(整理)微帶功率分配器設(shè)計

1、精品文檔微帶功率分配器設(shè)計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能量分成兩路或多路信號能量輸出的器件，也可反過來將多路信號能量合成一路輸出，此時也可稱為合路器。1.2 分類：1.2.1 功率分配器按路數(shù)分為：2 路、 3 路和 4 路及通過它們級聯(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。1.2.3 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。1.2.4 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分配，從電路形式上來分，主要有微帶線、帶狀線、同軸腔功率分配器，

2、幾者間的區(qū)別如下：（ 1）同軸腔功分器優(yōu)點是承受功率大，插損小，缺點是輸出端駐波比大，而且輸出端口間無任何隔離。微帶線、帶狀線功分器優(yōu)點是價格便宜，輸出端口間有很好的隔離，缺點是插損大，承受功率小。（ 2）微帶線、帶狀線和同軸腔的實現(xiàn)形式也有所不同：同軸腔功分器是在要求設(shè)計的帶寬下先對輸入端進行匹配，到輸出端進行分路；而微帶功分器先進行分路，然后對輸入端和輸出端進行匹配。下面對微帶線、帶狀線功率分配器的原理及設(shè)計方法進行分析。2. 相關(guān)技術(shù)指標(biāo)：2.1 概述：功率分配器的技術(shù)指標(biāo)包括頻率范圍、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。2.

3、2 頻率范圍：頻率范圍各種射頻/微波電路的工作前提，功率分配器的設(shè)計結(jié)構(gòu)與工作頻率密切相關(guān)。必須首先明確分配器的工作頻率，才能進行下面的設(shè)計。2.3 承受功率：在大功率分配器/合成器中，電路元件所能承受的最大功率是核心指標(biāo)，它決定了采用什么形式的傳輸線才能實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)。一般地，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，要根據(jù)設(shè)計任務(wù)來選擇用何種線。2.4 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)。如理想的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6dB，常以S參數(shù)S21的 dB值表示。2.5 插入損耗：輸入輸出間的

4、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，及端口不是理想匹配所造成的功率反射損耗，常以S參數(shù)S21的 dB值表示。2.6 隔離度：支路端口間的隔離度是功分器的另一個重要指標(biāo)。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(yīng)該從其他支路輸出，這就要求支路之間有足夠的隔離度，如兩支路端口2和 3的隔離度用S23或 S32的 dB值表示。2.7 駐波比 :在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅 max ，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅min ，形成波節(jié)。其它各點的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。駐波比是駐波

5、波腹處的聲壓幅值Vmax與波節(jié)處的聲壓Vmin幅值之比。駐波比是表示兩端口合理匹配的重要指標(biāo)，因此每個端口的電壓駐波比越小越好。2設(shè)計原理：2.8 分配原理：微帶線、帶狀線的功分器設(shè)計原理是相同的，只是帶狀線的采用的是對稱性空氣填充或介質(zhì)板填充，而微帶線的主要采用的是非對稱性部分介質(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)計為例進行分析。傳輸線的結(jié)構(gòu)如下圖所示，它是通過阻抗變換來實現(xiàn)的功率的分配。在現(xiàn)有的通信系統(tǒng)中，終端負載均為50 ，也就是說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Z in Z 050 ，而Z in Z in1 / Z in 2 5

6、0 ，且是等分的，所以Z in 1 =Z in 2 ，處 Z in 1、處 Z in 2 的輸入阻抗應(yīng)為100 ，這樣由、處到輸出終端 50 需要通過阻抗變換來實現(xiàn)匹配。2.9 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重的影響，常用各種形式的阻抗變換器。其中最簡單又最常用的四分之一波長傳輸線階梯阻抗變換器(圖2 )。它的特性阻抗Z1為待匹配的阻抗。根據(jù)特性阻抗匹配原理：Zin=(Z01 Z01)/RL，其中Z in 為匹配后的輸入阻抗，Z 01為四分之一波長傳輸線特性阻抗, RL 為負載阻抗，則Z1 = Z 0 Z 2 ，其長度L 為中心頻率導(dǎo)

7、引波長的1/4 ，即 L= g/4。相 為 = /2 。 對于單節(jié)的1/4 波長阻抗匹配，Z1 = Z 0 Z(Z0=Z2=50) 所以 Z1 = Z 0 Z 2 = 2 50=70.7。 這種變換器的顯著特點就是簡單，用任一種形式的傳輸線均能實現(xiàn)，但當(dāng)頻率偏離中心時，其電長度不再是 /2 ，變換特性也隨之惡化。它對頻率的敏感，使它僅適合于窄帶運用。在需要寬帶匹配的場合，應(yīng)采用多節(jié)階梯阻抗變換器或各種漸變線變換器。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，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)長度為 1/4 波長變換器（圖3 ）。3 ：多節(jié) /4 阻抗變器示

8、意圖由于本課題為一窄帶功分器，所以只針對單節(jié)阻抗變換進行分析，多節(jié) 阻抗變換不再詳述。進行完阻抗變換后，如果一個功分器各輸出路之間沒有 隔離，信號就會相互干擾，無法實現(xiàn)功分，那么下面我們將對如何實現(xiàn)隔離 進行分析。2.10 隔離原理： 上面運用階梯阻抗變換器原理僅僅對功分器的傳輸進行了匹配，而每個輸出端口間并沒有進行匹配，所以端口間沒有隔離。為了實現(xiàn)隔離可以通過輸出路與路間的阻抗匹配（常稱為隔離電阻）達到要求，那么下面采用奇、偶模法來進行分析。4 ：激勵響應(yīng)示意圖如上圖， 當(dāng)輸出端加激勵U 時， 可等效為偶模激勵和奇模激勵的疊加器傳輸，理論上隔離電阻上是沒信號的，前面已經(jīng)分析這個電路是完全匹配

9、6：奇模電壓激勵等效圖如圖 6 ， 當(dāng)奇模電壓激勵時，兩路的相位相差180 度， 則信號沿隔離電阻傳輸，要達到匹配，則需對隔離電阻進行分析。當(dāng)節(jié)數(shù) m=1 時，在分配原理中已經(jīng)進行了分析，如圖6 ，此時 1/4 波長阻抗為100 ，則 R/100 = Z0 =50 ，隔離電阻R=100 。當(dāng) m=2 時，隔離電阻的計算公式如下：7：兩節(jié)二功分器示意圖3. 設(shè)計步驟：功分器的設(shè)計可以分為以下幾個步驟來進行。3.1 確定相對帶寬：根據(jù)頻率范圍確定中心頻率：F0=（F1+F2）/2 （F1,F2 分別為上限頻率和下限頻率） ，則相對帶寬W=（F2-F1）/F0。3.2 確定 T 型節(jié)處的阻抗變換比：

10、根據(jù)上面分配原理可知，對于公分器在T 型節(jié)處，阻抗比為：一分二： R=2 一分三： R=3 一分四： R=43.3 確定1/4 波長阻抗變換器的節(jié)數(shù)：一般可以根據(jù)m=f2/f1 （ f2 為終止頻率，f1 為起始頻率）來確定。3.4 計算1/4 波長的阻抗（對輸入輸出端駐波進行匹配）：根據(jù)上述階梯阻抗原理對每一級1/4 波長進行匹配，確定每一級的阻抗，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，傳輸線的長度是中心頻率的1/4 導(dǎo)波長。3.6 計算每一級的隔離電阻（對輸出端間進行匹配）：根據(jù)上述隔離原理可以通過阻抗變換對輸出端口間進行匹配，從而使設(shè)計滿足需要的隔離。3.7 插入損耗分析：插

11、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)）參見表。設(shè)計時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，這就要求對材料進行分析，選擇合適的材料也是很重要的。表：常見功分器的理論損耗3.8 功分器功率分析：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，所以隔離電阻上無功率通過，也就是說不承受功率，所以功分器的功率容量主要根據(jù)插入損耗計算出在傳輸線上損耗的能量， 從而計算出能夠承受的最大功率

12、即可。當(dāng)功分器作為合路器使用時我們可以根據(jù)以上隔離電阻原理進行分析，計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,其它端口接負載時，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，輸入端輸出功率為20W,隔離電阻不消耗功率。（ 3）功分器兩輸出端輸入同幅反相10W 功率信號，輸入端輸出功率為0,隔離電阻消耗功率為20W。4、設(shè)計實例：以 10.4G-10.5G 微帶一分二的設(shè)計為例1.1 技術(shù)指標(biāo) ：頻率10.4G-10.5GHz，端口阻抗50 ，帶

13、內(nèi)分配損耗4dB,兩支路隔離25dB。1.2 計算：1.2.1 計算節(jié)數(shù)：據(jù) m=f2/f1 ，確定一節(jié)即可實現(xiàn)。1.2.2 計算阻抗：Z1=Z2 = Z 0 Z 2 = 2 50 =70.7 。1.2.3 確定隔離電阻：據(jù)一節(jié)功分器R/100 = Z0 =50 ，則隔離電阻R=100 。1.2.4 計算線寬和線長：線路板厚0.5mm,介電常數(shù)2.65 。利用微波仿真軟件Microwave Office 計算出：兩支路線長即四分之一波長L=4.9mm， 70.7 線寬W1=W2=0.76m， m50 端口線寬W=1.4m。m1.2.5 建模與仿真：為使設(shè)計出的產(chǎn)品指標(biāo)更為準(zhǔn)確，減少調(diào)試量，先用

14、微波仿真軟件MicrowaveOffice 進行設(shè)計仿真，并做適當(dāng)優(yōu)化，以滿足設(shè)計指標(biāo)。如圖 8建立模型進行仿真分析10.3G到 10.6GHz頻帶內(nèi)的隔離和分配損耗，100MH)z，其結(jié)果如圖9。9 ： Microwave Office 仿真結(jié)果分析其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分配損耗滿足要求但隔離度不夠，因此需要對其做進一步優(yōu)化處理對其分支線長度L作為變量進行優(yōu)化計算，當(dāng)W1=W2=0.76mm,L=4.5mm10： Microwave Office 仿真結(jié)果1.3 設(shè)計輸出：1.3.1 PCB據(jù)以上計算結(jié)果進行PCB布板，由于其工作頻率高為使實際結(jié)果與仿真結(jié)果更為接近，在畫圖時要注意精度的控制。為減少P

15、CB分布參數(shù)的影響要對接“地“做好處理， 因此使用雙面板并使用螺釘充分固定。隔離電阻使用0603封裝薄膜電阻。如圖11。圖 11 ： PCB圖1.3.2 整體結(jié)構(gòu)為減少接“地“問題，接頭出處問題以及空間其他因素影響測試結(jié)果，要加工一金屬盒子將PCB裝入其中，并加蓋封閉。接頭采用SMA-K接頭。如圖12。精品文檔精品文檔12：整體示意圖1.4 調(diào)試測試裝配完畢后經(jīng)過測試其結(jié)果基本接近，再對其簡單調(diào)試（在其分支線端口加焊小金屬片，使其更好的與端口匹配）后滿足設(shè)計指標(biāo)，分配損耗3.5dB, 隔離度25.4dB。5 設(shè)計總結(jié)：以上對功率分配器的設(shè)計原理、設(shè)計步驟進行了論述，特別以等功率分配的二路功率分配器進行了實例分析，那么其他的功率分配器設(shè)計上有什么不同呢？下面將對其進行簡單的概述：5.1 功率不等分功率分配器：對于不等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)上面的分配原理進行計算，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)每一路的功率比計算出阻抗比，從而通過阻抗變換節(jié)對每一路進行阻抗匹配。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)：功率分配器常見的路數(shù)有2 路、 3 路、 4 路、 8 路等，也就是說功率分配器的路數(shù)主要由2 路或 3 路派生出來的。我們知道2 路功率