微波電路(西電雷振亞老師的課件)-第5章-功率分配器合成器

微波電路(西電雷振亞老師的PPT課件)-第5章-功率分配器合成器微波電路(西電雷振亞老師的PPT課件)-第5章-功率分配器合成器3負(fù)載貼片電阻、負(fù)載、衰減器的專業(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負(fù)載

4衰減器

衰減范圍：0-30dB頻率范圍：2-40GHz分段功率：2-50W調(diào)節(jié)方式：機(jī)械式連續(xù)可調(diào)和步進(jìn)方式可電驅(qū)動(dòng)4衰減器

衰減范圍：0-30dB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)功率分配器第5章功率分配器/合成器 5.1功率分配器的基本原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(biāo) 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(gè)端口的電壓駐波比等。

(1)頻率范圍。這是各種射頻/微波電路的工作前提,功率分配器的設(shè)計(jì)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(jìn)行下面的設(shè)計(jì)。

5.1功率分配器的基本原理 5.1.1功率分配器的技術(shù) (2)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(jì)任務(wù)來(lái)選擇用何種傳輸線。

(3)分配損耗。主路到支路的分配損耗實(shí)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 (2)承受功率。在大功率分配器/合成器中,電路元件所

式中

(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(lái)的損耗。定義 Ai=A-Ad

其中,A是實(shí)際測(cè)量值。在其他支路端口接匹配負(fù)載,測(cè)量主路到某一支路間的傳輸損耗。 可以想象,A的理想值就是Ad。在功率分配器的實(shí)際工作中,幾乎都是用A作為研究對(duì)象。 式中

(5)隔離度。支路端口間的隔離度是功率分配器的另一個(gè)重要指標(biāo)。如果從每個(gè)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。在主路和其他支路都接匹配負(fù)載的情況下,i口和j口的隔離度定義為 隔離度的測(cè)量也可按照這個(gè)定義進(jìn)行。

(6)駐波比。每個(gè)端口的電壓駐波比越小越好。 (5)隔離度。支路端口間的隔離度是功率分配器的另一個(gè)

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),如圖5-1所示。信號(hào)輸入端的功率為P1,而其他兩個(gè)輸出端口的功率分別為P2和P3。由能量守恒定律可知P1=P2+P3。 如果P2（dBm）=P3（dBm）,三端功率間的關(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,只是相等的情況在實(shí)際電路中最常用。因此,功率分配器可分為等分型（P2=P3）和比例型（P2=kP3）兩種類型。 5.1.2功率分配器的原理圖5-1功率分配器示意圖圖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(jì),按結(jié)構(gòu)可分成△形和Y形,如圖5-2(a)、(b)所示。5.2集總參數(shù)功率分配器 5.2.1等分型功率分配器圖5-2△形和Y形電阻式功率分配器圖5-2△形和Y形電阻式功率分配器

圖5-2中Z0是電路特性阻抗,在高頻電路中,不同的使用頻段,電路中的特性阻抗是不相同的,這里以50Ω為例。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是頻寬大,布線面積小,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)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(jiàn)圖5-3),計(jì)算如下：(5-2) 圖5-2中Z0是電路特性阻抗,在高頻電路中,不同的使用頻圖5-3Y形電阻式二等分功率分配器圖5-3Y形電阻式二等分功率分配器 2.L-C式 這種電路利用電感及電容進(jìn)行設(shè)計(jì)。按結(jié)構(gòu)可分成高通型和低通型,如圖5-4(a)、(b)所示。下面分別給出其設(shè)計(jì)公式。 2.L-C式圖5-4L-C式集總參數(shù)功率分配器圖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) 1)低通型(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(gè)輸出口的功率不相等。假定一個(gè)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(jì)圖5-4（a）所示低通式L-C式集總參數(shù)比例功率分配器。

5.2.2比例型功率分配器(5-5)(5-5) 5.2.3集總參數(shù)功率分配器的設(shè)計(jì)方法 集總參數(shù)功率分配器的設(shè)計(jì)就是要計(jì)算出各個(gè)電感、電容或電阻的值。可以使用現(xiàn)成軟件MicrowaveOffice或Mathcad。也可以查手冊(cè)或手工解析計(jì)算。下面給出使用Mathcad的計(jì)算結(jié)果和MicrowaveOffice的仿真結(jié)果。

5.2.3集總參數(shù)功率分配器的設(shè)計(jì)方法圖5-5低通L-C式功率分配器圖5-5低通L-C式功率分配器

設(shè)工作頻率為f0=750MHz,特性阻抗為Z0=50Ω,功率比例為k=0.1,且要求在750±50MHz的范圍內(nèi)S11≤-10dB,S21≥-4dB,S31≥-4dB。

在電路實(shí)現(xiàn)上采用如圖5-5所示結(jié)構(gòu)。 將公式（5-5）寫入Mathcad,計(jì)算可得

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

采用MicrowaveOffice進(jìn)行仿真,電路圖如圖5-6所示。 設(shè)工作頻率為f0=750MHz,特性阻抗為Z0=5圖5-6功率分配器電路圖圖5-6功率分配器電路圖

仿真結(jié)果如圖5-7所示。

圖5-7功率分配器電路仿真結(jié)果 仿真結(jié)果如圖5-7所示。圖5-7功率分配器電路仿真結(jié)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(gè)功率等分器,P2=P3=P1-3dB,Z0是特性阻抗,λg是信號(hào)的波導(dǎo)波長(zhǎng),R是隔離電阻。當(dāng)信號(hào)從端口1輸入時(shí),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(wú)電流,不吸收功率。5.3分布參數(shù)功率分配器 5.3.1微帶線功率分配器圖5-8威爾金森功率分配器圖5-8威爾金森功率分配器

若端口2或端口3有失配,則反射功率通過(guò)分支叉口和電阻兩路到達(dá)另一支路的電壓等幅反相而抵消,在此點(diǎn)沒(méi)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k2,即（5-6） 若端口2或端口3有失配,則反射功率通過(guò)分支叉口和電阻兩路

由于端口1到端口2與端口1到端口3的線長(zhǎng)度相等,故端口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 將上式代入式（5-6）,得

（5-7）

（5-8）

由于端口1到端口2與端口1到端口3的線長(zhǎng)度相等,故端口

即 Z2=k2Z3

（5-9）

式中,Z2、Z3為端口2和端口3的輸入阻抗,若選 則可以滿足式（5-9）。為了保證端口1匹配,應(yīng)有

（5-10）（5-11） 即（5-10）（5-11）

同時(shí)考慮到

則 所以

（5-12）

同時(shí)考慮到（5-12）

為了實(shí)現(xiàn)端口2和端口3隔離,即端口2或端口3的反射波不會(huì)進(jìn)入端口3或端口2,可選

在等功率分配的情況下,即P2=P3,k=1,于是（5-13）

為了實(shí)現(xiàn)端口2和端口3隔離,即端口2或端口3的反射波不會(huì)

微帶線功率分配器的實(shí)際結(jié)構(gòu)可以是圓環(huán)形,便于加工和隔離電阻的安裝,如圖5-9所示。

微帶線功率分配器的實(shí)際結(jié)構(gòu)可以是圓環(huán)形,便于加工和隔離電圖5-9微帶線功率分配器圖5-9微帶線功率分配器

設(shè)計(jì)實(shí)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）可知Z02=Z03=Z0=70.7Ω,R=2Z0=100Ω。采用微波設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行仿真,功率分配器電路圖及仿真結(jié)果如圖5-10所示。 設(shè)計(jì)實(shí)例：WilkinsonPowerSplitters2-3WilkinsonPowerSplitters2-3WilkinsonPowerSplitters2-6WilkinsonPowerSplitters2-6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

圖5-10功率分配器電路圖及仿真結(jié)果PowerSplitters4ZoZoZoZ1Z3Z5Z4Z2Rλ/4λ/4λ/4PinP2P3

PowerSplitters4ZoZoZoZ1Z3Z5Z4

以上對(duì)功率分配器的分析都是對(duì)中心頻率而言的情形,和其他的微帶電路元件一樣,功率分配器也有一定的頻率特性。圖中5-10(b)給出了上面討論過(guò)的單節(jié)二等分功率分配器的頻率特性。由圖中可以看出,當(dāng)頻帶邊緣頻率之比f(wàn)2/f1=1.44時(shí),輸入駐波比ρ<1.22，能基本滿足輸出兩端口隔離度大于20dB的指標(biāo)要求。但是當(dāng)f2/f1=2時(shí),各部分指標(biāo)也開(kāi)始下降,隔離度只有14.7dB,輸入駐波比也達(dá)到1.42。為了進(jìn)一步加寬工作頻帶,可以用多節(jié)的寬頻帶功率分配器,即和其他一些寬頻帶器件一樣,可以增加節(jié)數(shù),即增加λg/4線段和相應(yīng)的隔離電阻R的數(shù)目,如圖5-11（a）所示。 以上對(duì)功率分配器的分析都是對(duì)中心頻率而言的情形,和其他的

分析結(jié)果表明,即使節(jié)數(shù)增加不多,各指標(biāo)也可有較大改善,工作頻帶有較大的展寬。例如,n=2,即對(duì)于二節(jié)的功率分配器,當(dāng)f2/f1=2時(shí),駐波比ρ<1.11,隔離度大于27dB;n=4,即對(duì)于二節(jié)的功率分配器,當(dāng)f2/f1=4時(shí),駐波比ρ<1.10,隔離度大于26dB;n=7,即對(duì)于二節(jié)的功率分配器,當(dāng)f2/f1=10時(shí),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）所示,隔離電阻用扇型薄膜結(jié)構(gòu)。 分析結(jié)果表明,即使節(jié)數(shù)增加不多,各指標(biāo)也可有較大改善,

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

圖5-11寬頻帶功率分配器

功率分配器的設(shè)計(jì)是在假定支路口負(fù)載相等且等于傳輸線特性阻抗的前提下進(jìn)行的。如果負(fù)載阻抗不是這樣,必須增加阻抗匹配元件,然后進(jìn)行設(shè)計(jì)。這一點(diǎn)在功率合成器中尤為重要,直接影響功率合成器的合成效率,請(qǐng)參見(jiàn)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 有的時(shí)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所示。

功率分配器的設(shè)計(jì)是在假定支路口負(fù)載相等且等于傳輸線特性阻圖5-12N路功率分配器圖5-12N路功率分配器

與兩路功率分配器相似,N路功率分配器要滿足如下條件：輸入端口要匹配無(wú)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。 與兩路功率分配器的推導(dǎo)過(guò)程相似,我們可得N路功率分配器電路的相關(guān)參數(shù)。取各路負(fù)載阻值為(5-14) 與兩路功率分配器相似,N路功率分配器要滿足如下條件：輸

從而,可得各路的特性阻抗為(5-15) 從而,可得各路的特性阻抗為(5-15)

通過(guò)計(jì)算后可得各路的隔離電阻值。 多路功率分配器實(shí)際中常用的方法是采用兩路功率分配器的級(jí)聯(lián),即一分為二,二分為四,四分為八等。 一分為四的結(jié)構(gòu)如圖5-13所示,級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)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(jì)任務(wù)的尺寸等因素決定采用哪個(gè)方法。