微帶功率分配器設(shè)計(jì)

1、設(shè) 計(jì) 資 料項(xiàng)目名稱(chēng)：微帶功率分配器設(shè)計(jì)方法擬 制：審 核：會(huì) 簽：批 準(zhǔn)：二00六年一月微帶功率分配器設(shè)計(jì)方法1. 功率分配器論述：1.1定義：功率分配器是一種將一路輸入信號(hào)能量分成兩路或多路信號(hào)能量輸出的器件，也可反過(guò)來(lái)將多路信號(hào)能量合成一路輸出，此時(shí)也可稱(chēng)為合路器。1.2分類(lèi)：1.2.1功率分配器按路數(shù)分為：2路、3路和4路及通過(guò)它們級(jí)聯(lián)形成的多路功率分配器。1.2.2功率分配器按結(jié)構(gòu)分為：微帶功率分配器及腔體功率分配器。1.2.2根據(jù)能量的分配分為：等分功率分配器及不等分功率分配器。1.2.3根據(jù)電路形式可分為：微帶線、帶狀線、同軸腔功率分配器。1.3概述：常用的功率分配器都是等功率

2、分配，從電路形式上來(lái)分，主要有微帶線、帶狀線、同軸腔功率分配器，幾者間的區(qū)別如下：（1）同軸腔功分器優(yōu)點(diǎn)是承受功率大，插損小，缺點(diǎn)是輸出端駐波比大，而且輸出端口間無(wú)任何隔離。微帶線、帶狀線功分器優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，輸出端口間有很好的隔離，缺點(diǎn)是插損大，承受功率小。（2）微帶線、帶狀線和同軸腔的實(shí)現(xiàn)形式也有所不同：同軸腔功分器是在要求設(shè)計(jì)的帶寬下先對(duì)輸入端進(jìn)行匹配，到輸出端進(jìn)行分路；而微帶功分器先進(jìn)行分路，然后對(duì)輸入端和輸出端進(jìn)行匹配。下面對(duì)微帶線、帶狀線功率分配器的原理及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析。2設(shè)計(jì)原理：2.1分配原理：微帶線、帶狀線的功分器設(shè)計(jì)原理是相同的，只是帶狀線的采用的是對(duì)稱(chēng)性空氣填充或介質(zhì)板

3、填充，而微帶線的主要采用的是非對(duì)稱(chēng)性部分介質(zhì)填充和部分空氣填充。下面我們以一分二微帶線功率分配的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析。傳輸線的結(jié)構(gòu)如下圖所示，它是通過(guò)阻抗變換來(lái)實(shí)現(xiàn)的功率的分配。R 圖1：一分二功分器示意圖在現(xiàn)有的通信系統(tǒng)中，終端負(fù)載均為50，也就是說(shuō)在分支處的阻抗并聯(lián)后到阻抗結(jié)處應(yīng)為50。如上圖匹配網(wǎng)絡(luò)，從輸入端口看，而，且是等分的，所以=，處、處的輸入阻抗應(yīng)為100，這樣由、處到輸出終端50需要通過(guò)阻抗變換來(lái)實(shí)現(xiàn)匹配。2.2階梯阻抗變換：在微波電路中，為了解決阻抗不同的元件、器件相互連接而又不使其各自的性能受到嚴(yán)重的影響，常用各種形式的阻抗變換器。其中最簡(jiǎn)單又最常用的四分之一波長(zhǎng)傳輸線階梯阻抗

4、變換器（圖2）。它的特性阻抗Z1為待匹配的阻抗。圖2：/4阻抗變器示意圖根據(jù)特性阻抗匹配原理：，其中為匹配后的輸入阻抗，為四分之一波長(zhǎng)傳輸線特性阻抗,為負(fù)載阻抗，則，其長(zhǎng)度L為中心頻率導(dǎo)引波長(zhǎng)的1/4，即L=g/4。相當(dāng)于電長(zhǎng)度為=/2。這種變換器的顯著特點(diǎn)就是簡(jiǎn)單，用任一種形式的傳輸線均能實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)頻率偏離中心時(shí)，其電長(zhǎng)度不再是/2，變換特性也隨之惡化。它對(duì)頻率的敏感，使它僅適合于窄帶運(yùn)用。在需要寬帶匹配的場(chǎng)合，應(yīng)采用多節(jié)階梯阻抗變換器或各種漸變線變換器。我們常用的通信頻率范圍較寬，所以經(jīng)常采用多節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，下面對(duì)多節(jié)阻抗變化器進(jìn)行分析。在多節(jié)階梯阻抗變換器中，各阻抗階梯所產(chǎn)生的反射波彼此抵消

5、，于是匹配的頻帶得以展寬。多節(jié)階梯阻抗變換器中最常用的是每節(jié)長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)變換器（圖3）。 圖3：多節(jié)/4阻抗變器示意圖對(duì)于阻抗變化器，衡量其性能與設(shè)計(jì)所根據(jù)的指標(biāo)，通常是：匹配帶寬、帶內(nèi)最大電壓駐波比以及插入損耗等。同樣，一個(gè)功分器也是一個(gè)阻抗變換器，也是從這幾個(gè)方面來(lái)考慮設(shè)計(jì)的。多節(jié)階梯阻抗變化器帶內(nèi)的電壓駐波比響應(yīng)特性常用的是最平坦響應(yīng)和切比雪夫響應(yīng)兩種，但與帶通濾波器不同的是它對(duì)帶外抑制沒(méi)什么要求。參考圖3，設(shè)待匹配的阻抗值為Z0和Zn+1，其設(shè)Zn+1Z0。為了設(shè)計(jì)計(jì)算方便，我們把阻抗值對(duì)Z0進(jìn)行歸一化。這樣，待匹配的阻抗值就分別為1和R= Zn+1/Z0，R也稱(chēng)為阻抗變換比。如圖

6、1，從100到50的阻抗變換比R=100/50=2 。我們知道，對(duì)于單節(jié)的1/4波長(zhǎng)阻抗匹配，（Z0=R2=50）所以=70.7。對(duì)于多節(jié)的，計(jì)算原理同單節(jié)的，每一節(jié)的阻抗都等于前后阻抗的幾何平均值，即。無(wú)耗傳輸線構(gòu)成的四分之一波長(zhǎng)階梯阻抗變換器，一般設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是許可的最大電壓駐波比m，和所需的帶寬。=2（g1-g2）/（g1+g2）=2（f2-f1）/(f2+f1)g1和g2分別為實(shí)際頻帶的下限和上限頻率的導(dǎo)引波長(zhǎng),即f1、f2分別為下限和上限頻率，根據(jù)m和可以確定所需要的節(jié)數(shù)。進(jìn)行完阻抗變換后，如果一個(gè)功分器各輸出路之間沒(méi)有隔離，信號(hào)就會(huì)相互干擾，無(wú)法實(shí)現(xiàn)功分，那么下面我們將對(duì)如何實(shí)現(xiàn)

7、隔離進(jìn)行分析。2.2隔離原理：上面運(yùn)用階梯阻抗變換器原理僅僅對(duì)功分器的傳輸進(jìn)行了匹配，而每個(gè)輸出端口間并沒(méi)有進(jìn)行匹配，所以端口間沒(méi)有隔離。為了實(shí)現(xiàn)隔離可以通過(guò)輸出路與路間的阻抗匹配（常稱(chēng)為隔離電阻）達(dá)到要求，那么下面采用奇、偶模法來(lái)進(jìn)行分析。圖4：激勵(lì)響應(yīng)示意圖+V/2-開(kāi)路開(kāi)路R如上圖，當(dāng)輸出端加激勵(lì)U時(shí)，可等效為偶模激勵(lì)和奇模激勵(lì)的疊加 。 圖5：偶模電壓激勵(lì)等效圖+V/2-R如圖5，當(dāng)偶模電壓激勵(lì)時(shí)，兩路的相位相同，則信號(hào)沿階梯阻抗變換器傳輸，理論上隔離電阻上是沒(méi)信號(hào)的，前面已經(jīng)分析這個(gè)電路是完全匹配的。 圖6：奇模電壓激勵(lì)等效圖如圖6，當(dāng)奇模電壓激勵(lì)時(shí)，兩路的相位相差180度，則信號(hào)沿

8、隔離電阻傳輸，要達(dá)到匹配，則需對(duì)隔離電阻進(jìn)行分析。當(dāng)節(jié)數(shù)m=1時(shí)，在分配原理中已經(jīng)進(jìn)行了分析，如圖6，此時(shí)1/4波長(zhǎng)阻抗為100，則R/100= =50，隔離電阻R=100。當(dāng)m=2時(shí)，隔離電阻的計(jì)算公式如下：圖7：兩節(jié)二功分器示意圖.當(dāng)m3時(shí)，我們可以運(yùn)用二端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，只是隔離電阻的計(jì)算相當(dāng)繁瑣，可以查附表，阻抗分別為歸一化值。還給出了輸入和輸出端口的最大電壓駐波比0，2,3。3.設(shè)計(jì)步驟：功分器的設(shè)計(jì)可以分為以下幾個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行。3.1確定相對(duì)帶寬：根據(jù)頻率范圍，確定中心頻率： (分別為下，上限頻率)，主通帶的相對(duì)帶寬：。 3.2確定各個(gè)端口的波紋系數(shù)：輸入端口：0(max)設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)

9、波紋大小m輸出端口：2(max)=3(max)1+0.2(m-1)輸出端口最小隔離度近似為：I(min)20log dB3.3確定T型節(jié)處的阻抗變換比：根據(jù)上面分配原理可知，對(duì)于公分器在T型節(jié)處，阻抗比為：一分二：R=2 一分三：R=3 一分四：R=43.4確定1/4波長(zhǎng)阻抗變換器的節(jié)數(shù)：根據(jù)、查表（見(jiàn)附錄），可以確定采用四分之一波長(zhǎng)的節(jié)數(shù)m，一般也可以根據(jù)m=f2/f1（f2為終止頻率，f1為起始頻率）來(lái)確定。 3.5計(jì)算每一級(jí)1/4波長(zhǎng)的阻抗（對(duì)輸入輸出端駐波進(jìn)行匹配）：根據(jù)上述階梯阻抗原理對(duì)每一級(jí)1/4波長(zhǎng)進(jìn)行匹配，確定每一級(jí)的阻抗，從而根據(jù)線路板的厚度及介電常數(shù)確定好傳輸線的寬度，傳輸

10、線的長(zhǎng)度是中心頻率的1/4導(dǎo)波長(zhǎng)。3.6計(jì)算每一級(jí)的隔離電阻（對(duì)輸出端間進(jìn)行匹配）： 根據(jù)上述隔離原理可以通過(guò)阻抗變換對(duì)輸出端口間進(jìn)行匹配，從而使設(shè)計(jì)滿足需要的隔離。3.7插入損耗分析：插入損耗主要指理論損耗與附加損耗，理論損耗指理論上即存在的，是不可以消除的，這從能量守恒原理可知，對(duì)于功分器理論損耗為： 理想分配損耗（dB）=10log(1/N) N為功分器路數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮如何盡量減小由接頭、線路板、電阻等引起的附加損耗，這就要求對(duì)材料進(jìn)行分析，選擇合適的材料也是很重要的。表：常見(jiàn)功分器的理論損耗功分器種類(lèi)二功分三功分四功分八功分理論損耗3dB4.8dB6dB9dB3.8功分器功率分析

11、：我們知道，當(dāng)從功率分配器的輸入端加一功率，由于每一路間的信號(hào)是同幅同相的，而且理論上電路是完全匹配的，所以隔離電阻上無(wú)功率通過(guò)，也就是說(shuō)不承受功率，所以功分器的功率容量主要根據(jù)插入損耗計(jì)算出在傳輸線上損耗的能量，從而計(jì)算出能夠承受的最大功率即可。當(dāng)功分器作為合路器使用時(shí)我們可以根據(jù)以上隔離電阻原理進(jìn)行分析，計(jì)算出隔離電阻上所承受的功率。下面以一分二功分器作為合路器，以10W功率輸入為例：(1) 當(dāng)一輸出端輸入10W,其它端口接負(fù)載時(shí)，輸入端輸出的功率為5W,另一端口輸出功率為0，隔離電阻消耗功率為5W。(2) 當(dāng)功分器兩輸出端輸入同幅同相10W功率信號(hào)，輸入端輸出功率為20W,隔離電阻不消耗

12、功率。（3）功分器兩輸出端輸入同幅反相10W功率信號(hào)，輸入端輸出功率為0,隔離電阻消耗功率為20W。4、設(shè)計(jì)實(shí)例：以0.8G-2.5G微帶一分二的設(shè)計(jì)為例：4.1計(jì)算節(jié)數(shù)：要實(shí)現(xiàn)兩路功分，兩路輸入阻抗應(yīng)為100，并聯(lián)后為50這樣從輸入端到輸出端要實(shí)現(xiàn)匹配的阻抗比R=100/50=2,要實(shí)現(xiàn)的帶寬為0.8G-2.5G.中心頻率為1.65GHz,相對(duì)帶寬(2.5GHz-0.8GHz)/1.65GHz=1.03由以上條件可以查表，我們知道，頻帶要做的越寬，所需四分之一波長(zhǎng)的節(jié)數(shù)也越多，但有個(gè)制約條節(jié)，如果節(jié)數(shù)多了 ，那樣引起的插損也就越大，所以在做到帶寬的同時(shí)，應(yīng)盡量減少節(jié)數(shù)。 另外，要根據(jù)指標(biāo)，查

13、到相應(yīng)的節(jié)數(shù)，在附表中查到的1.2，R=2的最大電壓駐波比VSWR=1.2,最少用三節(jié)，理論能做到1.2的駐波比，但實(shí)際中還是很難做到駐波比1.2的指標(biāo)，在設(shè)計(jì)時(shí)采用了四節(jié)，在表中查到1.2，R=2時(shí)最大電壓駐波比VSWR=1.1。4.2計(jì)算每節(jié)歸一化阻抗：要查到每一節(jié)的阻抗及其長(zhǎng)度，阻抗是用來(lái)確定微帶線的寬度，依據(jù)表格可以查到每節(jié)的歸一化阻抗（設(shè)計(jì)都是對(duì)50阻抗進(jìn)行歸一化）： 4.3算出每節(jié)的阻抗值: 4.4依據(jù)阻抗值和每節(jié)四分之一波長(zhǎng)，算出每節(jié)的長(zhǎng)度和寬度（可以利用微帶線計(jì)算軟件），線路板厚0.8mm,介電常數(shù)2.45。c=fT=1/f 4.5計(jì)算隔離電阻：通過(guò)表可知，對(duì)于上面的0825一

14、分二功分器，有四個(gè)隔離電阻，R4=2.06*50100，R3=3.45*50170，R2=5.83*50290，R3=9.64*50480。在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，最后一節(jié)要接接頭了，兩路的變換節(jié)距離比較遠(yuǎn)，貼片電阻無(wú)法焊接。我們一般把最后一節(jié)隔離電阻去掉，這樣只留三個(gè)電阻，也能滿足指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)匹配。4.6 在軟件中建立模型，進(jìn)行仿真、優(yōu)化：選擇一種適合的軟件，將計(jì)算出的電路尺寸在軟件中進(jìn)行建模，通過(guò)仿真可以看出各個(gè)端口的駐波及隔離、插入損耗等。通過(guò)軟件的優(yōu)化功能可以對(duì)計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，根據(jù)加工工藝等確定好適合的尺寸及阻值。4.7 繪制線路板：根據(jù)最終確定的尺寸及以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，繪制出符合加工要

15、求及滿足指標(biāo)的線路板進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。表：等功率分配器各節(jié)歸一化阻抗值及隔離電阻值m223347f2/f11.22.02.03.04.010.00(max)1.0361.1061.0291.1051.1001.2062,3(max)1.0071.0211.0151.0381.0391.098I(min)dB36.627.338.727.926.819.4Z11.19981.21971.11241.14971.11571.1274Z21.66701.63981.41421.41421.29571.2051Z31.79791.73961.54351.3017Z41.79261.4142Z51.5364

16、Z61.6597Z71.7740R15.31634.820410.00008.00009.64328.8496R21.86431.96023.74604.22925.832612.3229R31.90482.14363.45248.9246R42.06336.3980R54.3516R62.5924R74.9652備注：N=2,m=2、3、4、7(N為功分器路數(shù)，m為功分器級(jí)數(shù))。 5、設(shè)計(jì)總結(jié)：以上對(duì)功率分配器的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行了論述，特別以等功率分配的二路功率分配器進(jìn)行了實(shí)例分析，那么其他的功率分配器設(shè)計(jì)上有什么不同呢？下面將對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的概述：5.1 功率不等分功率分配器：對(duì)于不等

17、分功率分配器的每一路功率是不相等的，但是依然可以根據(jù)上面的分配原理進(jìn)行計(jì)算，只是由于功率的不等分引起了阻抗的不相等，我們可以根據(jù)每一路的功率比計(jì)算出阻抗比，從而通過(guò)阻抗變換節(jié)對(duì)每一路進(jìn)行阻抗匹配。解決了不等分的路數(shù)分配后，其他的隔離原理等計(jì)算方法同等功率分配器的完全相同。5.2 功率分配器的路數(shù)：功率分配器常見(jiàn)的路數(shù)有2路、3路、4路、8路等，也就是說(shuō)功率分配器的路數(shù)主要由2路或3路派生出來(lái)的。我們知道2路功率分配器的設(shè)計(jì)步驟，對(duì)于路數(shù)是2路功率分配器的整數(shù)倍數(shù)的功率分配器同2路功率分配器的設(shè)計(jì)方法完全相同，只不過(guò)是多過(guò)2路功率分配器的級(jí)連。最主要的是三路功率分配設(shè)計(jì)方法上的不同，在進(jìn)行分路時(shí)3路的在T型節(jié)處是由三個(gè)支路的阻抗并聯(lián)后與輸入阻抗匹配，也就是說(shuō)其阻抗比是3：1。進(jìn)行分路匹配后是對(duì)輸出及隔離進(jìn)行匹配，計(jì)算原理同2路功率分配器，只是在進(jìn)行匹配是3路之間兩兩匹配的。6、設(shè)計(jì)心得：對(duì)于微帶功率分配器我們常用的是功率等分的功率分配器，有很多軟件對(duì)于功率分配器的仿真都是可以的，常用的有ESSOF，ADS，Microwave Office等，由于軟件仿真的結(jié)果是理想化的，所以插入損耗與實(shí)際的差別由于電阻接頭等引的誤差是不可避免的，一般情況