配器 圖5-8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,P2=P3=P1-3dB,Z0是特征阻抗,λg是信號波導(dǎo)波長,R是隔離電阻。當(dāng)信號從端口1輸入時,功率從端口2和端口3等功率輸出。假如有必要,輸出功率可按一定百分比分配,并保持電壓同相,電阻R上無電流,不吸收功率。26/57圖5-8威爾金森功率分配器27/57

若端口2或端口3有失配,則反射功率經(jīng)過分支叉口和電阻兩路抵達另一支路電壓等幅反相而抵消,在此點沒有輸出,從而可確保兩輸出端有良好隔離。 考慮普通情況(百分比分配輸入功率),設(shè)端口3和端口2輸出功率比為k2,即（5-6）28/57

因為端口1到端口2與端口1到端口3線長度相等,故端口2電壓U2與端口3電壓U3相等,即U2=U3。端口2和端口3輸出功率與電壓關(guān)系為 將上式代入式（5-6）,得

（5-7）

（5-8）

29/57

即

Z2=k2Z3

（5-9）

式中,Z2、Z3為端口2和端口3輸入阻抗,若選 則能夠滿足式（5-9）。為了確保端口1匹配,應(yīng)有

（5-10）（5-11）30/57

同時考慮到

則 所以

（5-12）

31/57

為了實現(xiàn)端口2和端口3隔離,即端口2或端口3反射波不會進入端口3或端口2,可選

在等功率分配情況下,即P2=P3,k=1,于是（5-13）

32/57

微帶線功率分配器實際結(jié)構(gòu)能夠是圓環(huán)形,便于加工和隔離電阻安裝,如圖5-9所表示。

33/57圖5-9微帶線功率分配器34/57

設(shè)計實例： 設(shè)工作頻率為f0=750MHz,特征阻抗為Z0=50Ω,功率百分比為k=1,且要求在750±50MHz范圍內(nèi)S11≤-20dB,S21≥-4dB,S31≥-4dB。由式（5-13）可知Z02=Z03=Z0=70.7Ω,R=2Z0=100Ω。采取微波設(shè)計軟件進行仿真,功率分配器電路圖及仿真結(jié)果如圖5-10所表示。35/57WilkinsonPowerSplitters2-336/57WilkinsonPowerSplitters2-637/57圖5-10功率分配器電路圖及仿真結(jié)果(a)功率分配器電路圖；

(b)仿真結(jié)果

38/57PowerSplitters4ZoZoZoZ1Z3Z5Z4Z2Rλ/4λ/4λ/4PinP2P3

39/57

以上對功率分配器分析都是對中心頻率而言情形,和其它微帶電路元件一樣,功率分配器也有一定頻率特征。圖中5-10(b)給出了上面討論過單節(jié)二等分功率分配器頻率特征。由圖中能夠看出,當(dāng)頻帶邊緣頻率之比f2/f1=1.44時,輸入駐波比ρ<1.22，能基本滿足輸出兩端口隔離度大于20dB指標(biāo)要求。不過當(dāng)f2/f1=2時,各部分指標(biāo)也開始下降,隔離度只有14.7dB,輸入駐波比也到達1.42。為了深入加寬工作頻帶,能夠用多節(jié)寬頻帶功率分配器,即和其它一些寬頻帶器件一樣,能夠增加節(jié)數(shù),即增加λg/4線段和對應(yīng)隔離電阻R數(shù)目,如圖5-11（a）所表示。40/57

分析結(jié)果表明,即使節(jié)數(shù)增加不多,各指標(biāo)也可有較大改進,工作頻帶有較大展寬。比如,n=2,即對于二節(jié)功率分配器,當(dāng)f2/f1=2時,駐波比ρ<1.11,隔離度大于27dB;n=4,即對于二節(jié)功率分配器,當(dāng)f2/f1=4時,駐波比ρ<1.10,隔離度大于26dB;n=7,即對于二節(jié)功率分配器,當(dāng)f2/f1=10時,駐波比ρ<1.21,隔離度大于19dB。多節(jié)寬帶功率分配器極限情況是漸變線形,如圖5-11（b）所表示,隔離電阻用扇型薄膜結(jié)構(gòu)。41/57

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

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功率分配器設(shè)計是在假定支路口負載相等且等于傳輸線特征阻抗前提下進行。假如負載阻抗不是這么,必須增加阻抗匹配元件,然后進行設(shè)計。這一點在功率合成器中尤為主要,直接影響功率合成器合成效率,請參見第8章射頻/微波功率放大器一節(jié)。

2.多路功率分配器/合成器 有時候需要將功率分成N份,這就需要N路功率分配器,如圖5-12所表示。

43/57圖5-12N路功率分配器44/57

與兩路功率分配器相同,N路功率分配器要滿足以下條件：輸入端口要匹配無反射；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。 與兩路功率分配器推導(dǎo)過程相同,我們可得N路功率分配器電路相關(guān)參數(shù)。取各路負載阻值為(5-14)45/57

從而,可得各路特征阻抗為(5-15)46/57

經(jīng)過計算后可得各路隔離電阻值。 多路功率分配器實際中慣用方法是采取兩路功率分配器級聯(lián)